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1、 工程热力学课件 华北电力大学（北京） 动力工程系 工程热物理教研室制作 2005年 5月 第二章 热力学第一定律 of 2热力学第一定律的本质 1909年， C. 本质： 能量 转换 及 守恒 定律在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有 1% 1842年， 没有 引起重视 1840 证明热一律，于 1950年发表并得到公认 闭口系循环的热一律表达式 要想得到 功 ，必须化费 热能 或 其他能量 热一律 又可表述为“ 第一类永动机是 不可能制成的 ” 压力容器 压气机 从大气中取气 取回部分功量驱动压气机 w p 大气机 ？机 氢气发动机 水分解装置 取回部分功量驱动水分解装置 w
2、 某人的永动机构思 自然热的利用 of in 料：要科学，不要永动机 焦耳在探索科学真理的道路上，也走过弯路。他年轻的时候，正是永动机热席卷欧洲的时代，许多人钻进了永动机的迷宫，妄想制造出一种不消耗能量永远做功的机器。焦耳也是个“永动机迷”，曾经狂热地追求过永动机，几乎消磨了他全部的业余时间。他通宵达旦地冥思苦索、设计方案、制作机件，但是没有一个是成功的。失败引起了焦耳的深思，为什么乍一看设计上几乎无懈可击的机器，做出来却总是一堆废物？焦耳没有象有些人那样，明明进入了迷宫，还以为走进了科学的殿堂，碰了壁也不回头。他吸取教训，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宫，转向脚踏实地的科学研究，探求隐藏在失败
3、背后的科学真谛。经过勤奋实践，他终于找到了热功当量，为建立能量守恒定律作出了杰出的贡献。这个定律好比一块路标，插在寻找永动机的十字路口，警告迷途人：此路不通！据说焦耳还现身说法，语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说：“不要永动机，要科学！” 趣闻轶事： 精确的测量值在几十年里不作大修正 从 1849到 1878年，焦耳反复作了四百多次实验，千卡，这和现在公认值 427千克米 /千卡相比，只小 焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正，这在物理学史上也是空前的。 坚持不懈终将获得公认 (1 ) 1843年 8月，在考尔克的一次学术
4、报告会上，焦耳作了题为 论磁电的热效应和热的机械值 的报告。他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系，并测得热功当量值为 1千卡热量相当于 460千克米的机械功。这一结论遭到当时许多物理学家的反对。 坚持不懈终将获得公认 (2) 1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上，焦耳又一次作了热功当量的研究报告，宣布热是一种能量形式，各种形式的能量可以互相转化。但是焦耳的观点遭到与会者的否定，英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文。 1847年 4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演，充分地阐述了能量守恒原理，但是地方报纸不理睬，在进行了长时间的交涉之后，才有一家报纸勉强发表了这次讲演。同年 6
5、月，在英国科学协会的牛津会议上，焦耳再一次提出热功当量的研究报告，宣传自己的新思想。会议主席只准许他作简要的介绍。只是由于威廉 汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言，他的新思想才引起与会者的重视。直到 1850年，焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认。 2力学能（内能）和总能 内能 (导出 闭口系循环 ( ) 0 内能的导出 对于循环 1 2 2 1( ) ( ) 0 Q W 对于循环 1 2 2 1( ) ( ) 0 Q W 1 2 1 2( ) ( ) Q W ( ) 0 状态参数 p V 1 2 a b c 内能及闭口 系热一律表达式 定义 Q - W 内能 U 状态函数 Q = W Q
6、= U + W 闭口系 热一律表达式 ！ 两种特例 绝功系 Q = 绝热系 W = - 能 U 的 物理意义 Q - W W Q 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。 U 代表储存于系统 内部的能量 内储存能 （ 内能 、 热力学能 ） 内能的性质 分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能 内能 内能 是状态量 U : 广延参数 u : 比参数 kJ/ 内能 总以变化量出现， 内能 零点人为定 说明： 系统总能 外部储存能 宏观动能 宏观位能 械能 系统总能 E = U + Ep e = u + 般与系统同坐标，
7、常用 U, u, 一律的文字表达式 热一律 : 能量守恒与转换定律 进入 系统的 能量 - 离开 系统的 能量 = 系统 内部储存能量 的 变化 W Q 一般式 Q = W Q = U + W q = w q = u + w 单位质量工质 适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程 23 热力学第一定律基本表达式 闭口系能量方程中的功 功 （ w） 是广义功 闭口系与外界交换的功量 q = w 准静态容积变化功 伸功 - 面张力功 - w = . 闭口系能量方程的通式 q = w 若在地球上研究飞行器 q = w = w 准静态和可逆闭口系能量方程 简单可压缩系 准静态过程 w = q = q
8、= u + 一律解析式之一 2 开口系统能量方程 推导 Q 12 进入 系统的 能量 - 离开 系统的 能量 = 系统 储存能量 的变化 推动功的引入 Q 12 + u + + gz) u + + gz)- 个结果与实验不符 少了 推动功 推进功（ 的表达式 推动功 （推进功） ：系统引进或排除工质传递的功量。 注意： 不是 v 没有变化 p A H p vp v 1 流动功 ： 系统维持流动所花费的代价 。 )(1122 推动功在 对推进功的说明 1、 与宏观 流动 有关，流动停止，推进功不存在 2、 作用过程中，工质仅发生 位置 变化，无状态变化 3、 状态量 4、 并非工质本身的能量（动
9、能、位能）变化引起， 而由外界做出，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 开口系能量方程的推导 Q 12 + u + + gz) u + + gz)- 口系能量方程微分式 Q + u + pv+ + gz) - u + pv+ + gz)= 程上常用 流率 0l Q 0l 0l 2n n e / 2/2 u p v c g z mu p v c g z m W 开口系能量方程微分式 当有多条进出口： ne 2/2Q E Wu pv c gz mu pv c gz m 流动时，总一起
10、存在 焓 (引入 定义： 焓 h = u + ne 2/2Q E Wu pv c gz mu pv c gz m h h 开口系能量方程 焓 （ 的说明 定义： h = u + kJ/ H = U + 1、 焓 是状态量 2、 H=U+m(u+ mh 3、 对流动工质， 焓 代表能量 (内能 +推进功 ) 对静止工质， 焓 不代表 能量 4、 物理意义：开口系中随工质 流动而携带 的、取决 于热力状态的 能量 。 2稳定流动能量方程 Q 12 （ 1、 o u t m m 2、 Q Co n s t 3、 n e t o n s t W轴功 截面状态不变 4、 , /0 稳定流动能量方程的推导 o u t m m Q Co n s t n e t o n s t W, /0 ne 2/2Q E Wh c gz mh c gz m 稳定流动条件 0 mm定流动能量方程的推导 22so u t i
