环境工程原理：热力学第一定律

1、1 1 系统的储存能系统的储存能T Totalstoredenergyofsystem 系统总储存能系统总储存能内部储存能（热力学能）内部储存能（热力学能）(Internalenergy)外部储存能外部储存能(Externalenergy)宏观位能宏观位能EP （重力位能重力位能）宏观动能宏观动能EKKpEUEE分子动能（分子动能（移动、转动、振动移动、转动、振动）（理想气体）（理想气体）分子位能（分子位能（分子间作用力相互作用分子间作用力相互作用）核能核能化学能化学能内能内能U内能内能是状态量是状态量 U :广延参数广延参数kJu :比参数比参数kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量

2、出现，内能内能零点人为定零点人为定说说明明外储存能外储存能 系统工质与外力场外力场的相互作用相互作用 所具有的能量如：重力位能以外界外界为参考坐标参考坐标的系统宏观运动宏观运动所具有的能量 如：宏观动能 221mcEkmgzEp组组成成系统总能系统总能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能Ek=mc2/2宏观位能宏观位能Ep=mgz机械能机械能系统总能系统总能E =U+Ek+Epe=u+ek+ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U ,dU, u, du二二 系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 功随物质传递的能量随物质传递的能量 热量热量外界热源外界热源外界功源外界功源外界质源外

3、界质源系系统统热量热量(Quantityofheat )kJ 或 kcal且lkcal=4.1868kJ定义定义：在温差温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定规定:特点特点:是传递过程传递过程中能量的一种形式，与热力过程热力过程有关系统吸热吸热热量为正正，系统放热放热热量为负负单位：单位：功功(Work)除温差以外除温差以外的其它不平衡势差不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1膨胀功W：2 轴功W:在力差力差作用下，通过系统容积变化容积变化与外界传递的能量。规定规定: 系统对外作功对外作功为正正，外界对系统作功对系统作功为负负。通过轴系统轴系统与外界传递的能量能量定义定义:单位单位

4、：l J=l Nm膨胀功是热变功热变功的源泉刚性闭口系统刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换种类种类:注意注意:理想气体内能变化计算理想气体内能变化计算 dTcduqvvv适用于理想气体理想气体一切一切过程或者实际气体实际气体定容定容过程 用定值比用定值比热计算热计算:102000121221tctcdtcdtcdtcutvmtvmtvtvttv用 平 均 比用 平 均 比热计算热计算: Tfcv 21dTcuv理想气体组成的理想气体组成的混合气体的内能混合气体的内能： niiiniinumUUUUU112121dTcuv经验公式代入三三 闭口系能量方程闭口系能量方程功功（ w）闭口

5、系闭口系统统与外界交换的功量与外界交换的功量 q=du+ w简单可压缩系可逆简单可压缩系可逆过程过程 w=pdvq = u + pdv第一定律解析式之一第一定律解析式之一 q=du+pdv 四四开口系能量方程开口系能量方程推导推导 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 - -离开离开系统的系统的能量能量 = =系统系统储存能量储存能量的的变化变化推进功的引入推进功的引入 Wne t Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q+ min(u+c2/2+g

6、z)in- mout(u+c2/2+gz)out- Wnet=dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推=pAdl=pVw推推=pv注意：注意：不是不是pdv v 没有变化没有变化对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能

7、、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所而由外界做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout212inc212outc Q+ min(u+c2/2+gz)in- mout(u+c2/2+gz)out- Wnet=dEcv minpvout开口系

8、能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q+ min(u+pv+c2/2+gz)in- Wnet- mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv工程上常用工程上常用流率流率0limQQ0limmm0limWW2cvout2innetind/ 2/ 2outQEupvcgzmupvcgzmW随物质传递的能量mgzmcUE2211122vpvpwf1 流动工质流动工质本身具有的能量本身具有的能量2 流动功流动功(或推动功或推动功)为推动流体推动流体通过控制体界面而传递的机械功机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功 注意注意:取决于取决于控制体进出口界面工质的热力状态工质的热力状态由泵风机等提

9、供焓焓 对于m千克工质： pVUHv焓的定义式焓的定义式：焓焓=内能内能+流动功流动功 v焓的物理意义：焓的物理意义：1对流动流动工质(开口开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于取决于热力状态热力状态的那部分能量.特别的对理想气体 h=f(T) 对于1千克工质： h=u+ p v 2 对不流动不流动工质(闭口闭口系统)，焓只是一个复合复合状态参数状态参数开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：netcv2outout2inind/ 2/ 2QEWupvcgzmupvcgzm流动时，总一起存在流动时，总一起存在五五 开口系统开口系统稳定流动能量方程稳定流

10、动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout212inc212outc稳定流动条件稳定流动条件Steady State Steady Flow(SSSF)1、outinmmm2、QConst3、netsWConstW轴功轴功Shaftwork每截面状态不变每截面状态不变4、,/0C VdE稳定流动能量方程稳定流动能量方程2s12qhcgzw 适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程几种功的关系几种功的关系2t12swcgzwt()tqhwupvw quw ()twpvwwwt(pv) c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws机械

11、能机械能wt理想气体焓的计算理想气体焓的计算用定值比用定值比热计算热计算:用 平 均 比用 平 均 比热计算热计算:经验公式代入 TfRTuhdTchp21102000121221tctcdtcdtcdtchtpmtpmtptpttp Tfcp21dTchp适用于理想理想气体的一切一切热力过程或者实际气体实际气体的定压定压过程， 小结小结进进- 出出 =内能增量内能增量1、本质：本质：能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律 小结小结2outcvout2innetind/2/2QEhcgzmhcgzmW通用式通用式2、热一律表达式：热一律表达式：cvnet2outout2inind/2/2QEWhcgzmhcgzm小结小结qdupdvdhvdp3、准静态下两个热力学微分关系式准静态下两个热力学微分关系式适合于闭口系统和稳流开口系统适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式后续很多式子基于此两式