热力学第一定律课件

2－3能量的传递和转化2－2热力学能和总能基本内容第二章热力学第一定律2－1热力学第一定律的实质2－6开口系统能量方程式2－5热力学第一定律的基本能量方程式2－4焓2－7能量方程式的应用本章重点内容重点内容：热力学第一定律的实质；储存能，热力学能和焓；闭口系的能量方程；稳定流动系统的能量方程。能量转换与守恒定律：自然界的普适定律之一！

自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它可以从一个物体或系统传递到另外的物体和系统，能够从一种形式转换成另一种形式。在能量的传递和转换过程中，能量的“量”既不能创造也不能消失，其总量保持不变。2-1热力学第一定律的实质实质能量转换与守恒定律在热现象中的应用表述进入系统的能量－离开系统的能量

=系统能量的增量热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它们间的比值是一定的。或：热可以转变为功，功也可以转变为热；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。一般关系式能量相互转换焦耳热功当量实验JamesPrescortJoule

水温升高可测得热量，重物下降可测得功热功当量1cal=4.1868JMechanicalequivalentofheat闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热力学第一定律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”。Q第一类永动机锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQout电加热器2-2热力学能和总能一、热力学能(内部储存能)1.定义物质内部微观粒子具有的能量的总和2.构成Uk内动能(kineticenergy)Up内势能(potentialenergy)Ur化学能(chemicalenergy)Ue原子能(nuclearenergy)…分子尺度上原子尺度上原子尺度以下3.热力学能是状态参数测量V、T可求出Uk

内动能(kineticenergy)

——分子自由运动具有的能量，与分子的温度（T）有关；Up

内势能(potentialenergy)

——分子间由于相互作用力而具有的能量，与分子间的距离，即工质占据的体积（V）和温度（T）有关。单位:J,kJ4.热力学能是一广延量5.本课程只关心

U它是一强度量，单位kJ/kg比热力学能二、总能量U为内部储存能为外部储存能宏观动能宏观位能Ucf，z宏观动能是一种有序能量，内动能是一种无序能量，宏观动能可以直接转换为功输出，因此其品质高于内动能。宏观动能与内动能的区别:对外做功+，耗功-吸热+，放热-5正负号过程量过程量4变量类型力差温差3推动力宏观有序微观无序2借助运动的方式在压差推动下，系统与外界借助于宏观的有序运动传递的能量在温差推动下，系统与外界借助于微观的无序运动传递的能量1定义功量热量三、能量的传递和转换中的基本概念6计算re2-3、热力学第一定律的一般表达式一般关系式

进入系统的能量—流出系统的能量＝系统能量的增量一般表达式

出：

增量：入：2-4、闭口系能量方程

——热力学第一定律的基本能量方程式活塞式压气机的压缩过程，内燃机汽缸的压缩和膨胀过程等，均为闭口系统。闭口系统和外界仅有热量和功量的交换，不存在质量交换，因此另外，此类系统通常在热力过程中宏观动能和宏观位能都不发生变化，因此WorkHeat循环闭口系能量方程可逆过程适用于任意工质，任意过程讨论：（1）初终状态应是平衡态。（2）公式中热量、功量是代数值。（3）单位和量纲要统一。（4）物理意义：

闭口系能量方程，真正反映了热功转换的实质，它表明要把工质从外界获得的热量（外热能）和工质的热力学能（内热能）转变为机械能（功），必须通过工质的体积膨胀（膨胀功）才能实现。因此，闭口系能量方程，也称为热力学第一定律的基本表达式。例1工作在绝热、密封房间内的冰箱，如果把冰箱门打开，能否使房间内温度降低？热力学第一定律热力学第一定律解：（1）取包括冰箱和空气在内的整个房间为研究对象闭口系0热力学第一定律解：（2）取冰箱为研究对象闭口系放出的热量大于吸收的热量。例2一绝热刚性容器内，A部分充满气体，B部分为真空，如抽去隔板，气体发生自由膨胀，达到新的热力平衡时，分析△U解：取整个A+B为系统

功,热量是通过边界传递的能量。0——闭口系0解决涉及热现象的能量传递和转换问题的第一步，也是关键的一步是正确合理的选取研究对象（系统）。系统不同不但与外界交换的功、热不同，而且不合理的选取研究对象还可能导致问题难以求解。讨论：对于一定空间内部存在热功交换，而空间外部绝热、密封,求整个空间内部能量的变化的问题，通常选择整个大空间作为研究对象，可以使问题得到很好的简化。例3一刚性绝热容器内储有水蒸气，通过电热器向蒸汽输入80kJ的能量，问水蒸气的热力学能变化多少？解方法一：取图中虚线所包围水蒸气和电热器为系统。控制质量系统。02）列出能量方程3）根据边界上热功交换情况，对能量方程进行简化4）带入数据（注意热量和功量的正负号）解方法二：1）选取研究对象，仅取容器中的水蒸气为系统。控制质量系统。02）列出能量方程3）根据边界上热功交换情况，对能量方程进行简化4）带入数据（注意热量和功量的正负号）例3一刚性绝热容器内储有水蒸气，通过电热器向蒸汽输入80kJ的能量，问水蒸气的热力学能变化多少？本例题再次证明了，解决涉及热现象的能量传递和转换问题时，首先必须正确合理的选取系统（研究对象）。系统不同不但与外界交换的功、热不同，能量方程的形式也会有所不同。本题中电热器输入的80kJ的能量，在方法一中是功量，且是外界对系统做功，取负值；在方法二中是热量，系统从外界吸热，取正值。一定要注意热量和功的正负号的约定。例2的工质是气体，本题的工质是蒸汽，都使用了共同的能量方程，再次说明了闭口系能量方程适用于任何工质的特性。讨论：例题4例4：一闭口系从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为30kJ。

1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外做功15kJ，求过程中系统与外界传递的热量为负，系统对外界放热pV12342）若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1，外界对系统作功6kJ，求系统与外界传递的热量为正，系统从外界吸收热量例4：一闭口系从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为30kJ。

34p12V例4：一闭口系从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为30kJ。

34p13）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。2V热力学第一定律归纳热力学第一定律解题思路（1）选取热力系（研究对象）;（2）列出能量方程;（3）根据已知条件对能量方程进行简化:绝热系（绝热过程）：Q=0绝功系（定容过程）：W=0循环：

U=0（4）确定初末状态，计算过程中的热量、功量或热力学能变化量。2-5、开口系统能量方程式一、开口系统能量方程

Wi

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量方程的推导=进入系统的能量离开系统的能量系统储存能量的增量-热力学第一定律的一般关系式一般开口系统能量方程的推导

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out

-Wi

=

dEcv这个结果与实验不符少了推动功

Wi

Q

moutuinuoutgzingzout

min（一）推动功pApVdl

W推=p

Adl=pV

w推=pv注意：微元过程不是

mpdv

v

没有变化说明：3、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在1、w推＝pv与所处状态有关，是状态量2、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也不会有能量形态的变化，只是单纯的运输能量，这种能量是由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量。可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量（二）流动功1、定义：使工质流入和流出系统所做的推动功的代数和称为流动功Wf，维持工质流动所需的功。

Wf

=

-p1V1+p2V2

wf=Δ(pv)一般开口系能量方程的推导

Wi

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out

-Wi=dEcv

minpvout一般开口系能量方程微分式

Q+min(u+pv+c2/2+gz)in

-Wi

-mout(u+pv+c2/2+gz)out

=dEcv工程上常用流率开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在焓Enthalpy的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程的一般表达式焓Enthalpy的说明

定义：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量stateproperty2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=

mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于热力状态的能量。1.定义：系统内各点参数（包括热力参数和流速）不随时间变化的流动。2.实现条件：（3）进出口的状态参数不随时间变化.（1）物质的相互作用不随时间变化.（2）能量的相互作用不随时间变化.进出系统的工质流量相等且不随时间而变；系统与外界交换的功和热量等不随时间而变二、稳定流动系统的能量方程（一）、稳定流动系统的特点（二）、稳定流动系统能量方程已知：进口

p1,T1,v1

cf1,z1,qm1

出口

p2,T2,v2

cf2,z2,qm2由于是稳定流动，

qm1=qm2=qm

ECV=0qwi进入系统能量离开系统能量于是有qwsh注意:（1）适用于任何工质(理想或实际气体)，任何过程（可逆或不可逆）只要进出口是平衡态，不管系统内平衡与否。（2）q,wsh是代数值，注意正负号。（3）

u,h,cf2

等不是系统不同时刻的变化量，是进出口参数差。（4）注意单位统一。三、能量方程的分析与讨论1.

物理意义流动功轴功热能转变成机械能（功量）部分机械能增量膨胀功能量形式变化能量形式未变

结论热变功的根本途径：是通过容积变化功来实现！流动系中，膨胀功是隐含的。闭口系能量方程

——热力学第一定律的基本能量方程式2.技术功——技术上可资利用的功

wtrererere3.几种功的关系及表示可逆过程：

w,w

t

的表示

rere4.能量方程的其他表达形式基本形式rere微元形式用率形式热一律表达式小结任何工质，任何过程,闭口任何工质，可逆过程任何工质,开口系统任何工质,任何过程，稳流系统2-6、能量方程的应用

火力发电核电飞机发动机轮船发动机燃气轮机蒸汽轮机一、动力机火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器燃气装置压气机燃气轮机燃烧室空气废气

流进系统：

流出系统：内部储能增量：0动力机故有，对动力机000二、压气机火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器燃气装置压气机燃气轮机燃烧室空气废气制冷空调装置压气机、水泵类(compressor，pump)流入系统：流出系统：内部贮能增量0故有，对压气机00忽略散热叶轮机械能量方程可表示为：压气机∵∴∵∴动力机三、换热器（heatexchanger）两种工质进行热量交换的设备：管外的空气被管内废气加热。火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器火力发电装置锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器过热器制冷空调装置选取整个换热器作为研究对象，稳定流动开口系0000有000选择其中的一种流体作为研究对象，稳定流动开口系有系统选择不一样时，系统和外界交换的热量也不一样，可以是零，也可以不是零。四、节流流体通过的截面面积突然减小的现象称为节流。典型的不可逆过程。管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管管道阀门制冷空调装置0000有即注意：节流过程并不是等焓过程，只是节流前后的焓相等。节流过程本身是一个状态剧烈变化的非平衡过程。五、管道火力发电蒸汽轮机的叶片通道核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机的叶片通道喷管与扩压管喷管和扩压管能量方程喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略

叶轮式机械动力机压气机换热器节流h1h2管道

热力学第一定律小结一、热力学第一定律的实质

（1）能量守恒与转换定律在热现象中的应用。（2）从能量的量的角度揭示自然界过程的能量转换关系。表述进入系统的能量－离开系统的能量

=系统能量的增量热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它们间的比值是一定的。或：热可以转变为功，功也可以转变为热；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。一般关系式二、热力学能和总能1.热力学能物质内部微观粒子具有的能量的总和U为内部储存能为外部储存能宏观动能宏观位能2.总能三、热力学第一定律的一般表达式一般关系式

进入系统的能量—流出系统的能量＝系统能量的增量一般表达式

出：

增量：入：循环四、闭口系能量方程适用于任意工质，任意过程（闭口系）适用于任意工质，可逆过程（闭口系）

Q+min(u+pv

+c2/2+gz)in-mout(u+pv+c2/2+gz)out

-Wi=dEcv

Wi

Q

moutuinuoutgzingzout

min五、开口系统能量方程pvinpvout一般关系式注意：对于开口系统，列能量方程式时候，工质携带的能量除了储存能外，还有推动功。（一）推动功

W推=p

A

L=pV

w推=pv注意：微元过程由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量不是

mpdv

v

没有变化（二）流动功1、定义：使工质流入和流出系统所做的推动功的代数和称为流动功Wf，维持工质流动所需的功。

Wf

=

-p1V1+p2V2

wf=Δ(pv)（三）焓Enthalpy

定义：h

=

u

+

pv

[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量stateproperty2、H是组合参数：H=U+pV

3、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于热力状态的能量。（四）、稳定流动系统的能量方程任意工质，任意过程任意工质，可逆过程任意工质，任意过程注意：闭口系能量方程，工质的能量为u开口系能量方程，工质携带的能量为h（热力学能+推动功）六、功的类型及其区别和联系

膨胀功W——容积变化而引起的，若可逆

轴功Ws

——通过叶轮机械的轴输出或输入的功

流动功Wf

——维持流动所需的功

技术功Wt——技术上可资利用的功,若可逆流动功技术功wt膨胀功w

叶轮式机械换热器节流h1h2管道七、稳定流动系统能量方程的应用动力机压气机作业2-2、2-8、2-10、2-13，2-18热力学第一定律能量方程分析的步骤

小结画简图，取定热力系分析与外界的相互作用写出对应的能量方程式按具体情况简化求解例5某蒸汽轮机，进口蒸汽；出口蒸汽参数，进出口高度差为12m,每kg蒸汽经蒸汽轮机散热损失为15kJ。试求：（1）单位质量蒸汽流经汽轮机对外输出功；（2）不计进出口动能的变化，对输出功的影响；（3）不计进出口位能差，对输出功的影响；（4）不计散热损失，对输出功的影响；（5）若蒸汽流量为220t/h，汽轮机功率有多大？

小结例题解：

（１）选汽轮机为热力系——开口系，汽轮机是对外输出功的动力机械，它对外输出的功是轴功。由稳定流动能量方程

第（２）～第（4）问，实际上是计算不计动、位能差以及散热损失时，所得轴功的相对偏差

（5）（4）（3）（2）例6空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是，，压缩以后空气的参数是，。假定在压缩过程中，１kg空气的热力学能增加150kJ，同时向外放出热量50kJ。求：（1）压缩过程中对每公斤气体所做的功；（2）每生产１kg的压缩气体所需的功；（3）若该压气机每分钟生产压缩空气15kg，带动此压气机至少要多大功率的电动机？,

分析：压气机的工作过程：吸气、压缩、排气三个过程已知：

小结例题求：（1）？（2）？（3）？（1）压缩过程所做的功由上述分析可知，在压缩过程中，进、排气阀关闭，因此取气缸中的气体为热力系。闭口系（2）生产压缩空气所需的功

开口系

小结例题（3）电动机的功率讨论：

区分开所求功的类型（膨胀功、技术功还是轴功）是本章的一个难点。闭口系统的功，一般是指膨胀功；开口系统中，如果是动力机械输出的功或消耗的功，通常是指轴功；如果是某一过程中，系统所做的功或消耗的功，通常是指技术功。

小结例题例7一燃气轮机装置，空气由１进入压气机升压后至２，然后进入回热器，吸收从燃气轮机排出的废气中的一部分热量后，经３进入燃烧室。在燃烧室中与油泵送来的油混合并燃烧，生产的热量使燃气温度升高，经４进入燃气轮机（透平）做功。排出的废气由５进入回热器，最后由６排至大气中，其中，压气机、油泵、发电机均由燃气轮机带动。（1）试建立整个系统的能量平衡式；（2）若空气的质量流量，进口焓，燃油流量