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1、第二章 热力学第一定律 The First Law of Thermodynamics2-1 热力学第一定律的本质 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律本质：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，J.R. Mayer阐述热一律，但没有引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认Conservation of energyOne of the most fundamental laws of nature“During an interaction , energy can
2、change from one form to another but the total amount of energy remains constant”Energy cannot be created or destroyed焦耳实验1、重物下降，输入功，绝热容器内气体 T 2、绝热去掉，气体 T ，放出热给水，T 恢复原温。焦耳实验水温升高可测得热量，重物下降可测得功热功当量1 cal = 4.1868 kJ工质经历循环:Mechanical equivalent of heat闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”
3、Perpetual motion machine of the first kindQPerpetual motion machine of the first kind锅 炉汽轮机发电机给水泵凝 汽 器WnetQout电 加 热 器2-2 热一律的推论内能内能的导出闭口系循环Internal energy内能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc内能及闭口系热一律表达式定义 dU = Q - W 内能U 状态函数Q = dU + W Q = U + W闭口系热一律表达式！两种特例绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU内能U 的物理意义dU = Q - W W
4、 QdU 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。U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）内能的组成分子动能分子位能 binding forces化学能 chemical energy核能 nuclear energy内能microscopic forms of energy移动 translation 转动 rotation 振动 vibration系统总能 total energy外部储存能macroscopic forms of energy宏观动能 kinetic Ek= mc2/2宏观位能 potential Ep= m
5、gz机械能系统总能 E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du内能的说明 内能是状态量 state property U : 广延参数 kJ u : 比参数 kJ/kg 内能总以变化量出现，内能零点人为定热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-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy of the system=-能量的传递和转
6、化一、能量传递的两种方式 作功作功的说明q“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边 界的能量交换。q 功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束 就再无所谓功。q 机械能与机械功、电能与电功等同吗？q 系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不 应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓“功 ”。q 功是有序能量传递。q过程功：按照系统在热力过程中的状态变化而 应该作出的功。q系统的过程功中通常可以区分为有用功和无用功的两 个部分。 q对大气所作的任何功是无用的，克服摩擦所作的功都 转变为热量，因而也是无用的。 q像设备从转轴上传出的轴功，提升重物所作的机械功
7、，以及工质本身的宏观动能和重力位能的增加（可以 利用相关机械设备进一步使之转变为轴功等机械功） 都属于系统所作的有用功。 q有用功：技术上有用的，可以输给功源的功。q功源：一种可以向热力系作功或从热力系统接受功 的外界物体或装置。 传热系统与外界之间的另一种相互作用，是系统与外界之间依靠温差进行的一种能量传递现象，所传递的能量称为热量。热能和热量不是同一个概念温差虽然是传热过程的推动势差，但是系统温度的变化 与传热并无必然的联系。热能是微观粒子无序紊乱运动的能量热量符号规定：系统从外界吸热为正；向外界放热为负2-3 闭口系能量方程 W Q一般式Q = dU + WQ = U + Wq = du
8、 + wq = u + w单位工质适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程Energy balance for closed systemPoint function-Exact differentials- d Path function-Inexact differentials- 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 = du + w准静态容积变化功 pdv 拉伸功 w拉伸= - dl 表面张力功 w表面张力= - dAw = pdv - dl - dA +.闭口系能量方程的通式q = du + w若在地球上研究飞行器q = de + w = du + d
9、ek + dep + w 工程热力学用此式较少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 = pdv简单可压缩系可逆过程 q = Tdsq = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱升温以房间为系统 绝热闭口系闭口系能量方程T电 冰 箱Refrigerator Icebox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T空 调 QAir- condition 2-4 开口系能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量- 离开
10、系统的能量= 系统储存能量的变化Energy balance for open system推进功的引入WnetQminmoutuinuoutgzingzoutQ + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验 不符 少了推进功推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pA p VdlW推 = p A dl = pVw推= pv注意：不是 pdvv 没有变化Flow work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、w推pv与所处状态有关，是状态
11、量4、并非工质本身的能量（动能、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 出系统时所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导WnetQpvinmoutuinuoutgzingzoutQ + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcvminpvout开口系能量方程微分式 Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wnet - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv工程上常用流率开口系能量方
12、程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在焓Enthalpy的引入定义：焓 h = u + pvhh开口系能量方程焓Enthalpy的 说明定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓是状态量 state property2、H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mhh为比参数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。2-5 稳定流动能量方程WnetQminmoutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、 轴功Shaft work每截面状态不变4、En
13、ergy balance for steady-flow systems稳定流动的定义q当流动系统中（包括进、出口截面上）各 点的热力学状态及流动情况（流速、流向） 不随时间变化时，称系统处于稳定流动1、系统各截面状态参数不随时间变化2、系统与外界的能量交换不随时间变化3、系统自身能量贮存与质量贮存不随时间变化稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程Energy balance for steady-flow systems技术功 technology work动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能单位质量工质
14、的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价 技术功稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws 推进功(pv)几种功的关系？几种功的关系wwt(pv) c2/2wsgz做功的根源ws对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wwswt简单可压缩系可逆过程的技术功可逆过程简单可压缩系 可逆过程热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示机械能守恒对于流体流过管道，压力能 动能 位能机械能守恒伯努利方程 Bernoullis equation 2-6 稳定流动能量方
15、程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化 例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s(c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg例1：透平(Turbine)机械火力发电核电飞机发动机 轮船发动机 移动电站 燃气轮机蒸汽轮机 Steam turbineGas turbine透平(Turbine)机械1) 体积不大2）流量大 3）保温层 q 0ws = -h = h1 - h20输出的轴功是靠焓降转变的例2：压缩机械 Compressor火力发电核电飞机发动机 轮船发动机 移动电站 压气机水泵制冷空
