工程热力学 课件 第1-4章 绪论、基本概念-热力学第一定律

工程热力学第一章

绪论绪论学习要求与考核方式

认识工程热力学

1.课程定位

2.学习的主要对象和内容(What)

3.学习该课程的目的和意义(Why)

4.怎样学好工程热力学？(How)

5.重要的热力学工程应用6.热力学的发展历史2学习要求与考核方式考试（闭卷）平时成绩40%（扣分制）+考试成绩60%老师，可以无故缺勤吗？老师，可以上课请假吗？老师，可以迟到早退吗？老师，可以抄作业吗？老师，可以灵魂出窍吗？31、课程定位能源动力类、建环专业专业基础课42、学习的主要对象和内容工程热力学

EngineeringThermodynamics研究热能的有效利用及热能与其他形式的能量转化的关系。Thermodynamicscanbedefinedasthescienceofenergy.52、学习的主要对象和内容我们了解的热力学？？62、学习的主要对象和内容我们了解的热力学？？72、学习的主要对象和内容我们了解的热力学？？8风能水能化学能核能地热能太阳能机械能热能电能风车水轮机水车燃烧裂变聚变利用一次能源二次能源生物质能光热光电转换燃料电池发电机电动机热机直接利用9直接热能在能源中的地位？？风能10水能11核能1213切尔诺贝利太阳能BACK14世界能源现状—一次能源消费占比15英国能源学会公布了2023年《世界能源统计年鉴》。报告指出去年全球能源需求增长了1%，可再生能源创纪录增长但并没有改变化石燃料的主导地位，化石燃料仍占全球能源供应量的82%。石油是2023年化石燃料之王,同时煤炭消费增长0.6%，为2014年以来的最高水平，主要受到中国和印度需求的推动，而北美和欧洲的消费量下降。一次能源消费(艾焦)：中国：159.39/604.04=26.3873%英国石油公司：2023BP世界能源展望世界能源现状—可再生能源16可再生能源(不包括水电)占全球能源消费的7.5%，比上年增加约1%。风能和太阳能发电量增长至创纪录的12%，再次超过核能(下降了4.4%)，满足了净电力需求增长的84%。随着今年太阳能装置的安装量创下历史新高，非水力可再生能源成为比水力发电更大的发电来源只是时间的问题。我国能源构成：火力发电73%，水电10-15%，风5%-10%，核能5%，太阳能3%。常规能源现状

——全球探明

化石能源可使

用年限石油45-50年，天然气60-70年，煤炭200-220年，铀100年（现有开采速度和利用技术）。2008-2035年，世界一次能源需求将增长36%，世界能耗正以年5%的速度增长。17小结：（1）热能在能源链中的核心地位（2）提高能源利用率的重要性182、学习的主要对象和内容主要学习内容：（1）理论基础（2）工质的热力性质、热力过程（3）热力循环和应用193、学习的目的和意义（1）解决人类面临的社会问题；（2）科学研究的基础；（3）学习建环专业课的基础；（4）考研的专业基础课之一；204、怎样学好工程热力学？（1）概念多，术语多——理解为主；（2）公式多，计算多——应用为主；（3）工程背景与科学抽象多；（4）系统性强；（5）宏观、微观相结合--经典（宏观）热力学与统计（微观）热力学。215.基本应用-发电22（1）蒸汽轮机发电系统由哪些主要设备构成？（2）完成“热能-机械能”能量转换的是哪个设备？（3）我们应学习水蒸气的哪些重要参数？235.基本应用-空调原理24（1）制冷系统由哪些主要部件构成？（2）制冷剂在循环中发生何种变化？25核电站设备——核岛、常规岛、辅助系统6.热力学的发展简史26对“热”的感知、测量对“热”的理论认识对热能的利用和转化，热力学定律熟悉又陌生的名字6.热力学的发展简史27人们对热的本质及热现象的认识，经历了一个漫长的、曲折的探索过程。在原始社会人们钻木取火。相当早的年代，人们加热岩石再泼冷水让它爆裂，从而制造出石头工具。用火（热）的能力是文明发展的主要特征。战国前期，哲学家列子—本古书《列子·汤问》中，就有“两小儿辩日”的故事，也有“近者热而远者凉”的描绘。这就是关于温度最朴素的经验描述。魏晋南北朝时期出现的“照子技术”—窑工通过观察“照子”（泥土胚胎）的烧结程度判别窑火温度高低。宋元时期，“照子技术”更加成熟，能检测窑内制品在最高烧成温度下保温时间的长短。对温度的感知和早期探索热力学的历史可以追溯到17世纪。在1592—1600年间，伽利略制作了人类第一个空气温度计，开始了对物体的冷热程度（温度）进行定量测定的研究，这可作为“测温学”的开端。后续科学家陆续用水、酒精、水银作为膨胀物质测量温度。对温度的感知和早期探索（17-19世纪）在整个17世纪中，并没有制作出复现性好的、可供正确测量的温度计及温标。在18世纪中，“测温学”有较大的突破：（1）1714年华伦海特所建立的华氏温标（冰、水和氯化铵的混和平衡温度定为0°F，人体温度定为96°F，后又把水的沸点定为212°F，反推后冰的熔点为32°F）。（2）1742年摄尔修斯所建立的摄氏温标（即百分温标）把水的沸点与冰的熔点分别定为0℃和100℃，其间分为100格，每一格为1℃。该定点不符合越热的物体温度越高的习惯。他的同事把冰点与沸点的度数颠倒过来）。对温度的感知和早期探索1848年，开尔文根据卡诺原理，建立了只与热量有关，与工质性质无关的热力学温标，并提出采用一个定义点的建议。开尔文温标的建立，使“测温学”与热力学基本定律之间建立了联系，是“测温学”的一个重要进展。开氏温标的优点是，不受测温物质的影响，解除了测温物质因为凝固和汽化而受到的限制。对温度的感知和早期探索1760—1830年间的工业革命，有力地推动了生产力的发展及社会的进步，科技方面的成就也是空前辉煌的。力学、热学、电磁学、光学及数学都有丰硕的成果。特别是蒸汽机的发明和应用，直接促进了热机理论的研究，继而引发对水蒸气性质的研究。1620年弗朗西斯·培根首先注意到，两个物体之间的摩擦所产生的热效应，与物体的冷热程度（温度）是有区别的。他认为“热是运动”。这可看作是，人们对“热量”的本质进行科学研究的开端。也有科学家提出热是一种“燃素”，形成了“热质说”。对“热”的认识--燃素、热质说、热运动说、热量学说焦耳在1840年进行多次导体发热的实验，发现其发热量和电流的平方成正比。并在1843年提出理论，认为热只是一种能量的形式。后用“热功当量”实验证实热是一种能量，并提出热与能量之间的转换关系。对“热”的认识--燃素、热质说、热运动说、热量学说热力学三大定律成型（19世纪中到20世纪初）卡诺认为最理想的机械应该具备：由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等四种循环过程。1842年他提出热可以作功，功也可以产生热的能量等价观念。1848年，焦耳通过实验证明，当物体所含的机械能转换为热能时，能的形式可以互相转变，但是总能量永远不变。在这个基础上逐渐发展出“能量守恒定律”。威廉·汤姆逊为热力学也做出了重大贡献。（1）创立热力学温标：1848年，开尔文在其论文《关于一种绝对温标》中写道，需要一种以“绝对的冷”（绝对零度）作为零点的温标，使用摄氏度作为其单位增量。汤姆森用当时的空气温度计测算出绝对零度等于−273℃（后被国际计量大会将水的三相点定义为373.15K）。（2）研究卡诺循环也提出第二定律：他在1851年发表题为《热动力理论》的论文，写出热力学第二定律的开尔文表述：我们不可能从单一热源取热，使它完全变为有用的功而不产生其它影响。他是热力学第二定律的两个主要奠基人之一。

（3）预言温差电效应：1856年他从理论研究上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆逊热)。这一现象叫汤姆逊效应。（4）发现焦耳-汤姆逊效应：1852年，他与焦耳合作进一步研究气体的内能，对焦耳气体自由膨胀实验作了改进，进行气体膨胀的多孔塞实验，发现了焦耳-汤姆逊效应，即气体经多孔塞绝热膨胀后所引起的温度的变化现象。这一发现成为获得低温的主要方法之一，广泛地应用到低温技术中。1850年克劳修斯在揭示第一定律的论文中，他也以能量守恒和转换的观点重新验证了卡诺定理，提出了热力学第二定律。到了1865年第二定律概念更加成熟，熵的概念被克劳修斯提出，而写出另一种形式的第二定律，即“在所有可逆循环过程中，热能变化对温度的熵的积分值为零”。391906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体）的熵（即热量除以温度的商）在等温过程中的改变趋于零。”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。40继热力学第一、二、三三大定律后，英国物理学家福勒又提出了第零定律。第零定律和温度有着密切的关系。它给出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。虽然他是最后提出来的，足足比第一、二定律迟了80年，但是他是三大定律的基础，这也就顺理成章的成为了“第零”这个伟大的定律。热力学的现代发展（20世纪初至今）随着热力学的快速发展，人们对超高压、超高温水蒸汽的物性、极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。单一学科已不能满足热力学发展的需求，这就需要多学科相互渗透，综合研究，理论与实验同时开展，基础研究与技术开发相结合，以促进这一领域更好的发展。工程热力学第二章基本概念基本内容热力系统热力状态和状态参数平衡状态、状态公理及状态方程准静态过程与可逆过程热力循环南京工业大学浦江学院土木学院43第一节热力系统1热力系统定义（热力系、系统）

进行热力学分析所选定的、人为划定的研究对象。南京工业大学浦江学院土木学院44外界（环境）——热力系以外的物体边界——系统与外界的交界面2边界的特征南京工业大学浦江学院土木学院45真实的固定的

封闭的假想的变化的

开口的真实边界热源外界外界热力系统系统系统假想边界3系统与外界的相互作用南京工业大学浦江学院土木学院46锅炉热能——机械能只交换功热能——热能只交换热量既交换热量也交换功南京工业大学浦江学院土木学院47热交换——Q功交换——W质量交换——m系统与外界的相互作用的三种方式系统的确定是正确解决热力学问题的前提；在没有明确系统的前提下讨论能量的转换是毫无意义的；如果系统不同，则能量的转换情况也不同。分析理解4热力系统分类南京工业大学浦江学院土木学院48闭口系开口系物质流按照热力系统边界有无热、功、物质（质量）传递分类系统与外界无物质交换的热力系统。系统与外界有物质交换的热力系统。热力系统热量交换功量交换质量交换=0南京工业大学浦江学院土木学院49绝热系孤立系假设系统与外界无热量交换的热力系统。系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。南京工业大学浦江学院土木学院50最重要的系统

简单可压缩系统简单：只交换热量和一种准静态的容积变化功容积变化功压缩功膨胀功可压缩：研究的工质为可压缩的流体（气态或气、液混合物）南京工业大学浦江学院土木学院51其他分类形式物理化学性质

均匀系

非均匀系工质种类多元系单元系相态单相多相南京工业大学浦江学院土木学院521234mQW1

开口系非孤立系＋相关外界＝孤立系1+2

闭口系1+2+3

绝热闭口系1+2+3+4

孤立系分析理解南京工业大学浦江学院土木学院53我们一般选取什么样的热力系统？南京工业大学浦江学院土木学院545工质实现热能和机械能转换的媒介物。工程热力学中的工质主要为气态物质。1热力状态与热力参数南京工业大学浦江学院土木学院55第二三节状态、参数、平衡、过程热力状态：工质在热力变化过程中某一瞬间表现的工质热力性质的总状况，简称为状态。状态参数：描述工质宏观特性的物理量，简称参数。PVT一侧装满水的水槽活塞结构南京工业大学浦江学院土木学院56状态与参数一一对应，且为点函数。状态参数的基本性质：状态1状态2参数1参数22平衡状态南京工业大学浦江学院土木学院57定义:一个热力系,在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。平衡状态热平衡——∆t=0力平衡——∆p=0化学平衡相平衡∆μ=0实现平衡的充要条件一切势差为0南京工业大学浦江学院土木学院58平衡状态（原）不平衡状态平衡状态（新）两种平衡状态的过渡变化存在势差的不平衡损失；非平衡状态无法用少量的状态参数来表示；势差消失是平衡的条件，也是平衡的本质；工质从某一状态过渡到另一状态所经历的全部状态变化，我们称之为热力过程。3热力过程南京工业大学浦江学院土木学院594状态参数温度t、压力p、比容v基本状态参数其他状态参数内储存能u、焓h、熵s等4.1温度4.1.1概念习惯上描述物体冷热程度的物理量。微观上描述物体内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。宏观上描述热力平衡系统冷热状况的物理量。南京工业大学浦江学院土木学院604.1.2热力学第零定律如果两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡，这一规律称为热力学第零定律。南京工业大学浦江学院土木学院614.1.3温标温标摄氏温标t华氏温标F热力学温标T朗肯温标R

温标的三要素为测温物质的性质、基准点和分度法。南京工业大学浦江学院土木学院624.2压力4.2.1概念微观上大量气体分子撞击器壁的平均结果。宏观上垂直作用于器壁单位面积上的压力。绝对压力相对压力√状态参数所指的压力应为绝对压力。热力计算中代入的压力值应是绝对压力。单位面积上的垂直作用力。南京工业大学浦江学院土木学院63大气压力B（Pb）真空度H（Pv）表压PgpbpgppvpPg南京工业大学浦江学院土木学院644.2.2常用的压力换算及量纲1bar=105Pa

1MPa=106Pa

1atm=760mmHg=1.013

105

Pa

1mmHg=133.3Pa1at=735.6mmHg=9.80665

104

Pa南京工业大学浦江学院土木学院654.3比体积定义：单位质量工质所占有的体积。单位为m3/kg比体积与物质的密度成反比。强度性参数广延性参数与质量的多少无关，没有可加性。与质量的多少有关，有可加性。比参数=广延性参数/质量5状态公理和状态方程南京工业大学浦江学院土木学院66不平衡势差与状态变化之间的关系不平衡势差状态变化能量传递达到某一方面平衡独立参数数目N=不平衡势差数一种能量传递消失=能量转换方式的数目消除一种不平衡势差=各种功的方式+热量=n+1n

容积变化功、电功、拉伸功、

表面张力功等南京工业大学浦江学院土木学院67确定纯物质系统平衡状态的独立参数数=n+1，n表示传递可逆功的形式。对于简单可压缩系统，独立参数为2.状态方程式

状态坐标图

1准静态过程南京工业大学浦江学院土木学院68第四节准静态过程与可逆过程定义：若过程进行得很缓慢,工质在平衡被破坏后自动回复平衡所需要的时间极短,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致于显著偏离平衡状态,这样的过程称为准静态过程。水槽内水流的准静态过程大砝码小砝码汽缸内活塞上去除砝码的准静态过程南京工业大学浦江学院土木学院69分析理解准静态过程是由一系列无限接近于平衡态所组成的过程；准静态过程在坐标图上可用

连续曲线表示；准静态过程实现条件是内

外一切不平衡势差趋近于零；准静态过程的实用意义。疑问：理论上准静态应无限缓慢，工程上怎样处理？准静态过程2可逆过程南京工业大学浦江学院土木学院70定义：系统（工质）在完成某一过程后，如能使过程逆行，而使系统及外界回复到原始状态，不留下任何变化，则此过程称为可逆过程。不满足这一条件的成为不可逆过程。不仅着眼于系统，还着眼于外界环境。P，v小砝码X2X1放置砝码前逐个放置砝码后疑问：将小砝码逐个移除，活塞的位置能否回复到X2？2.1概念

可逆过程南京工业大学浦江学院土木学院71pv4321耗散损失：在能量传递过程中，由于设备的机械运动产生摩擦，以及工质的粘性流动阻力产生的可用功的损失成为耗散损失。活塞的位置回复到X2的条件：过程无势差没有耗散损失准静态过程不可逆因素：耗散为0活塞内工质的状态变化准静态过程与可逆过程有什么区别呢？南京工业大学浦江学院土木学院72可逆过程中在考察热力系和环境两方面，准平衡过程重在研究热力系。从系统内部讲，有没有摩擦不影响气体的做功量，外部来看，有没有摩擦将使外界得到的功量发生变化。准平衡过程单方面注重热力系统内部工质，可逆过程综合考察热力系内外两个方面。可逆过程中热力系和环境经历的都是准平衡过程，且两者之间不存在耗散损失。如果界面处没有摩擦、散热、辐射等耗散损失，则热力系经历一个准平衡过程，可逆行到起点。同样外界也能够回到初始状态。该过程就是可逆过程。不可逆过程不一定是不平衡过程，甚至在过程中热力系和环境经历的都是准平衡，只是存在耗散损失才使总体过程不可逆；但不平衡过程一定是不可逆过程。实际过程中很难消除耗散损失，多为不可逆过程，但在分析研究热力学问题时，通常忽略耗散损失。即把不可逆过程理想化为可逆过程。南京工业大学浦江学院土木学院732.2可逆过程的膨胀功（体积功）pv21dsdv12F体积功：由于系统体积变化而通过界面向外界传递的机械功称为膨胀功（体积功）。体积增加，系统对外做（正）功，计为+；体积减小，外界对系统做（负）功，计为-。可逆过程：fx=0所以F=pf截面积f南京工业大学浦江学院土木学院74即：功是过程量,不是状态量，其大小与初、终状态有关,也与路径有关。P-v图反映了膨胀功的大小，又称示功图。pv21南京工业大学浦江学院土木学院752.3可逆过程的热量热量定义：热力系通过边界与外界的交换的能量中，

除了功的部分。另一说法：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。热量单位:J,kJTs012系统吸热，dQ>0，计为+；系统放热，dQ<0，计为-。1循环的概念南京工业大学浦江学院土木学院76第五节热力循环定义：工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回到初始状态的全过程为循环过程（简称为循环）。PV01243南京工业大学浦江学院土木学院77平衡循环与不平衡循环：热力循环过程的每一个小的过程都接近于平衡为平衡循环；反之为不平衡循环。可逆循环与不可逆循环：全部由可逆过程组成的循环为可逆循环；循环中有一个过程不可逆，即为不可逆循环。可逆循环在状态参数坐标图上为一封闭的曲线。正循环与逆循环：把热能转化为机械能的循环叫正循环，也叫动力循环，它使外界得到功；把热量从低温热源传给高温热源的循环叫逆向循环，也叫制冷循环或热泵循环，它消耗外界的功。2正循环南京工业大学浦江学院土木学院78pV21WnetQ1Q2T2净效应：对外作功，吸收热量评价指标：热效率T13逆循环南京工业大学浦江学院土木学院79净效应：对内作功，放热pV21WnetQ1Q2T2评价指标：制冷循环：制冷系数制热循环：制热系数T1第三章气体的热力性质目录010203理想气体与实际气体理想气体的比热容理想气体的热力过程01理想气体与实际气体1.1理想气体的定义微观假定（1）气体分子是弹性的，不占体积的质点。（2）除弹性碰撞外，气体分子间没有作用力。气体的状态参数pvT满足方程理想气体实际上是一种不存在的假想气体，它是压力趋近于零，比体积趋近于无穷大的极限状态。但工程中很多气体远离液态时，接近于理想气体的假设条件。宏观1.2理想气体与实际气体实际气体理想气体P0v无穷大压力不太大、温度较高的双原子、单原子气体空气烟气PvT水蒸气制冷剂蒸气石油气2.1理想气体状态方程的形式理想气体的宏观定义R——气体常数与气体的种类有关，J/（kg*K）——1kg气体的状态方程（2-1）（2-1）两边同乘质量m——mkg气体的状态方程（2-2）（2-1）两边同乘质量M——1mol气体的状态方程（2-3）P，T相同时，1mol任何气体的摩尔体积均相同R0——通用气体常数与气体的种类、状态无关，J/（kmol*K）（2-3）两边同乘摩尔数n——nmol气体的状态方程（2-4）R0=？？？计算时一定注意量纲！！4种状态方程的形式根据实际情况选用！！2.2状态方程的应用已知气体的摩尔质量M，求该气体的气体常数；根据已知参数，求基本状态参数P、V、T；（P21例2-1）某一种工质（气体）不同状态下的参数关系；例1:求标准状态下空气的比体积和密度。例2：已知N2的

，求（1）N2的气体常数。（2）标准状态下N2的比体积和密度；（3）MPa，℃时的摩尔体积。例3：有一充满气体的容器，体积为5m3，压力表读数为250kPa，温度计读数为40℃。求标准状态下气体的体积为多少？（大气压B=100kPa）理想气体的比热容023.1比热容的定义三者的换算关系单位物量的物质，温度升高（或降低）1K（1℃），所吸收（或放出）的热量。质量比热容c体积比热容c’摩尔比热容cM3.2定压比热容与定容比热容定压比热容定压质量比热容定压体积比热容定压摩尔比热容定容比热容定容质量比热容定容体积比热容定容摩尔比热容定容加热定压加热定压比热容定容比热容——迈耶公式——比热容比（比热比）3.3比热容的计算3.3.1真实比热容对于理想气体，气体的比热容是温度T的单值函数。——热量是cn曲线在坐标图上

的垂直投影面积。3.3.2平均比热容真实比热容在某一范围内的平均值就是平均比热容。平均比热容是真实比热容在合理可接受范围内的简化计算。可各种常用气体不同温度段的平均比热值列表。但T1T2均为变量，制表复杂。由此可制作出平均比热容表通过查平均比热容表可查得任意温度对应的比热，计算得出相应温度区间的比热。表中两个温度之间的值，利用线性差值法。96了解：

平均比热直线式

令cn=a+bt,则即为区间的平均比热直线式

1)t

的系数已除过22)t

需用t1+t2代入注意:3.3.3定值比热容据气体分子运动理论，可导出定值比热容在温度区间较小，且比热容值变化不大的情况下取用，会存在一定误差。i——分子运动的自由度数目多原子误差更大，将多原子i=6，增加到7练习巩固：P32例题3-4理想气体的热力过程031.分析热力过程的目的热力过程构成循环，完成能量的转换使工质达到一定的热力状态2.热力过程中工质参数变化值的计算初、终状态基本参数的计算热力学能、焓和熵的变化值的计算理想气体状态方程式过程方程式3.热力过程中传递能量的计算功量热量4.分析热力过程的一般步骤(1)根据过程特点确定过程方程式(2)用过程方程或状态方程计算初、终态参数(3)在p-vT-s图上画出过程曲线(4)确定工质的初、终状态u、h、s的变化(5)计算膨胀功，技术功和过程热量5.典型热力过程1）定容过程pvTs2112（4）uhs（5）热量功量？？（1）过程方程式（2）初终状态参数2）定压过程pvTs1212（4）uhs（5）热量功量？？（1）过程方程式（2）初终状态参数3）定温过程（4）uhs？？（1）过程方程式（2）初终状态参数pvTs12123）定温过程（5）热量功量pvTs1212=??4）定熵过程pvTs2121（4）uhs（5）热量功量？？（1）过程方程式（2）初终状态参数熵增的计算公式根据上述推导过程可知，可通过热量q的计算推导熵增。（T-v）（T-p）（v-p）多变过程pvTs定容定压定温定熵01k01k6.多变过程的综合分析THANKS南京工业大学浦江学院112

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113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11413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115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116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117JamesJoule（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1181.1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1191.3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120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121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122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1231.1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1241.1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1251.2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126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1271.3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1281.4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129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1301.5能量的转换和传递小结

南京工业大学浦江学院131第四节闭口系统能量方程南京工业大学浦江学院132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133讨论：

1）对于可逆过程2）对于循环南京工业大学浦江学院134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135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136一部分定量工质，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1371、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1383、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139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140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141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142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1443、功的种类及表示方法南京工业大学浦江学院145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146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147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148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153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154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155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1561571.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1582.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161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