能量与热力学第一定律

第一部分热力学基本定律

第一章能量与热力学第一定律

本章提要:

本章阐明热力学第一定律的实质一一能量守恒，给出了热力学第一定律的基本表达式及其对开口系统的表达式，导出了工程上具有重要意义的稳定流动能量方程式，简单介绍了非稳定流动的能量方程，举例说明了热力学第一定律在不同工程问题上的具体应用。第一部分热力学基本定律

第一章能量与热力学第一定律

本章要求:1．

深刻认识热力学第一定律的实质——能量守恒。

2．了解热和功是系统与外界交换能量的两种方式，知道其定义、特性及计算方法。3．掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能量方程，并对非稳定流动能量方程有初步的认识。4．了解热力学第一定律对工程实践的指导作用，能灵活运用能量方程对实际工程中的能量转换过程进行分析、计算和研究。

2－1热力学第一定律的实质

一能量转换与守恒定律

自然界一切物质都具有能量。能量不可能创造也不可能消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量总量恒定不变

2－1热力学第一定律的实质

二几种说法在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量维持恒定热功可以互相转换，但转换前后总量不变永动机是不可能制造成功的

2－2功一功的定义和性质1在力学中的定义物体所受的力及其沿力的方向所产生的位移的乘积功量是过程量，与状态量不同，说某状态下具有多少功量是毫无意义的。功用W

表示

2－2功一功的定义和性质2在热力学里的定义功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替3功的单位和符号4比功w＝W/m

2－2功三气体的容积变化功

2－2功三气体的容积变化功活塞移动dx时所作的功量为

§W=pAdx＝pdV

准平衡过程体积变化功W＝∫pdV

2－2功三气体的容积变化功几点说明：1适用于任意准平衡过程，与热力系的几何形状无关2系统在准平衡过程中完成的功量亦可称为准静功。准静功可以仅通过系统内部的参数来描述

3必须知道过程方程式P＝f(V)，才能算出该过程的功量4P－V

图上可以用面积表示功量，故p-V图又称为示功图5功量是过程量而不是状态量6气体膨胀，dV＞0，功量为正，系统对外做功

2－3热1定义：热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为热。2热的传递不能像功的传递那样，可以折合为外界重物高度变化的单一效果3是过程量而不是状态量，因此说“物体具有多少热量”及“物体具有多少功量”都是错误的4热力系吸热时热量取正号，放热时取负号

2－4

循环的第一定律表达式焦耳实验表明：热力系经历一循环过程回到初态时，系统在整个循环中从外界吸入(或放出)的热量等于其对外完成的(或得到的)功量。

2－5

状态参数热力学能∮(§Q-§W)=01-A-2和1-C-2是由1到2任意选择的不同途径积分的结果与积分途径无关被积函数必定是某一个态函数的全微分用U

表示这个态函数dU＝§Q-§W以一定方式储存于热力系内部的能量叫做系统的热力学能(亦称内能)热力学能是一个状态参数，可用其它独立状态参数表示出来

2－6热力系与外界的物质交换

一质量守恒方程式稳态稳定流动过程：流道内各点流体的热力状态及流动情况不随时间变化

min=mout

2－6热力系与外界的物质交换

二流动功1

推挤功克服某种作用力，使气体发生宏观位置移动所消耗的功

2

流动功使流体从截面1流入到截面2流出的流动过程中，系统付诸于质量迁移所作的功Wf=p2V2-p1V1=△(pV)

2－7热力学第一定律的表达式一基本表达式

Q＝⊿U＋W1适用于闭系内进行的一切过程(包括各种非平衡过程及准平衡过程)2只涉及到热力学能、热、功的相互转换，是热力学的主要研究对象，所以称基本表达式

2－7热力学第一定律的表达式二开系能量方程式最一般的形式：

dEcv=§Q+∑§min(u+pv+1/2c2+gz)in

-∑§mout(u+pv+1/2c2+gz)out-§wnet

dEcv=§Q+∑§min(h+1/2c2+gz)in

-∑§mout(h+1/2c2+gz)out-§wnet

适用于任何工质任何过程任何流动

2－7热力学第一定律的表达式二开系能量方程式焓的说明：1定义：h=u+pv2物理意义：流动工质的热力学能和推挤功之和，可以认为是流动工质所携带的能量3性质：是状态参数，是状态量4目的：为了计算方便

2－7热力学第一定律的表达式三稳定流动能量方程式稳定流动过程系统与外界的功量和热量交换情况不随时间改变，系统内各处流体的热力状态和流动情况也不随时间变化能量方程式Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

适用于任何工质，任何过程，稳定流动的开系

2－7热力学第一定律的表达式四用技术功Wt表示的稳定流动能量方程式

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H+Wt

因为Q＝⊿U＋WQ=⊿H+Wt＝⊿U＋Wf＋Wt

所以Wt＝W－Wf

2－7热力学第一定律的表达式五稳定流动开系各种功之间的关系1

Wt＝1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

2W＝Wt＋Wf3对简单可压缩系统：4对准平衡过程：§Wt＝§W－§Wf＝pdv－d（pv）=－vdp

2－8能量方程式的应用1热力发动机Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wnet=－⊿H＝H1–H2

输出净功等于焓的降落

2－8能量方程式的应用2喷管

喷管是使气流加速的设备。它通常是一个变截面的流道Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

1/2m⊿cf2=－⊿H＝H1–H2

动能增加等于焓的降落

2－8能量方程式的应用3气轮机叶轮气流流经气轮机叶轮上的动叶栅，推动转轮回转对外作功Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Wne

＝1/2m（cf12－cf22）

2－8能量方程式的应用4热交换器电厂中锅炉、加热器等换热设备均属于热交换器Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

Q=⊿H＝

H2–H1

得到的热量等于焓的增加

2－8能量方程式的应用5压气机压气机是消耗外功而使气体升压的设备Q=⊿H+1/2m⊿cf2+mg⊿z+Wnet

－Wnet=

H