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第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C.Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律定律在热过程中的应用在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1%1842年，年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1850年发表并得到公认年发表并得到公认焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出，放出 热给水，热给水，T 恢复恢复 原温。原温。焦耳实验焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量，重物下降可测得重物下降可测得功功热功当量热功当量1 cal=4.1868 kJ工质经历循环工质经历循环:Mechanical equivalent of heat Q=W闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机第一类永动机是是 不可能制成的不可能制成的”Perpetual motion machine of the first kind Q=WQPerpetual motion machine of the first kind锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器2-2 2-2 热一律的推论热一律的推论内能内能内能内能的导出的导出闭口系循环闭口系循环Internal energy Q=W(Q-W)=0 内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1状态参数状态参数pV12abc(Q-W)=0 内能及闭口内能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义 dU=Q-W 内能内能U 状态函数状态函数 Q=dU+WQ=U+W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式内能内能U 的的物理意义物理意义dU=Q-W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能内储存能（内能内能、热力学能热力学能）内能的微观组成内能的微观组成分子动能分子动能分子位能分子位能 binding forces化学能化学能 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of internal energy 移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibration内能的说明内能的说明 内能内能是状态量是状态量 state property U:广延参数广延参数 kJ u :比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程 W Q一般式一般式 Q=dU+W Q=U+W q=du+w q=u+w单位工质单位工质适用条件：适用条件：1）任何工质）任何工质 2)任何过程任何过程Energy balance for closed systemPoint function-Exact differentials-dPath function-Inexact differentials-准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w=pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q=Tds q=du+pdv q=u+pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds=du+pdv Tds=u+pdv热力学恒等式热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 QAir-conditioner2-4 开口系的稳定流动能量方程开口系的稳定流动能量方程WsQm1m2u1u2gz1gz2稳定流动条件稳定流动条件Steady State Steady Flow(SSSF)1、2、3、轴功轴功Shaft work4、能量进能量出能量进能量出开口系的稳定流动能量方程的开口系的稳定流动能量方程的推导推导WsQmmu1u2gz1gz2能量守恒能量守恒：进入进入系统的系统的能量能量 =离开离开系统的系统的能量能量Q+m(u1+c1 2/2+gz1)=m(u2+c22/2+gz2)+Ws 这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了流动功流动功推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推=p A dl=pV w推推=pv注意：注意：不是不是 pdv v 没有变化没有变化Flow work对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系的稳定流动能量方程的开口系的稳定流动能量方程的推导推导WsQp1v1mu1u2gz1gz2Q+m(u1+c12/2+gz1)=m(u2+c22/2+gz2)-Ws mp2v2开口系的稳定流动能量方程的开口系的稳定流动能量方程的推导推导流动时，总一起存在流动时，总一起存在定义：定义：焓焓h1h2开口系的稳定流动能量方程的开口系的稳定流动能量方程的推导推导h1h2开口系的稳定流动能量方程开口系的稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ 1、焓焓是状态量是状态量 state property2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。技术技术功功 Technical work动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系稳流开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功(pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt(pv)c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws对对功功的小结的小结2、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt热力学为什么常忽略动、位能变化热力学为什么常忽略动、位能变化例：例：c1=1 m/s c2=30 m/s (c22-c12)/2=0.449 kJ/kgz1=0 m z2=30 mg(z2-z1)=0.3 kJ/kg1bar下下,0 oC水的水的 h1=84 kJ/kg100 oC水蒸气水蒸气的的 h2=2676 kJ/kg准静态下的技术功准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示作作 业业2-15 2-16 2-18 例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气机燃气机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbine 2-5 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例火力发电装置火力发电装置Steam Power 锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器航空发动机（燃气循环）航空发动机（燃气循环）aeroengin燃气装置燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气gas power 透平透平(Turbine)机械机械1)体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws =-h =h1-h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械 Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机火力发电装置火力发电装置Steam power锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器航空发动机（燃气循环）航空发动机（燃气循环）燃气装置燃气装置压压气气机机燃燃气气轮轮机机燃烧室燃烧室空空气气废废气气制冷空调制冷空调装置装置Refrigeration and air-condition 压缩机械压缩机械1)体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws =-h =h1-h20输入的轴功转变为焓升输入的轴功转变为焓升例例3：换热设备：换热设备Heat Exchangers火力发电：火力发电：锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器制冷空调制冷空调装置装置换热设备换热设备热流体放热量：热流体放热量：没有作功部件没有作功部件热流体热流体冷流体冷流体h1h2h1h2冷流体吸热量：冷流体吸热量：焓变焓变例例4：绝热节流：绝热节流Throttling Valves管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管管道阀门管道阀门制冷空调制冷空调装置装置绝热节流绝热节流绝热节流过程，前后绝热节流过程，前后h不变不变，但，但h不是处处相等不是处处相等h1h2没有作功部件没有作功部件绝热绝热第二章第二章 讨论课讨论课 Discussion1、本质：本质：能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-一、概念一、概念第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)2、热力学第一定律表达式和适用条件热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，准静态过程任何工质，任任何工质，任何何稳流稳流过程过程或或忽略动、位忽略动、位能变化能变化第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)3、准静态下两个热力学微分关系式准静态下两个热力学微分关系式 适合于闭口系统和稳流开口系统适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式后续很多式子基于此两式第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)4、u与与 h U,H 广延广延参数参数 u,h 比参数比参数 U 系统本身具有的内部能量系统本身具有的内部能量H 不是系统本身具有的能量，不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量决于状态参数的能量 第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)5、四种功的关系四种功的关系 准静态下准静态下闭口系过程闭口系过程开口系过程开口系过程第二章第二章 讨论课讨论课(二、思考题)工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？做功对象和做功部件做功对象和做功部件定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）水轮机水轮机第二章讨论课第二章讨论课（二、思考题）（二、思考题）气体边膨胀边放气体边膨胀边放热是可能的热是可能的对工质加热，其温度反而降低，对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能这种情况不可能一绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，一绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，左边左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器，问：气将充满整个容器，问：1）空气的热力学）空气的热力学能如何变化？能如何变化？2）空气是否作了）空气是否作了功？功？3）能否）能否在在座标图上表示此过程？座标图上表示此过程？自由膨胀自由膨胀真空真空取容器为系统取容器为系统第二章讨论课第二章讨论课（二、思考题）（二、思考题）第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）循环循环思考题思考题4附图附图 U=0 H=0W=Wt =QP q 例例2：2-14第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）第二章第二章 小小 结结 Summary 热力学热力学第一定律的本质第一定律的本质 热一律不同条件下的表达式热一律不同条件下的表达式 内能与焓内能与焓 四种功的关系和使用场合四种功的关系和使用场合 稳定流动能量方程的应用稳定流动能量方程的应用
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