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1、第3章 热力学第一定律本章基本要求深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义；理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别；本章重点：熟练应用热力学第一定律解决具体问题 人类在长期的生产实践和科学实验的基础上，建立了能量守恒与转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转换过程中，能量的总量保持不变。热力学第一定律的实质: 能量守恒与转换定律在热力学中的应用，文字表述有多种形式。（1） 热能可以和其他形式的能量相互转化，转化过程中，能的总量保持不变；（2） 在孤立系统中，能的形式可以转换，但总量不变；（3）
2、第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机是不可能制造成功的。这一质朴明显的定律，是人类经过长时间的生活、生产实践才逐渐认识的。史前，人们摩擦取火，在实践中掌握了机械能转变为热能的方法，后来又通过蒸汽机的发明和使用，实现了热能向机械能的转化。虽然实践中完成了两种形式能量的转化，但理解这一规律却晚的多，甚至对于热的本质也长期未能认识。1719世纪上半期，西欧学术界普遍认为热是一种没有热量的流体，即“热素”，个别杰出的科学家，如波义耳，牛顿等对然早就指出物质微粒的运动，然而热的分子运动学说却到19世纪中期才被科学界公认。18401851年间，经过梅耶，焦尔等人的努力，才最终建立了热力
3、学第一定律。热力学第一定律是人类长期经验的总结，它不能用数学或其他的理论根据来证明。永动机到目前还没有制造成功，以及它得出的一切推论都与实际经验相符合等事实，可以充分说明其正确性。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，当遇到具体问题时，需要将它表示为数学解析式。对于任意系统，各项能量之间的平衡关系一般表示为：进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能的变化31系统的储存能一、外储存能（宏观上）1、 宏观动能：（Eenergy；kkinetic）2、 重力位能： （pposition）二、内储存能（微观上）宏观静止的物体，其内部的分子、原子还在不停的做热运动，物体因热运动
4、而具有的能量叫做内热能。热力学中把内热能叫做内能，即储存于物质内部的能量。用U（J）来表示，对于单位质量物质，用比内能u(J/Kg)来表示。此外还有化学能，核能等。在热力状态发生变化的过程中，物质分子结构和原子结构都不发生变化，化学能、核能不起作用，可以不加考虑。内能包括：分子在不停的做不规则的热运动（平移运动），这种平移运动的动能是热力学温度的函数，如果气体是多原子分子，还做旋转运动和振动运动。根据能量按照自由度均分原理和量子理论，这些能量也是温度的函数。 2、分子位能 由于分子间作用力的存在，气体吸热膨胀时，分子间剧增大，一部分热能将用于克服分子引力做功，以内位能的形式贮存下来，此时内位能
5、增加；反之，气体压缩时，分子间距离减小，内位能又以热能的形式释放出来，所以内位能大小与分子间距，即比容有关。综上，气体的内能取决于温度和比容，即：u=f(T，v)= f(P，v)= f(P，T)。对于理想气体来说，不存在分子间的作用力，即没有内位能，因此它只是温度的单值函数，u=f(T)。注意：气体的内能表示气体热运动的状态，所以内能也是气体的状态参数，在热力过程中，内能的变化只与初终状态有关，与过程无关，与功和热量不同。，三、总储存能32 系统与外界传递的能量系统与外界之间进行能量传递的方式有三种：传热；做功；物质交换。一、热量在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量叫做热量。系统吸热为正
6、，放热为负，单位：kJ。热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的路径有关，是一个过程量。区别：因此，我们不能说系统有多少热量，而只能说系统具有多少热力学能。思考题：3-4，3-7二、功除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量。系统对外作功为正，外界对系统作功为负。1 膨胀功W在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量，单位：J；膨胀功是热变功的源泉。2 轴功W通过轴系统与外界传递的机械功。三、随物质交换传递的能量1 流动工质本身具有的能量： 2 流动功(或推动功)：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功。如图，工质经过管道
7、进入气缸。设工质的状态参数是（P,v,T），用活塞推动工质进入另外的活塞，推动过程中工质的状态参数不变，作用在活塞上的压力为P，活塞面积f，则作用的力的大小为F=Pf，假设工质推动活塞移动了距离S，则所作的功为：对于每kg气体来说，在推动的过程中，工质的状态没有改变，即内能没有改变，传递给活塞的能量显然是从外界传递来的，为后方的活塞。推动功只有在工质移动位置时才起作用，工质移动时，从后面获得推动功，又对前面的物质作推动功，即使没有活塞也是如此。工质在作推动功时没有热力状态的改变，当然也不会有能量形态的改变，此时工质起到的作用仅仅是单纯的传输作用，就好像传送带一样。对于一个开口系统来说，物质流入
8、流出过程中，系统对外做功的：推动1kg工质进、出控制体所必须的功 流动工质传递的总能量为：注意: 流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵或风机等提供。四、焓为简化，把式中和热力状态有关的能量进行合并，引入新的物理量：焓。对于m千克工质：对于1千克工质：h=u+ p v=u+RT=f(T)焓的物理意义：1、 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33 闭口系统能量方程一、 能量方程表达式在实际的热力过程中，许多系统都是闭口系统，如密闭的汽缸等。闭口系统与外界没有物质的交换，只有热量
9、和功的交换，对闭口系统应用热力学第一定律：进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能的变化假设闭口系统吸热Q，对外做功W，则有：忽略动能和位能的变化，则（适用于mkg质量工质）还可以写成其他的形式：（1kg质量工质）（微小变化）注意: 该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。对于可逆过程：，（例题）二、 热力学第一定律在循环过程中的应用对于循环过程来说，整个系统可以看成是闭口系统，所以对循环过程应用闭口系统能量方程式：闭口循环系统的热力学第一定律表达式从方程式可以看到，循环过程中输入的净热量就等于输出的净功，即要输出一定量的功，必得输入一定量的热量，所以第一类永动机不可能制造出来。（例题）习题
10、3-5三、理想气体内能变化计算对于定容过程来说，定容过程，所以对于定压过程来说，所以，可见内能是温度的函数，适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程。用定值比热计算：用平均比热计算：用真实比热计算：的经验公式代入积分。（例题）思考题：3-1，3-23.4 开口系统能量方程工质在热力设备中进行循环，单独分析各个热力设备时，都属于开口系统的问题。下面我们讨论开口系统中最普遍的不稳定流动问题，即系统内的能量、质量随时间而改变的过程设一开口系统，在时间内，流入系统的质量为，流出的质量为，则工质带入控制体的能量为： 工质从系统带走的能量为：设该系统同时从外界吸热，对外做功，则根据热力学第一定律：代入后
11、得到: +由于没有作任何理想化处理，所以适用于所有的过程，尤其是充气、放气、机器启动、停止的情况。（例题）3.5 开口系统稳态稳流能量方程实际的热工设备运行一段时间后，会出现以下状况：1、 进出口工质的状态不随时间而改变；2、 进出口工质的流量相等而且不随时间而改变；3、 与外界交换的功、热量不随时间而改变；这种状况叫做稳态稳流流动。一、稳态稳流工况工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。对于方程式：有：则：（1）或： （2） （3） （4）以上四式适用于任何工质的稳态稳流热力过程。二、技术功在热力过程中可被
12、直接利用来作功的能量，称为技术功。则稳态稳流能量方程可以写为：若过程可逆，则：注意：技术功是过程量适用于忽略工质动能和位能变化的任何工质稳态稳流过程，。三、理想气体焓的计算对于理想气体：适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程；用定值比热计算，适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程；用平均比热计算用真实比热计算的经验公式代入积分。例题：压气机以的速率吸入P1，t1状态的空气，然后将压缩为P2，t2的压缩空气排出。进、排气管的截面积分别为f1，f2，压气机由功率为P的电动机驱动。假定电动机输出的全部能量都传给空气。试求：（1）进、排气管的气体流速；（2）空气与外界的热传递率
13、。解：取压气机为控制体。（1）进、排气管气体流速：由连续性方程和状态方程：，进气流速：同理，排气流速：（2）热传递率：忽略位能变化能量方程： 设气体为定比热理想气体：式中：H图3.3例3：如图所示的气缸，其内充以空气。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重量Gi=195kg。当地的大气压力p0=771mmHg，环境温度t0=27。若当气缸内气体与外界处于热力平衡时，把活塞重物取去100kg，活塞将突然上升，最后重新达到热力平衡。假定活塞和气缸壁之间无摩擦，气体可以通过气缸壁和外界充分换热，试求活塞上升的距离和气体的换 热量。解：（1）确定空气的初始状态参数
14、p1= +=77113.610-4=3kgf/cm2或 p1=30.98665=2.942bar=294200Pa V1=AH=10010=1000cm3 T1=273+27=300K（2）确定取去重物后，空气的终止状态参数由于活塞无摩擦，又能充分与外界进行热交换，故当重新达到热力平衡时，气缸内的压力和温度应与外界的压力和温度相等。则有p2=+=77113.610-4+=2kgf/cm2或 p2=20.98665=1.961bar=196100Pa T2=273+27=300K由理想气体状态方程pV=mRT及T1=T2可得cm3活塞上升距离H=（V2V1）/A=（15001000）/100=5cm对外作功量W12=p2V= p2AH=196100（1005）10-6=98.06kJ由热力学第一定律Q=U+ 由于T1=T2，故U1=U2，即U=0则，Q12=W12=98.06kJ（系统由外界吸入热量）36 稳态稳流能量方程的应用1动力机：利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。一般忽略未能和动能的变化，认为设备是绝热的，则：2压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备 一般忽略未能和动能的变化，认为设备是绝热的，则：
