哈工大工程热力学课件02第二章 热力学第一定律

第二章热力学第一定律描述热力系能量收支平衡关系的定律能量收入－能量支出＝系统储存能量的变化描述为(2-1)回顾能量守恒定律：一切物质具有能量，能量有各种不同的形式，它既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个系统转移到另外一个系统。在能量转化和转移过程中，其总量保持不变。热力学第一定律是能量守恒定律在热工上的应用，是描述热能与机械能相互转换之守恒关系的定律。热力学第一定律可表述为：“第一类永动机是不可能造成的。”2-1状态参数内能定义：以一定方式储存于热力系内部的各种微观能量。包括大量分子热运动的内动能和分子间相互作用形成的分子位能。用符号“U”表示；单位是“J”(1)内动能：工质内部粒子的热运动所具有的动能称为内动能，它包括分子的移动动能、转动动能和分子内部原子的振动动能，用符号“UKE”表示。内动能只是温度T的函数，(2)内位能：分子间由于相互作用力的存在而具有的能量，称为内位能。用符号“UPE”表示，内位能与工质的比容有关；热力系的内能是其工质分子动能和位能的总和，

（2-2）上式表明：系统（气体工质）的内能是其温度和比容的函数；内能是尺度量，具有可加性。单位质量工质的内能称为比内能（简称内能），用符号“u”表示，单位是J/kg。2-1-2热力系统总能包括内部储存能（内能）和外部储存能（宏观动能和势能），用符号“E”表示。E可记为单位质量的总能称为比总能，用符号“e”表示。(2-3)(2-4)2-2能量的传递和转化系统与外界交换的能量形式包括有热量、功量和伴随物质流传递的能量等。热能转化为机械能的过程包括（1）能量转换的热力学过程和（2）单纯的机械能过程。2-2-1功量热力系与外界发生功的作用有多种形式，包括容积功、轴功、推挤功、流动功等。容积功。通过工质的容积变化而传递的机械能，包括膨胀功和压缩功。注意：膨胀过程中，dv>0，w>0，系统对外作功；但dv>0

仅是w>0的必要条件，而非充要条件。(b)轴功。通过轴与外界交换的机械能。一般用符号“Wsh

”表示。注意：刚性闭口系统无法向外输出轴功，仅可有轴功的输入（通过能量转换或机械能的直接传递）。(c)推挤功。推动流体通过控制体界面而传递的机械功（为把工质移入具有一定压力的热力系所需克服和消耗的能量）。（例：考察垂直气缸中活塞移动z距离的做功）

的工质，在压力的作用下，移动了距离，则外界对工质的推动功为11式中的代表管道的截面积(d)流动功。流动过程中，系统与外界由于物质的进出而传递的机械功，为推挤功之差，用Wf

表示。或2-2-2焓定义：或可见，焓是一个表示能量的状态参数。对于开口系统，焓表示了随物质一起转移的能量。(2-5)2-3

热力学定律的基本能量方程式2-3-1循环过程热力学第一定律的表达式焦耳定律：如果热力系经过一循环过程后回到原态。那么，在整个循环中，系统从外界吸收（或放出）的热量等于其对外完成（或获得）的功量。SI值中，可表述为一般可写为闭口系统循环过程热力学第一定律的表达式。(2-6)2-3-2闭口系统的热力学第一定律取气缸活塞系统中的工质为研究对象设进入系统的能量为Q，离开系统的能量为W，而系统存储能变化为

U＝U2-U1。则有改写为(2-7)对于单位工质，有对于微元过程，有或式(2-6)

(2-9)为闭口系统热力学第一定律表达式。对于准静过程，由于因此有式(2-10)

(2-12)适用于准静热力过程。(2-8)(2-9-a)(2-9-b)(2-10)(2-11)(2-12)

>0，表示热源对系统加热，系统吸热

<0，表示系统向热源放热；系统放热

>0，表示系统内能增加，

<0，表示系统内能减少；

>0，表示系统对外作功，

<0，表示功源对系统用功。注意，在应用上述公式时由于得于是记为或例题2-1：试由闭口系统热力学第一定律导出闭系循环过程能量守恒定律。(2-13-a)(2-13-b)2-4

开口系统能量方程式开口系统内既有质量变化，又有能量变化，控制体内应同时满足质量守恒与能量守恒关系。考察以下开口系统1122从1-1’界面进入控制体流体的质量为；从2-2’界面进入控制体流体的质量为；系统从外界吸热，对外输出轴功。则系统的能量收支情况为（1）获得能量（2）失去能量（3）在＋d时间内，系统储存能改变量由能量守恒关系于是有整理后，得式（2-14）为热力学第一定律的普遍关系式，虽然由开口系统导出，但同样适用于闭口系统，而且也同时适用于稳定和不稳定流动，可逆与不可逆过程。(2-14)对于闭口系统，由于，则（2-14）可改写为,即为(2-9)2-5-2稳定流动能量方程稳定流动的概念：（1）同一时间内进出系统的质量相等；即（2）同一时间内进出系统的能量相等，即（3）系统内任何位置的工质热力状态和流动情况不随时间变化。根据上述定义，改写能量方程（2-14）式为或(2-15)(2-15-b)(2-15-c)(2-15-a)式(2-15)

(2-15-c)为开口系统稳态稳流能量方程2-5-3稳定流动能量方程式分析

如令技术功或于是，开口系统稳态流动能量式可改写为(2-16)(2-17-a)(2-17-b)由得而于是，得即有(2-18-a)(2-18-b)对于准静过程，由于则有(2-19)技术功的物理意义：p-v图上过程线与P轴围成的面积。对于简单可压缩热力系而言技术功＝容积功－流动功pv1234由得(2-20)结合（2-17），有或(2-21-a)或(2-21-b)式（2-21）称为热力学第一定律的第二解析式，适合于开口系统的任意过程，及任意工质。外界对系统（工质）做功，气体受压缩气体膨胀，系统对外界做功，注意：例2-2：已知：求：Q解气缸内气体质量不变=－12,000J=105×(0.9－1.4)=－50,000J=－12,000＋(－50,000)=－62,000J例2-3：已知：Q1A2=100kJ；W1A2=60kJ；

W2B1=-40kJ；求：

分析：气体由1→A→2，内能变量为由2→B→1，内能变量为得12ABpv于是即kJ负号表示气体在返回过程中放出热量，其量为80kJ。

工质完成一个循环后，有。

例2-4：兹有热力循环12341，其中的热力过程发生的能量交换情况见下图所示，请填空并分析循环特性。过程Q（KJ）W（KJ）

U（KJ）1

2139002

30-3953

4-100004

10根据题意，根据热力学第一定律，有由于得则而为正循环。2-5-2稳定流动能量方程稳定流动的概念：（1）同一时间内进出系统的质量相等；即（2）同一时间内进出系统的能量相等，即（3）系统内任何位置的工质热力状态和流动情况不随时间变化。根据上述定义，可改写开口系统能量方程的一般表达式为或(2-15)(2-15-a)(2-15-b)(2-15-c)式(2-15)

(2-15-c)为开口系统稳态稳流能量方程2-5-3稳定流动能量方程式分析

如令技术功或于是，开口系统稳态流动能量式可改写为(2-16)(2-17-a)(2-17-b)由得而于是，得即有(2-18-a)(2-18-b)对于准静过程，由于则有(2-19)技术功的物理意义：p-v图上过程线与P轴围成的面积。对于简单可压缩热力系而言技术功＝容积功－流动功pv1234由得(2-20)结合（2-17），有或(2-21-a)或(2-21-b)式（2-21）称为热力学第一定律的第二解析式，适合于开口系统的任意过程，及任意工质。外界对系统（工质）做功，气体受压缩气体膨胀，系统对外界做功，注意：2-6稳定流动能量方程式的应用2-6-1热力发动机

包括内燃机、蒸汽机、燃气轮机、蒸汽轮机等。过程特点：；；则由开口系统能量方程式即：热力发动机利用工质在及其中的膨胀来获得机械功，其对外输出的净功等于进出口的焓降h1h2wt2-6-2冲击式轮机叶轮特征：汽流冲击气轮机叶轮上的动叶栅，推动轮子转动，带动机械轴做功；过程特点：；；则由开口系统能量方程式即：气流的宏观动能差转化为对外轴功，单纯的机械功转换。wth1h22-6-3泵与压气机

消耗外功使工质升压的设备。通常的压气机有活塞式、回转式、轴流式、离心式等类型。

即：工质在压气机中被压缩时，外界对它作的功全部转变为工质焓的增加量。

过程特点：；；则由开口系统能量方程式，可得2-6-4．换热器包括冷凝器、蒸发器、回热器和再热器等。热力过程特点：；；于是，由开口系统能量方程式可得即：工质与外界交换的热量主要用于改变其的焓值。h1h2q1h1h2c1c22-6-5喷管

喷管是使流体加速的设备，是一个用来获得高速气流的管道。热力过程特点：；；于是，由开口系统能量方程式，得即：工质的焓降用于增加其自身动能。若工质的流动过程是准静态，则还有2-6-6节流装置

工质在管内流过一收缩截面时，产生阻力，压力降低，这种现象称为节流。节流是一个改变工质流量及流动状态的热力过程。节流过程特点：；；；因此，由开口系统能量方程式，可得即上式表明，节流前后工质的焓值保持不变例1：活塞m=10kg，面积A＝10cm2，活塞上部与大气相通，气缸内气体初始容积V1=40cm3，P1=1MPa，气缸总容积V=80cm3。问：若气体受热膨胀，活塞在气缸中无摩擦上升，则活塞离开气缸时的速度为多少？假设气体上升过程中温度保持不变。分析：气体在膨胀过程中，通过气缸对外界做功量为此功用于（1）克服大气压力做功；（2）增加活塞动能；（3）增加活塞势能。即而开始时活塞被固定，初始速度为0则例2：新汽进入汽轮机，已知进口参数：=3232kJ/kg=50m/s=2302kJ/kg=120m/s每小时蒸汽流量m=104kg/h求:(1)每千克蒸汽对外界所做的功Wsh；（2）若忽略进出口动能差，估计wsh产生的误差；（3）求功率N解：根据开口系统能量方程根据题意，，乏汽出口参数：

=930－5.95=924.05kJ/kg工质每小时作功