热工基础 第5章 热力学第一定律

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1、第五章热力学第一定律第五章热力学第一定律 5.1 热力学第一定律的实质 5.2 系统的储存能量 5.3 封闭系统能量方程 5.4 开口系统稳定流动能量方程 5.5 稳定流动能量方程的应用 本章重点和难点本章重点和难点本章重点和难点本章重点和难点 ? 热力学第零定律 ? 热力学第一定律的本质 ? 状态参数内能和焓 ? 闭口系能量方程和开口系能量方程 ? 稳定流动能量方程及其应用 ? 流动功、技术功和轴功，区别与联系 本章要求本章要求 ?掌握热力学第零定律和热力学第一定律； ?熟知状态参数内能和焓的特点； ?掌握热力学第一定律用于闭口系和开口系时的 表达式； ?了解流动功、技术功和轴功的区别与联系

2、； ?掌握稳定流动能量方程的组成和实际工程应用。 ?如果A物体与B物体处于热平衡，B物体与C物体 处于热平衡，则A与C也处于热平衡。 ?如果A物体与B物体温度相同，B物体与C物体温 度相同，则A与C也温度相同。 测温的理论依据测温的理论依据 热力学第零定律热力学第零定律 5.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 一、实质一、实质 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律在热过程中的应用。 自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能量 不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化和转换，且在转化和 转换的过程中能量的总值保持不变。 二、第一定律的表述二、第一定律的表述 1、在热能与其他形式

3、能的互相转化过程中，能的总量始终不变。 2、在热力系中，消耗等量的热必产生等量的功。反之消耗等量 的功必产生等量的热。 Q=W 热力学第一定律：热力学第一定律： 任一过程中系统内能的增加等于该过程所吸收的热量 和外界对它所做功之和。 传递的能量-功和热量-过程量 储存的能量-内部和外部状态参数决定-状态量（内能） ?1842年，J. R. Mayer首次阐述热力学第一定律，未引起重视。 ?1840-1849年，Joule（焦耳）用多种实验的一致性证明热力 学第一定律，1950年公开发表并得到公认。 ?1909年，C. Caratheodory完善了热力学第一定律。 三、热力学第一定律的解析式三

4、、热力学第一定律的解析式 1、数学表达式Q=W 的不足 (1) 只表明热力学第一定律的数学意义，但未考虑热力系 的能量变化，无法应用于工程计算。 (2) 只体现了Q，W 之间的量的关系，还不能区分二者之 间质的不同。 2、热力学第一定律的解析式 若考虑热力系的能量变化，则有： 输入系统的能量输入系统的能量输出系统的能量输出系统的能量=系统储存能量的变化系统储存能量的变化 ?各种永动机问题长期困扰着科技界与社会。 ?第一类永动机：不消耗能量而能对外连续作功的机器；实 践证明是不可能实现的。 ?故热力学一定律也可表述为：“第一类永动机是永远也造 不成的”。 ?第二类永动机：从单一热源取热，并将其全

5、部转变机械功 的机器（或：热效率等于100%的机器）（有关问题在后面 中将详细讨论）。 ?长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一 有所收获。 永动机的思考？永动机的思考？ 永动机设想？永动机设想？ Q 锅 炉 锅 炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵 凝 汽 器 给水泵 凝 汽 器 Wnet Qout 电 加 热 器 电 加 热 器 永动机设想？永动机设想？ 永动机设想？永动机设想？ 氢气发动机 水分解装置 取回部分功量 驱动水分解装置 w H2 水水 永动机设想？永动机设想？ 5.2 系统的储存能量系统的储存能量 一、内部储存能一、内部储存能热力学能（内能）热力学能（内能） 1

6、、定义、定义 分子运动的平均动能和分子间势能称为热力学能（内能）热力学能（内能）。 符号：U单位： J 比热力学能（比内能）：单位质量物质的热力学能，u，J/kg 增加热力学能的两种方法：做功、传热做功、传热 u=U/m 内部储存能-内部状态参数决定 外部储存能-外部状态参数决定 储存能量 2、微观组成、微观组成 内动能内动能：分子热运动（移动、转动、振动）形成的内动能。 它是温度的函数。 内位能内位能：分子间相互作用形成的内位能。 它是比体积和温度的函数。 其它能其它能：维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能 及电磁场作用下的电磁能等。 工程热力学中只存在内动能和内位能。 所以有：u=

7、f(T,v) 注意注意 3、热力学能特性、热力学能特性 ?热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数； ?其变化量与过程特性无关，只与初、终状态有关； ?对理想气体，热力学能只与工质的温度有关。 = = 0- 11121 12 2 1 12 UUdU UUdUU ba 12122121 UUUUU ba = 211221 UUUU= 注意：注意： p v 1 2 a b 0 二、外部储存能二、外部储存能 宏观动能宏观动能Ek和重力位能和重力位能Ep ? 宏观动能： m 物体质量；c 运动速度 ? 重力位能： Z 相对于系统外的参考坐标系的高度 2 2 1 mcEk= mgzEp= 由系统速度和高

8、度决定 机械能机械能 物体的内能与机械能的区别物体的内能与机械能的区别 ?能量的形式不同能量的形式不同。物体的内能和机械能分别与两种不同的 运动形式相对应，内能是由于组成物体的大量分子的热运动 及分子间的相对位置而使物体具有的能量。而机械能是由于 整个物体的机械运动及其与它物体间相对位置而使物体具有 的能量。 ?决定能量的因素不同决定能量的因素不同。内能只与物体的温度和体积有关， 而与整个物体的运动速度及物体的相对位置无关。机械能只 与物体的运动速度和跟其他物体的相对位置有关，与物体的 温度体积无关。 ?一个具有机械能的物体，同时也具有内能；一个具有内能 的物体不一定具有机械能。 三、系统的总

9、储存能（总能）三、系统的总储存能（总能） 系统总储存能系统总储存能(E) = 热力学能热力学能(U) + 外储存能外储存能(Ek+Ep) mgZmcUEEUE PK +=+= 2 2 1 单位质量工质的比储存能：单位质量工质的比储存能： gZcue+= 2 2 1 比储存能为状态参数，对于没有宏观运动且相对高度为 零的系统，总储存能就等于热力学能。 即：e=u 或E=U 系统总能变化量可以写为： pk pk EEUE dEdEdUdE += += 5.3 封闭系统能量方程封闭系统能量方程 热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 QW 热源功源 = 进入系统的 能量 离开系统的 能量

10、系统内部储存能量 的变化 - EEEWQ= 12 对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动能和位能均无变 化，有：（E=U），故： WUQUWQ+= 或 一、闭口系能量方程的通式一、闭口系能量方程的通式 wuq+= 单位质量工质 wduq+= 微元过程 说明：说明：1. 适用于任意工质、任意过程，各项为代数量。 2. q、 w分别为各个吸热、作功过程的代数和。 3. U=U2-U1 热能转变为机械能 的根本途径 热力系吸 收的能量 增加系统的热力学能 对外膨胀作功 + + 系统吸热 系统放热 内能增加 内能减少 系统对外界做功 外界对系统做功 系统吸热 系统放热 内能增加 内能减少 系统对外界做功

11、 外界对系统做功 QW 12 UUU=WQ 简单可压缩系准静态过程：简单可压缩系准静态过程：pdvw = pdvduq+= += 2 1pdv uq += 2 1 pdVUQ 热力学第一定律第一解析式热力学第一定律第一解析式 简单可压缩系可逆过程：简单可压缩系可逆过程： 热转化为功的基本表达式热转化为功的基本表达式 q = Tds Tds = u + pdv 热力学恒等式热力学恒等式 pdvduTds+= 二、准静态和可逆闭口系能量方程二、准静态和可逆闭口系能量方程 三、门窗紧闭房间用电冰箱三、门窗紧闭房间用电冰箱 以房间为系统绝热闭口系 闭口系能量方程 QU W=+ 0Q= 0UW= 0W

12、电 冰 箱 电 冰 箱 Refrigerator 因此：系统（即房间内）温度升高 四、门窗紧闭房间用空调降温四、门窗紧闭房间用空调降温 以房间为系统闭口系 闭口系能量方程 QU W=+ 0Q UQ W= 0W Air-condition 空调制热？空调制热？ 五、绝热自由膨胀五、绝热自由膨胀 如图，抽去隔板，求？U 解：解：取气体为热力系 闭口系？开口系？ 0 QUW Q = + = 12 0UUU=即 0=W? 功是通过边界传递的能 量 功是通过边界传递的能 量 v p A 1 2 B 例例5-1：有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿2B1 回到初态1，并且。 kJWkJUUkJ

13、Q BA 5 10 50 121221 =， 试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回 到初态时的净吸热量和净功。 解解:kJUUQUQW AAA 401050)( 12212121 = 膨胀过程 = 0dU =WQ kJWWW BA 35540 1221 =+= =kJWQ35 5.4 开口系统稳定流动能量方程开口系统稳定流动能量方程 一、一元稳定流动一、一元稳定流动 一元流动一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数 和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一 元变化。 稳定流动稳定流动：开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间而 变化。 如

14、：电厂的热力设备（汽轮机、加热器等），除启动、停止 或者加减负荷外，大部分时间是在外界影响不变的条件下稳 定运行的，可以认为处于稳定流动状态。 稳定流动必须满足以下条件：稳定流动必须满足以下条件： （1）系统内及边界各点工质的状态不随时间变化； （2）系统内各流通截面上工质的质量流量相等，且不 随时间而变，满足质量守恒；即qm1=qm2=qm。 （3）系统内储存的能量保持不变，即单位时间内输入 系统的能量应等于从系统输出的能量，即E=0。 质量守恒方程 力学定律三个定律 能量守恒方程 1. 推动功：1. 推动功：工质在流过热力设备时，必须受外力推动，这种 推动工质流动而作的功称为推动功（流动功

15、、推进功）。 W推= p A l = pV=mpv 单位质量流动功：w推= pv 注意：注意：推动功不是 pdv,，v 没有变化；推动功不是工质本身具 有的能量，它是用来维持工质流动的，是伴随工质流动而带 入和带出的能量。 二、推动功与流动净功二、推动功与流动净功 2、对推动功的理解、对推动功的理解 （1）推动功与宏观流动有关，若流动停止，推动功不存在； （2）作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化； （3）w推pv与所处状态有关，是状态量； （4）推动功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，流动工质所携带的能量。 ?可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间

16、所传递的一种 机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种 能量。 3、流动净功、流动净功 对于有同时有工质进出的开口系，系统与外界交换 的推动功的差值，称为流动净功。流动净功可视为由 于工质的进出，系统与外界传递的能量。 对单位质量： 221 1 () f WpVp VpV= = 221 1 ()m p vp v= 221 1 () f wpvp vp v= = Ws Q P1 v1 H1 c 1 c2 z1 z2 P2 v2 H2 三、焓三、焓 对于m千克工质：pVUH+= 2、焓的物理意义、焓的物理意义 对于1千克工质： （1）对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递 的总能量中，取决于热力状态的那部分能量。 （2）对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状 态参数，不代表能量。 1、焓的定