工程热力学 第4章 热力学第一定律

南京工业大学浦江学院1

第四章热力学第一定律

Firstlawofthermodynamics第一节

热力学第一定律的实质第二节

热力学能（内能）和总能第三节

系统与外界传递的能量第四节

闭口系基本能量方程式第五节

开口系稳态稳流能量方程第六节

开口系能量方程第七节

能量方程的应用第一节

热力学第一定律的实质1、第一定律的实质

南京工业大学浦江学院2能量相互转化能量守恒与转换定律在热现象中的应用。能量转化南京工业大学浦江学院313世纪法国，亨内考。15世纪意大利，达芬奇。16世纪意大利，斯特尔。关于第一类永动机的梦想2、第一定律的表述

热能和机械能在转移或转换时，能量的总量必定守恒。

或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。

热——热能功——机械能南京工业大学浦江学院4不消耗能量而连续做功的第一类永动机是不可能实现的。南京工业大学浦江学院5进入热力系统的能量-离开热力系统的能量=系统能量的变化对于孤立系统系统能量的变化为0.3、第一定律的应用南京工业大学浦江学院6JamesJoule（1818-1889）焦耳热功当量实验第二节

热力学能和总能1、热力学能

南京工业大学浦江学院71.1定义：

物质内部微观粒子热运动具有的能量的总和。内动能Uk内位能Up化学能Uc原子能Ue1.2构成：U=Uk+Up南京工业大学浦江学院81.3热力学能是与温度和体积相关的状态参数：对于理想气体，分子间不存在相互作用力，没有内位能。1.4热力学能是广延量单位是：JkJkJ/kg2、总能

南京工业大学浦江学院9外储存能：若热力系统有整体运动时，会产生宏观的能量

变化。宏观动能和宏观势能以外部坐标为参考。总能：外储存能（机械能）和内储存能（热力学能）的总和。对于没有宏观运动，高度（变化）为0的系统：总能=内能外储存能南京工业大学浦江学院10宏观动能与内动能的区别宏观VS微观有序VS无序做功能力的差别第三节系统与外界传递的能量南京工业大学浦江学院11热力系统热量交换功量交换质量交换=0热量热能机械能功量1、热量南京工业大学浦江学院121.1定义：

在温差作用下系统与外界传递的能量，是能量传递除做功以外的另一种形式。符号：QδQqδq

系统得热（吸收）为正，失热（散失）为负。1.2热量与热能的差别热量热能过程量，伴随过程发生，与状态变化有关状态量，与工质所处的状态有关2、功量南京工业大学浦江学院131.1定义：

除温差以外的其他不平衡势差引起的系统与外界之间传递的能量，如电功、磁功、机械拉伸功、表面张力功等。符号：WδWwδw系统对外做功为正，外界对系统做功为负。在热力学中，我们要研究的是膨胀功（容积功）、轴功、流动功。南京工业大学浦江学院141.2流动功：

fdS推导：工质进出系统的净推动功：南京工业大学浦江学院15分析理解流动功：流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口

截面工质的热力性质；流动功只在工质流动过程中出现。工质不流动时，P*V

不代表流动功；做流动功时，工质的热力状态不发生变化，不存在能

量形态的转化。即，工质做流动功时仅起到传递能量

的作用。南京工业大学浦江学院161.3流动工质所传递的能量

工质本身具有的总能推动功（流动所需的推动力和能量）？？

南京工业大学浦江学院171.4焓

1.4.1定义：1.4.2物理意义：工质流动携带的能量中，与状态参数有关、取决于工质的热力状态的能量1.4.3焓是一个组合参数内能与膨胀功的组合，单位是J、kJ、kJ/kg1.4.4焓值不关心绝对值，仅关注变化量。南京工业大学浦江学院18分析理解焓：对于流动工质，焓为热力学能和流动功的代数和；如果工质的动能、位能可以忽略，焓代表流动工质传递的总能量；对于不流动工质，焓值仅是复合状态参数，没有实际

物理意义；对于理想气体，焓是温度的单值函数。南京工业大学浦江学院191.5能量的转换和传递小结

南京工业大学浦江学院20第四节闭口系统能量方程南京工业大学浦江学院21热力系统QW闭口系统的总能总能的变化量热力学第一定律进入的能量-流出的能量=系统总能的变化热力学第一定律

基本方程式南京工业大学浦江学院22讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环南京工业大学浦江学院23举例：自由膨胀如图，解：取气体为热力系

—闭口系？开口系？强调：膨胀功是通过边界传递的能量。抽去隔板，求?结论：气体自由膨胀过程中，既不对外做功，也没有

能量交换。由热力学第一定律可知，其热力学

能U不发生变化。南京工业大学浦江学院24讨论3：冰箱能否做空调使用？？讨论1：系统从外界吸热，温度是否一定升高？？对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的“+”、“–”、数值大小。讨论2：系统从外界吸热，体积是否一定会膨胀？南京工业大学浦江学院25一部分定量工质，在经历1-2热力过程后，从外界吸收热量1300kJ，对外做功为300kJ，则该系统的热力学能变化值为A1600kJB1000kJC300kJD-1000kJ2.一部分定量工质，在经历1-2热力过程后，与外界热交换为0，对外做功为390kJ，则该系统的热力学能变化值为A0kJB300kJC390kJD-390kJ第五节开口系稳态稳流能量方程261、稳态稳流工质以恒定的流量连续不断的进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一致，不随时间变化。每一点的参数不随时间变化，而不是各个点状态参数相同。1122AB2、稳态稳流实现条件进出系统的质量恒定进出系统的能量恒定QWs南京工业大学浦江学院273、能量方程进入系统的能量离开系统的能量随工质流入传热量（净）随工质流出做功ws考虑到稳流特征：ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

进入系统的能量离开系统的能量

ΔECV=0Q南京工业大学浦江学院28推导得：对于单位质量工质：流动功Wf技术功Wt广义的功（机械能）或者隐形的膨胀功南京工业大学浦江学院29技术功：在热力过程中可直接利用，能对外界做功的能量。引入的意义：对于可逆过程，可推导得应用南京工业大学浦江学院30分析理解方程与工质的种类，过程是否可逆没有关系，普遍适用。QWs

是代数符号，计算时流入、离开系统应分清+-号。

的含义不是随时间变化的差值，而是出口

与进口界面的参数之差。量纲要统一。功、热量——kJ，高度速度距离需总结：功的种类。第六节开口系能量方程31进入系统的能量离开系统的能量

ΔECV+q-+ws=ΔECV小结：1、热力学第一定律的实质能量守恒与转换定律在热现象中的应用。从能量量的角度解释自然界过程的能量转换关系。2、能量方程闭口系统开口系统稳态稳流任意工质，可逆过程。任意工质，可逆过程。南京工业大学浦江学院333、功的种类及表示方法南京工业大学浦江学院34例题（教材例3-6）：有一流体以的速度通过7.62cm直径的管路进入动力机，进口处的焓值为2558.6kJ/kg，热力学能为2326kJ/kg，压力为689.48kPa，而在动力机出口处的焓值为1395.6kJ/kg。如果忽略流体动能和重力位能的变化，求动力机所输出的功率。设过程为绝热过程。南京工业大学浦江学院35例题（教材例3-6）：有一流体以的速度通过7.62cm直径的管路进入动力机，进口处的焓值为2558.6kJ/kg，热力学能为2326kJ/kg，压力为689.48kPa，而在动力机出口处的焓值为1395.6kJ/kg。如果忽略流体动能和重力位能的变化，求动力机所输出的功率。设过程为绝热过程。南京工业大学浦江学院36例题（教材例3-6）：有一流体以的速度通过7.62cm直径的管路进入动力机，进口处的焓值为2558.6kJ/kg，热力学能为2326kJ/kg，压力为689.48kPa，而在动力机出口处的焓值为1395.6kJ/kg。如果忽略流体动能和重力位能的变化，求动力机所输出的功率。设过程为绝热过程。南京工业大学浦江学院37习题课：归纳热力学解题思路1）画简图，取好热力系;2）确定已知参数和要求的参数，计算初、终态;3）两种解题思路4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。从已知条件逐步推向目标从目标反过来缺什么补什么热力学能——

P50闭口系统推导焓——P56

开口系统推导定容过程定压过程00对于理想气体，u、h是T的单值函数定容比热容、定压比热容的定义式印证了Cp

Cv

是温度T的单值函数理想气体的热力学能和焓热力学能和焓热力学能焓计算热量的一种方法定容过程定压过程00讨论若为任意工质??

对于理想气体一切同温限之间的过程Δu及Δh相同,且均可用cV

ΔT及cpΔT计算;

对于实际气体Δu及Δh不仅与ΔT有关,还与过程有关且只有定容过程Δu=cVΔT,定压过程Δh=cp

ΔT。热力学能和焓零点的规定

可任取参考点,令其热力学能为零,但通常取0K。南京工业大学浦江学院42例题：有2.0kg的空气（设比热容为定值），初状态200℃，压力表的读值为0.2MPa。经可逆定压加热，终温600K，设空气为理想气体，求末状态的比容v2，该过程的热力学能变化值ΔU、焓的变化值ΔH。南京工业大学浦江学院43例题：有2.0kg的空气（设比热容为定值），初状态200℃，压力表的读值为0.2MPa。经可逆定压加热，终温600K，设空气为理想气体，求末状态的比容v2，该过程的热力学能变化值ΔU、焓的变化值ΔH。南京工业大学浦江学院44练习：有1.5kg的O2(比热容为定值），初状态t1=240℃，P1=0.50MPa，经可逆定容加热，终温T2=700K，设O2

为理想气体，求末状态的压力值P2，该过程的热力学能变化值ΔU、焓的变化值ΔH、该热力过程所做的功及传递的热量。第七节能量方程的应用45461.蒸汽轮机、气轮机(steamturbine、gasturbine)

流进系统：

流出系统：内部储能增量∆Ecv=0外界传递热量Q=0

分析简化：开口系统、稳态稳流、

绝热保护、对外做轴功472.压气机，水泵类(compressor，pump)流入流出

分析简化：开口系统、稳态稳流、

对外放热（机械能-热能）为0、输入轴功专业引申：压缩机、汽轮机的压缩功或轴功量即工质进出口的焓差。3.换热器(heatexchanger)

分析简化：开口系统、稳态稳流、保温绝热、无功、等压换热？内部储能增量∆Ecv=0如是散热器，热力系如何选取？

流入：流出：若忽略动能差、位能差南京工业大学浦江学院50分析：对于换热器中的单一工质而言，工质A从另一工质B吸热，或者A向B放热，不存在轴功。

上式可简化为：q=△h

专业引申：换热器的换热量即工质进出口的焓差。

风机盘管的换热量

蒸发器、冷凝器的换热量

4.管内流动流入：流出：内增：05.流体的混合m1h1m2h2m3h3分析简化：在绝热条件下进行，忽略流体的动能和势能，不存在轴功。

m1h1+m2h2=m3h3专业引申：空气处理机组中的混合段。

6.绝热节流分析简化：在绝热节流前后来不及换热；忽略流体的动能和势能；不存在轴功。

h1=h2结论：在绝热节流前后流体的焓值相等，但整个过程不是、

等焓过程。

专业引申：蒸气压缩式制冷的节流过程。

南京工业大学浦江学院54例题（教材例3-8）：风机连同空气加热器，如图所示。空气进入风机时的参数：

，

℃，风量

。通过加热器后空气温度为

℃，压力保持不变。风机功率

。设空气比热容为定值，忽略系统散热损失。试求：（1）风机出口处的温度t2；（2）空气在加热器中吸收的热量Q；（3）整个热力过程中单位质量空气的热力学能和焓的变化。南京工业大学浦江学院55例题（教材例3-8）：风机连同空气加热器，如图所示。空气进入风机时的参数：

，

℃，风量

。通过加热器后空气温度为

℃，压力保持不变。风机功率

。设空气比热容为定值，忽略系统散热损失。试求：（1）风机出口处的温度t2；（2）空气在加热器中吸收的热量Q；（3）整个热力过程中单位质量空气的热力学能和焓的变化。南京工业大学浦江学院56例题（教材例3-8）：风机连同空气加热器，如图所示。空气进入风机时的参数：

，

℃，风量

。通过加热器后空气温度为

℃，压力保持不变。风机功率

。设空气比热容为定值，忽略系统散热损失。试求：（1）风机出口处的温度t2；（2）空气在加热器中吸收的热量Q；（3）整个热力过程中单位质量空气的热力学能和焓的变化。南京工业大学浦江学院57例题（教材例3-8）：风机连同空气加热器，如图所示。空气进入风机时的参数：

，

℃，风量

。通过加热器后空气温度为

℃，压力保持不变。风机功率

。设空气比热容为定值，忽略系统散热损失。试求：（1）风机出口处的温度t2；（2）空气在加热器中吸收的热量Q；（3）整个热力过程中单位质量空气的热力学能和焓的变化。南京工业大学浦江学院58例题（教材例3-8）：风机连同空气加热器，如图所示。空气进入风机时的参数：

，

℃，风量

。通过加热器后空气温度为

℃，压力保持不变。风机功率

。设空气比热容为定值，忽略系统散热损失。试求：（1）风机出口处的温度t2；（2）空气在加热器中吸收的热量Q；（3）整个热力过程中单位质量空气的热力学能和焓的变化。南京工业大学浦江