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1、工程热力学 Engineering Thermodynamics,北京航空航天大学,第三章 热力学第一定律,热力学第一定律的实质 热力学能与总能 系统与外界传递的能量 闭口系统能量方程 开口系统能量方程 开口系统稳态稳流能量方程 稳态稳流能量方程的应用,热力学第一定律的实质,热力学第一定律（The First Law of Thermodynamics）： 实质：热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象上的应用 热力学第一定律的两种表述 （1）当热能与其他形式的能量相互转换时，能量的总量保持不变 （2）第一类永动机是不可能制造成功的,热力学第一定律的实质,它是热力学的基本定律，适用于一切工质
2、和一切热力过程 分析具体问题时，将其表述为数学解析式： 进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能变化 根据能量守恒的原则，列出参与过程的各种能量平衡方程式。,储存能系统储存的能量=内部储存能+外部储存能,能量是物质运动的量度,内部储存能=热力学能 储存于系统内部的能量，与系统内工质粒子微观运动和粒子的空间位置有关,包括： 内动能，是温度的函数 内位能，是比体积的函数 化学能、原子核能、电磁能,不同运动形式,不同的能量,储存能系统储存的能量=内部储存能+外部储存能,热力学能,一般的，对于气体，热力学能包括显能与潜能,状态参数,比热力学能,外部储存能（macroscopic forms of e
3、nergy）,1.宏观动能,2.重力位能,外部存储能 机械能,系统的总能,系统的总能内部储存能+外部储存能,比总能,系统与外界传递的能量,能量：是状态参数，以做功或传热方式表现出来,系统本身不具备功量和热量,与过程特征有关的过程量,迁移能,开口系统,功量,系统除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界之间传递的能量,系统对外作功， Ws 0 对系统作功， Ws 0,1. 体积变化功W=膨胀功 系统体积变化完成的膨胀功或压缩功，是热变功的源泉 体积变化功与其它能量形式间关系机械能转换,功量,Wf = p2V2-p1V1 wf= p2v2-p1v1,3. 推动功和流动功Wf 开口系因工质流动而传
4、递的功-推动功 相当于一假想活塞为把前方的工质推进或退出系统所作的功，大小为 pV。只在工质流动时才有。 工质在流动时，总是从后面获得推动功，对前面作出推动功，进出质量的推动功之差-流动功Wf 是维持流体正常流动所必须传递的能量。,对流动功的理解,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,1.与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 2.作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 3.Wfpv与所处状态有关，是状态量 4.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,功量,Wu =W-
5、 p0V,4. 有用功Wu 和无用功 凡是可以用来提升重物、驱动机器的功-有用功 轴功、电功是有用功 体积功,如果过程为可逆过程：,在进行热二律分析时非常有用,焓及其物理意义,流动工质传递的能量：,取决于物质的热力状态，与是否流动无关,定义为焓h hu+pv HU+pV,焓是流动工质传递的总能量中取决于热力状态的部分，如果动能和位能可以忽略，则焓代表随流动工质传递的总能量,闭口系统能量方程,闭口系统，没有物质交换，能量传递只有热量和功两种形式。,系统总能变化传入的热量输出的功,动能与位能不发生变化,适用于任何工质、任何过程,闭口系能量方程的几种形式,1kg工质经过微元过程：,任意一循环的净吸热
6、量与净功量相等,mkg工质经过有限过程：,1kg工质经过有限过程：,mkg工质经过微元过程：,理想气体热力学能变化计算,定容过程,理想气体,或,定值比热 Cv 平均比热 真实比热,混合气体,例题1,判断下列过程哪些是可逆过程，哪些是不可逆的，可以是可逆的，并扼要说明不可逆的原因,（1）对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发 （2）对刚性容器内的水作功，使其在恒温下蒸发 （3）对刚性容器内的空气缓慢加热，使其从50 升温到100 ,提示：热源温度与水、空气温度,例题2,一充以空气的气缸。气缸截面积A=100cm2，活塞距底面高度H=10cm，活塞及其上重物的总质量G1=195kg。当地的大气压力
7、p0=102kPa，环境温度t0=27,。当气缸内的气体与外界处于热平衡时，把活塞重物拿去100kg，活塞将会突然上升，最后重新达到热平衡。假定活塞和气缸壁之间无摩擦，气体可以通过气缸壁与外界充分换热，空气视为理想气体，其状态方程如下，求：活塞上升的距离和气体的换热量？,H,例题2,解： （1）确定空气的初始状态参数，p，v，T （2）拿去重物后，空气的终止状态参数 充分与外界进行热交换 内外压力温度相等 （3）闭口系统能量方程,例题3,一闭口系统从状态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，如图示。 （1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外作功15kJ，求过程中系统与外界传递的热量。 （2）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，求该过程中系统与外界传递的热量 （3）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,
