02第二章热力学第一定律

1、1第二章热力学第一定律第二章热力学第一定律（火力发电厂外貌（火力发电厂外貌）2第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律（First law of thermodynamics) 2.1 第一定律的实质第一定律的实质 2.2 热力学能和总能热力学能和总能 2.3能量的转递和转化能量的转递和转化 2.4 焓焓 2.5第一定律的基本能量方程式第一定律的基本能量方程式 2.6 开口系统能量方程式开口系统能量方程式 2.7 能量方程式的应用能量方程式的应用3熟练掌握热力学第一定律的实质及其在工程热力学中应用。能量方程式的推导方法。4正确理解 热力学第一定律的普遍适用性。 容积变化功、推动功、技术功的区

2、别。系统能量与内能的区别。 焓定义式中pv这一项不是储藏在工质内部的能量 52-1 热力学第一定律的实质 一、能量守恒与转换定律：自然界中的自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。转化过程中能量的总量保持不变。二、热力学第一定律是能量守恒与转二、热力学第一定律是能量守恒与转换定律在换定律在热现象热现象中的应用，它确定了中的应用，它确定了热力过程中热力系与外界进行能量交热力过程中热力系与外界进行

3、能量交换时，换时，各种能量数量上的守恒关系各种能量数量上的守恒关系6三、能量守恒定律在热力学中的表述方法 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能，它们之间的比值是一定的。 热可以变成功，功也可以变成热。一定量的热消失时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。热力学第一定律是热现象中的能量转化与守恒热力学第一定律是热现象中的能量转化与守恒的定律。它适用于任何热力学系统的任何过程的定律。它适用于任何热力学系统的任何过程（非准静态过程亦成立）。（非准静态过程亦成立）。7四、热功当量 热能和机械能之间的当量关系式：Q=AJW 消耗的热能热功当量完成的功与热和功的单位相关，而与

4、能量转化时的条件无关热的单位：千卡（kcal）功的单位：公斤力米（kgfm）工程制AJ=1/426.9kcal/(kgfm）1千卡=4.1868千焦耳=426.935公斤力米8 热力学第一定律是热现象中的能量转热力学第一定律是热现象中的能量转化与守恒的定律。化与守恒的定律。 热力学第一定律适用于热力学第一定律适用于任何系统的任任何系统的任何过程何过程（非准静态过程亦成立）。（非准静态过程亦成立）。92-2 热力学能和总能 内动能：分子热运动而具有的能量，是温度的函数（分子平移运动、分子旋转和振动运动）； 内位能：分子间相互作用力的存在，它决定于气体的比体积和温度； 化学能：维持一定分子结构所需

5、要的能量；（有化学反应） 原子能：原子核内部的能量；（有原子核反应） 电磁能：电磁场作用下的电磁能。一、热力学能的组成部分10 (1)分子热运动的能量；分子热运动的能量； (2)分子间势能和分子内的势能；分子间势能和分子内的势能； (3)分子内部、原子内部运动的能量；分子内部、原子内部运动的能量； (4)电场能、磁场能等。电场能、磁场能等。 T 不太大时，系统状态的变化主要是不太大时，系统状态的变化主要是 热运动的能量变化热运动的能量变化和和分子间的势能变化分子间的势能变化 其它形式的运动能量不改变。其它形式的运动能量不改变。气体动理论：气体动理论：从从微观微观上看，上看，系统的热力学能（内能

6、）包括：系统的热力学能（内能）包括：RTivU2理想气体（刚性）11热力学能的单位：焦耳，用符号J表示热力学能的符号：U比热力学能：1kg物质的热力学能，用u表示， 单位：J/kg分子运动学说：热力学能是热力状态的单值函数 在一定的热力状态下，分子有一定的均方根速度和平均距离，就有一定的热力学能，而与达到这一热力状态的路径无关，因而热力学能是状态参数),(vTfu ),(pTfu ),(vpfu 12一一.热力学能（内能热力学能（内能（internal energy）1212A绝热绝热A绝热绝热绝绝热热壁壁W绝 热绝 热 R水水绝绝热热壁壁W绝热绝热 RI水水13实验表明：实验表明：III绝热

7、绝热WW由此可由此可定义定义系统系统内能内能 U， （外界）绝热2112WUU令令U的的增量增量满足关系：满足关系：),(VTUU 实验和理论都表明：实验和理论都表明：)(TUU理气与过程无关与过程无关U 状态量状态量 ，只要只要1和和2状态确定，则状态确定，则14二、总能 内部储存能：热力学能 外部储存能：宏观运动速度的动能（Ek）和不同高度而具有的位能（Ep） 总能（总储存能）：内部储存能和外部储存能之和，用E表示1) 几个概念152) 总能的表示方法 E=U+Ek+Ep 宏观动能：221fkmcE mgzEpmgzmcUEf221宏观位能总能16思考题思考题1（P45）热力学能的变化）热

8、力学能的变化1、抽调隔板、抽调隔板 1）过程描述）过程描述：抽掉隔：抽掉隔 板气体冲进真空容器板气体冲进真空容器 中。中。 2）过程特点）过程特点：非准静：非准静 态过程；由于绝热壁，态过程；由于绝热壁， Q=0；由于刚性壁、向；由于刚性壁、向 真空膨胀，真空膨胀，W=0。因此。因此真空真空刚性绝热壁刚性绝热壁隔板隔板2T1T1U2U由热力学第一定律知：系统的热力学能保持不变，由热力学第一定律知：系统的热力学能保持不变，21UU 21TT 172-3 能量的传递和转化 1)能量传递的两种方式：一、作功和传热作功（有位移）传热（高温到低温）2)作功的结果：机械能（动能）工质的部分能量活塞和飞轮热

9、力学能3)传热的结果: (1)没有能量形式的变化； (2)不需要有物体宏观移动184)热能变机械能的过程(1)能量转换的热力学过程(2)单纯的机械过程(1)能量转换的热力学过程第一步 热能传递转变为工质的热力学能第二步 工质膨胀把热力学能变成机械能汽油燃烧燃料燃烧能量形式发生了表化(2)单纯的机械过程活塞和飞轮的动能机械能动能19二、推动功和流动功 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功，推动功只在工质移动位置时才起作用。V0?lBp2,v2p1,v120开口系统和外界之间功的交换 流动功：推动功之差是系统为维持工质流动所需要的功1122)(vpvppv功的交换：1)不考虑工质的动能和位能时，

10、为膨胀功减去流动功)(1122vpvpw热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压缩联系在一起的212-4 焓 HUpV 单位：J 比焓：1kg工质的焓称为比焓，用h表示，即：hupv 单位：J/kg焓的定义热力学能推动功焓是状态参数，与路径无关工质的移动热力学能推动功转移的能量222-5 热力学第一定律的基本能量方程式进入系统的能量离开系统的能量系统中储存能量的增加一、基本原则二、闭口系统进入进出的能量热量作功三、开口系统物质交换带进带出系统的能量进入进出的能量热量作功23四、热力学第一定律四、热力学第一定律 基本能量方程式基本能量方程式 U1 U2WQWUWUUQ)(12对任意过程：对任意

11、过程： W 0 系统对外界作功系统对外界作功实验表明：实验表明： Q 0 系统从外界吸热系统从外界吸热 Q 过程量过程量一般情况：一般情况： 系统从外界吸收的热量等于系系统从外界吸收的热量等于系 统内能的增统内能的增量和系统对外界作功之和。量和系统对外界作功之和。dQ=dU+dW热力学第一定律的解析式24五、热力学第一定律基本能量方程的微分形式五、热力学第一定律基本能量方程的微分形式 热力学第一定律：系统从外界吸收的热量等于热力学第一定律：系统从外界吸收的热量等于AEAEEQ )(12式中式中A 0 ，系统对外正作功，系统对外正作功 ， Q 0 ，系，系统吸热。功和热量都是过程量。系统的内能统

12、吸热。功和热量都是过程量。系统的内能是状态量，对理想气体，内能是温度的函数是状态量，对理想气体，内能是温度的函数有有系统内能的增量和系统对外界作功之和。对任系统内能的增量和系统对外界作功之和。对任意元过程有：意元过程有：AEQddd )(TEE 理气理气热力学第一定律是热现象中的能量转化与守恒热力学第一定律是热现象中的能量转化与守恒的定律。它适用于任何热力学系统的任何过程的定律。它适用于任何热力学系统的任何过程（非准静态过程亦成立）。（非准静态过程亦成立）。25六、可逆过程 对于可逆过程：WpdV， 所以 Q=dU+pdV, 21pdVUQ或 q=du+pdv, 21pdvuq26思考思考下列

13、的静电永动机能否实现？下列的静电永动机能否实现？V U= 0O pW= QQ“第一类永动第一类永动机机”不存在。不存在。七、循环过程：七、循环过程：+-+-+绝缘杆绝缘杆绝缘杆绝缘杆带电杆带电杆带电杆带电杆272-6 开口系统能量方程式 进入系统的能量：dE1+p1dV1+Q 离开系统的能量： dE2+p2dV2+Wi 控制容积的储存能增量： dECV一、开口系统能量方程式iiinminfoutmoutjfCVPqgzchqgzchddE,2,222开口系统能量方程的一般表达式：热流率质流率内部功率单位质量的总能28二、稳定流动能量方程式 所谓稳定流动，是指热力系统在任何截面上工质的一切参数都

14、不随时间而变。必须满足下述条件： （1）进出口处工质的状态不随时间而变； （2）进出口处工质流量相等且不随时间而变，满足质量守恒条件； （3）系统和外界交换的热和功等一切能量不随时间而变，满足能量守恒条件。1) 稳定流动的条件29二、稳定流动能量方程式的导出1、稳定流动的必要条件的数学描述0ddECVoutminmqq,必要条件一：状态不变必要条件二：质量守恒对于单股流体进出时，有mmmqqq21单位时间单位质量ifwzgchq221微量形式ifwgdzdcdhq2211kg工质进入系统从外界吸入的热量1kg工质进入系统后在机器内部作的功（2-16）（2-16a）30当流入质量为m的流体时，稳

15、定流动能量方程可写成ifWzmgcmHQ221微量形式ifWmgdzmdcdHQ221以上公式是工程上常用的基本公式之一，除要求流动稳定以外，无任何附加条件，故而不论系统内部如何改变，有无扰动或摩擦，均能够应用。（2-17）（2-17a）31三、稳定流动能量方程式的分析由式（2-16），并把h= u+ (pv)代入可得：ifwpvzgcuq)(212工质机械能的变化流动功工质对机器作的功容积变化功工质状态变化过程中通过膨胀实施的热能转变成的机械能式（2-18）说明工质在状态变化过程中从热能转变来的机械能 膨胀功（2-18）32四、技术功及其分析1)技术功的组成技术上可资利用的功，包括动能、位能

16、和对机器作的功，即：)()(21122122zzgccwwffit由式（2-18）并考虑到q-u=w, 则)()(1122vpvpwpvwwt对可逆过程212121212211)(vdppvdpdvvpvppdvwt（2-20）对微元过程vdpwt33五、稳定流动能量方程式的技术功表示法引进技术功后，式（2-16）可以改写为： （单位质量）ttwhwhhq12（2-23）式（2-23）也可以由热力学第一定律的解析式（2-11）直接导出vdpdhpdvvdppdvdhpdvpvhdpdvduq)(因此，热力学第一定律的各种能量方程式在形式上虽有不同，但由热变成功的实质都是一致的，只是不同场所不同

17、应用而已。342-7 能量方程式的应用 一、动力机 h1h2wi动力机能量平衡1)压力降低，对机器作功；2)进出口速度相差不大，动能差很小，不计；3)对外界略有散热损失，但数量不大，也不计；4)位能差极微，不计。wi=h1-h2=wt （单位质量）由稳定流动能量方程式（2-16）可得：35二、压气机h1h2wC压气机能量平衡1)机器对工质作功，压力升高；2)进出口速度相差不大，动能差很小，不计；3)对外界略有放热，wi（习惯上压气机耗功用 wC表示，且令wCwi）和q都是负的；4)位能差极微，不计。wCwi=（h2-h1）（q)=wt （单位质量）由稳定流动能量方程式（2-16）可得：36三、

18、换热器h1h2q换热器能量平衡1)对外界有热量交换而无功的交换2)进出口速度相差不大，动能差很小，不计；3)位能差极微，不计。qh2-h1 （单位质量）由稳定流动能量方程式（2-16）可得：37四、管道cf1h1cf2h2喷管能量平衡1)不对外界作功2)因管道短。流速大，来不及和外界交换热量， 故热量交换忽略不计；3)位能差极微，不计；4)进出口速度相差很大，动能差很大。（单位质量）由稳定流动能量方程式（2-16）可得：212122)(21hhccff38*三三. 节流过程节流过程（throttling process） 通常气体是通过通常气体是通过多孔塞多孔塞或或小孔小孔向压强较低区向压强较低区域膨胀域膨胀节流过程。节流过程。实际气体通过节流过程温度可以升高或降低，实际气体通过节流过程温度可以升高或降低，这称为这称为焦耳焦耳汤姆孙效应汤姆孙效应(Joule-Thoms