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1、第三章第三章第三章 第三章 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 ?热力学第一定律实质热力学第一定律实质 ?热力学能和总能热力学能和总能 ?系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 ?闭口系统能量方程闭口系统能量方程 ?开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开口系统稳态稳流能量方程 ?稳态稳流能量方程的应用稳态稳流能量方程的应用 基本要求基本要求基本要求基本要求 1.深入了解热力学第一定律的实质，熟练掌 握热力学第一定律及其表达式。 2.掌握能量、储存能、内能、迁移能的概念。 3.掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功 的概念及计算方法。 4.注意焓的引
2、出及其定义式。 1.深入了解热力学第一定律的实质，熟练掌 握热力学第一定律及其表达式。 2.掌握能量、储存能、内能、迁移能的概念。 3.掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功 的概念及计算方法。 4.注意焓的引出及其定义式。 重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点 状态参数焓状态参数焓 稳定流动过程中几种功的关系与区别。稳定流动过程中几种功的关系与区别。 能量方程式的应用。能量方程式的应用。 3 3 3 3- - - -1 1 1 1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 热力学第一定律热力学第一定律可表达为可表达为: 热可以变为功热可以变为功,功也
3、可以变为热。一定量的热 消失时必产生相应的功；消耗一定量的功时必 出现与之对应的一定量的热。 实质：能量转换及守恒定律在热力过程中的 应用，它确定了热力过程中各种能量在数量 上的关系。 功也可以变为热。一定量的热 消失时必产生相应的功；消耗一定量的功时必 出现与之对应的一定量的热。 实质：能量转换及守恒定律在热力过程中的 应用，它确定了热力过程中各种能量在数量 上的关系。 迁移能功量和热量迁移能功量和热量迁移能功量和热量迁移能功量和热量 能量是状态参数，但能量在传递和转换时 则以做功或传热的方式表现出来。因此，功量 和热量都是系统与外界所传递的能量，而不是 系统本身所具有的能量，其值并不由系统
4、的状 态确定，而是与传递时所经历的具体过程有关。 所以，功量和热量不是系统的状态参数，而是 与过程特征有关的过程量，称为迁移能。 能量是状态参数，但能量在传递和转换时 则以做功或传热的方式表现出来。因此，功量 和热量都是系统与外界所传递的能量，而不是 系统本身所具有的能量，其值并不由系统的状 态确定，而是与传递时所经历的具体过程有关。 所以，功量和热量不是系统的状态参数，而是 与过程特征有关的过程量，称为迁移能。 闭口系循环的第一定律表达式闭口系循环的第一定律表达式 要想得到功，必须花费热能或其它能量要想得到功，必须花费热能或其它能量 第一定律又可表述为: “第一类永动机是不可能制成的”即不消
5、耗能 量能连续不断地做功的机器是不可能实现的。 第一定律又可表述为: “第一类永动机是不可能制成的”即不消耗能 量能连续不断地做功的机器是不可能实现的。 =WQ 热力学第一定律应用说明热力学第一定律应用说明 1. 热力学第一定律是热力学的基本定律， 适用于一切工质和一切热力过程 热力学第一定律是热力学的基本定律， 适用于一切工质和一切热力过程 2. 当用于分析具体问题时，需要根据能量 守恒的原则，列出参与过程的各种能量 的平衡方程式。 当用于分析具体问题时，需要根据能量 守恒的原则，列出参与过程的各种能量 的平衡方程式。 3. 平衡关系的一般表达式：平衡关系的一般表达式： 进入系统的能量离开系
6、统的能量 系统储存能的变化 进入系统的能量离开系统的能量 系统储存能的变化 3 3 3 3- - - -2 2 2 2 系统储存能系统储存能系统储存能系统储存能 能量是物质运动的量度，运动有各种不同的形 式，相应的就有各种不同形式的能量。系统储存 的能量称为储存能，有 能量是物质运动的量度，运动有各种不同的形 式，相应的就有各种不同形式的能量。系统储存 的能量称为储存能，有内部储存能内部储存能和和外部储存能 外部储存能 之分。之分。 一、内能一、内能内部储存能内部储存能 储存于系统内部的能量称为内能储存于系统内部的能量称为内能热力学能。 包括 分子内动能（移动、转动、振动） 热力学能。 包括
7、分子内动能（移动、转动、振动）f(T) 分子内位能（相互作用力）分子内位能（相互作用力） f(T, v) 核能 化学能 核能 化学能 热力学中不变化，不予考虑热力学中不变化，不予考虑 内能的导出内能的导出内能的导出内能的导出 对于循环对于循环1a2c1 1 22 1 ()()0 ac QWQW+= 对于循环对于循环1b2c1 1 22 1 ()()0 bc QWQW+= 1 21 2 ()() ab QWQW= 状态参数状态参数 p v 1 2 a b c 由：由： 得：得： =WQ =0)(WQ 内能内能内能内能U U 的的的的物理意义物理意义物理意义物理意义 定义定义：dU = Q - W
8、 W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与 微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与 微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。 内能是状态参数, 内能是状态参数, U : 广延参数广延参数 kJ u : 比参数比参数kJ/kg 内能总以变化量出现，其零点人为决定内能总以变化量出现，其零点人为决定 说明：说明： ),(vTfu= )(Tfu = 理想气体理想气体 三三三三、系统总储存能系统总储存能系统总储存能系统总储存能 E E 二、外部储存能二、外部储存能 宏观动能 宏观动能 Ek = mc2/2 宏观位能 宏观位能 Ep = m
9、gz 机械能机械能 系统总储存能为内储存能与 外储存能之和 系统总储存能为内储存能与 外储存能之和 E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep 3 3 3 3- - - -3 3 3 3 系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 系统与外界传递的能量是指系统与外界热力源 或与其它有关物体之间进行的能量传递。 系统与外界传递的能量是指系统与外界热力源 或与其它有关物体之间进行的能量传递。做功 和热量是能量传递的度量。 一、热量 做功 和热量是能量传递的度量。 一、热量 1. 热力学定义：热力学定义：没有考虑温差没有考虑温差作用，符合可逆
10、 传热条件。 作用，符合可逆 传热条件。 TdSQTdsq= 2. 传热学定义：传热学定义：在温差的作用下在温差的作用下系统与外界传 递的能量为热量。 系统与外界传 递的能量为热量。 3 3 3 3、热量的特征、热量的特征、热量的特征、热量的特征 热量是过程量，非状态量，就某一 状态而 言，无热量之谈。 热量是过程量，非状态量，就某一 状态而 言，无热量之谈。 只能说系统具有多少能量，而不能说系统 具有多少热量。因为热量一旦通过界面传入 系统就变成了系统储存能的一部分，以状态 量（内能 ）的形式存在。 只能说系统具有多少能量，而不能说系统 具有多少热量。因为热量一旦通过界面传入 系统就变成了系
11、统储存能的一部分，以状态 量（内能 ）的形式存在。 二、功量二、功量二、功量二、功量 1、功的分类 依据 1、功的分类 依据外界功源外界功源（电、磁、机械装置）的不同（电、磁、机械装置）的不同 功的形式 电功磁功 机械拉伸功 弹性变形功 表面张力功 功的形式 电功磁功 机械拉伸功 弹性变形功 表面张力功 膨胀功 轴功 膨胀功 轴功 2 2 2 2、膨胀功（容积功）膨胀功（容积功）膨胀功（容积功）膨胀功（容积功） ?定义定义：在压差的作用下，由于系统工质：在压差的作用下，由于系统工质容积发生变化容积发生变化 而传递的机械功。而传递的机械功。 ?传递的方式传递的方式 闭口系：通过系统闭口系：通过系
12、统界面界面传递 开口系：通过 传递 开口系：通过其它形式其它形式（如轴）传递。 如汽轮机中工质的膨胀。 （如轴）传递。 如汽轮机中工质的膨胀。 ?特征特征：系统容积变化是做膨胀功的：系统容积变化是做膨胀功的必要条件必要条件，而不是，而不是 充分条件充分条件。还应当有功的传递和接受机构。还应当有功的传递和接受机构。 ? 正负的规定正负的规定正负的规定正负的规定：膨胀功（容积功）：膨胀功（容积功）：膨胀功（容积功）：膨胀功（容积功） ? 热量与功的异同点：热量与功的异同点：热量与功的异同点：热量与功的异同点： 相同点相同点相同点相同点：都是能量传递的度量，是过程量：都是能量传递的度量，是过程量：都
13、是能量传递的度量，是过程量：都是能量传递的度量，是过程量 不同点不同点不同点不同点：做功的过程中往往伴随有能量形态的：做功的过程中往往伴随有能量形态的：做功的过程中往往伴随有能量形态的 ：做功的过程中往往伴随有能量形态的 转化。转化。转化。转化。 机械能热能机械能热能 00vv及 ，故有正、负之言有，故有正、负之言有 3 3 3 3、轴功、轴功、轴功、轴功 ?定义定义：系统通过：系统通过机械轴机械轴与外界传递的机 械功（开口、闭口系均可以）。 与外界传递的机 械功（开口、闭口系均可以）。 ? 产生的方式产生的方式 1. 来源于能量的转换，热能转换为机械能 （汽轮机、内燃机、压气机）。 来源于能
14、量的转换，热能转换为机械能 （汽轮机、内燃机、压气机）。 2. 机械能的直接传递机械能的直接传递(水轮机、风车水轮机、风车) ?正负规定正负规定：系统输出轴功为正，外界对 系统做功为负。 ：系统输出轴功为正，外界对 系统做功为负。 三、随物质流传递的能量（开口系）三、随物质流传递的能量（开口系）三、随物质流传递的能量（开口系）三、随物质流传递的能量（开口系） 随物质流传递 的能量组成 随物质流传递 的能量组成 流动工质本身具有的能量 流动功或推动功 流动工质本身具有的能量 流动功或推动功 1. 流动功的定义流动功的定义：为推动流体通过控制体界面 而传递的机械功，它是维持流体正常流动所 必须传递
15、的能量。 流动工质本身具有的能量： ：为推动流体通过控制体界面 而传递的机械功，它是维持流体正常流动所 必须传递的能量。 流动工质本身具有的能量：内能、宏观动能和 重力位能。 内能、宏观动能和 重力位能。 2. 2. 流动功的表达式流动功的表达式流动功的表达式流动功的表达式 推动功（流动功、推进功）推动功（流动功、推进功） p f p V ds Wf = p fds = p V fds = V= v m 不是不是 pdv，v 没有变化没有变化注意：注意： m pVpvmmpvW m f = )( pv m W w f f = 当界面处参数恒定时：当界面处参数恒定时： 3.3.3.3.流动功的特
16、征：流动功的特征：流动功的特征：流动功的特征： 工质在移动过程中其工质在移动过程中其状态参数不变状态参数不变，仅是，仅是质量 的迁移 质量 的迁移过程。工质所起的作用只是过程。工质所起的作用只是单纯的传递 能量 单纯的传递 能量，好像传动皮带一样。，好像传动皮带一样。 1Kg工质进入控制体所需的流动功：工质进入控制体所需的流动功： 1 11v p 推出控制体所需的流动功：推出控制体所需的流动功： 22v p 进、出控制体的净流动功为：进、出控制体的净流动功为： 1122 vpvpw f = 对推动功的说明对推动功的说明对推动功的说明对推动功的说明 1.与宏观流动有关，流动停止，推动功消失 2.作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化。 3. 1.与宏观流动有关，流动停止，推动功消失 2.作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化。 3.
