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1、第三章第三章 热力学第一定律热力学第一定律本章基本要求本章基本要求深深深深刻刻刻刻理理理理解解解解热热热热量量量量、储储储储存存存存能能能能、功功功功的的的的概概概概念念念念，深深深深刻刻刻刻理理理理解解解解内内内内能、焓的物理意义能、焓的物理意义能、焓的物理意义能、焓的物理意义理理理理解解解解膨膨膨膨胀胀胀胀（压压压压缩缩缩缩）功功功功、轴轴轴轴功功功功、技技技技术术术术功功功功、流流流流动动动动功功功功的的的的联系与区别联系与区别联系与区别联系与区别本章重点本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题33-1-1系统系统的储存能的储存能分子动能（移动、转动、振动）分子动能（移动、转动、振动）
2、分子位能（相互作用）分子位能（相互作用）核能核能 化学能（一般不考虑）化学能（一般不考虑）一、热力学能（内能）一、热力学能（内能）1、分子动能与温度T有关；2、分子位能与比容v有关；3、热力学能与温度T和比容v有关；说明：说明：1、内能是状态量、内能是状态量2、U : 广延参数广延参数 kJ u : 比参数比参数 kJ/kg3、内能总以变化量出现，内能零点人为定、内能总以变化量出现，内能零点人为定注意：注意：对理想气体对理想气体u=f (T)u=f (T) 二、外储存能二、外储存能 系统工质与外力场外力场的相互作用相互作用 所具有的能量，如：重力位能以外界外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能
3、量，如：宏观动能 组组成成外部储存能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= mgz机械能机械能系统总能系统总能E = U + Ek + Ep J1kg的物质：的物质：e = u + ek + ep J/kg一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du33-2 -2 系统与外界传递的能量系统与外界传递的能量 功功随物质传递的能量随物质传递的能量 热量热量外界热源外界热源外界功源外界功源外界质源外界质源系系统统热量热量 kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ定义定义：在温差温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。规定规定:特点
4、特点:是传递过程传递过程中能量的一种形式，与热力过程热力过程有关系统吸热吸热热量为正正，系统放热放热热量为负负单位：单位：功功除温差以外除温差以外的其它不平衡势差不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.1膨胀功W：2 轴功W: 在力差力差作用下，通过系统容积变化容积变化与外界传递的能量。规定定: 系统对外作功对外作功为正正，外界对系统作功对系统作功为负负。通过轴系统轴系统与外界传递的机械功机械功定义定义:单位单位：l J=l Nm膨胀功是热变功热变功的源泉刚性闭口系统刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换。种类种类:注意注意:随物质传递的能量随物质传递的能量1 流流动工工质 本身具有的
5、能量本身具有的能量2 流流动功功(或推或推动功功)为推动流体推动流体通过控制体界面而传递的机械功机械功.推动1kg工质进、出控制体时需功 注意注意: 取决于取决于控制体进出口界面工质的热力状态工质的热力状态由泵风机等提供思考思考：与其它功区别流动工质传递的总能量流动工质传递的总能量焓焓 对于m千克工质： v焓的焓的定义式定义式：焓焓=内能内能+流动功流动功 v焓的物理意义：焓的物理意义：1对流动流动工质(开口开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态取决于热力状态的那部分能量。思考：思考：特别的对理想气体 h= f (T) 对于1千克工质： h=u+ p v 2 对不流动不流动工
6、质(闭口闭口系统)，焓只是一个复合复合状态参数状态参数33-3 -3 闭口系能量方程闭口系能量方程 对于简单可压缩系统，系统吸收的热量，一部对于简单可压缩系统，系统吸收的热量，一部分用于对外作功，一部分用于改变系统的内能。分用于对外作功，一部分用于改变系统的内能。Q-W=UQ=W+Uq=du+w备注：在此不计系统宏观动能和重力位能的变化，备注：在此不计系统宏观动能和重力位能的变化，即即 E=U=U2-U1闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du + w思考：若在地球上研究飞行器，就要考思考：若在地球上研究飞行器，就要考虑宏观动能与重力势能虑宏观动能与重力势能 q = de + w
7、 = du + dek + dep + w 准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程简单可压缩系准静态过程 w = pdv简单可压缩系可逆过程简单可压缩系可逆过程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式热力学恒等式理想气体内能变化计算理想气体内能变化计算考虑热力学第一定律的定容热力变化过程考虑热力学第一定律的定容热力变化过程 qv = du v+ pdvdv=0 qv = duv 对于理想气体对于理想气体 du v=f(T) 适用于理想
8、气体理想气体一切一切过程或者实际气体实际气体定容定容过程 用定值比热计算用定值比热计算:用平均比热计算用平均比热计算 :理想气体组成的混合气体的内能理想气体组成的混合气体的内能： 热力学一定律在循环过程热力学一定律在循环过程1-2-3-4-1的应用的应用例题：有一绝热容器，有隔板将它分成例题：有一绝热容器，有隔板将它分成例题：有一绝热容器，有隔板将它分成例题：有一绝热容器，有隔板将它分成A A、B B两部分，开两部分，开两部分，开两部分，开始时，始时，始时，始时，A A中盛有中盛有中盛有中盛有T TA A=300K=300K，p pA A=0.1MPa=0.1MPa、V VA A=0.5m=0
9、.5m3 3的的的的空气；空气；空气；空气；B B中盛有中盛有中盛有中盛有T TB B=350K=350K，p pB B=0.5MPa=0.5MPa、V VB B=0.2m=0.2m3 3的的的的空气，求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。空气，求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。空气，求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。空气，求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。AB隔板 3-4 开口系能量方程开口系能量方程两条基本原则两条基本原则质量守恒原则质量守恒原则进入控制体的质量进入控制体的质量- -离开控制体的质量离开控制体的质量= =控制体中控制体中质量的变化质量的变化能量守
10、恒原则能量守恒原则进入进入控制体控制体的能量的能量- -离开离开控制体控制体的能量的能量= =控制体控制体储储存能量的变化存能量的变化 Wnet Q推进功的引入推进功的引入 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符! !少了少了推进功推进功推进功的表达式推进功的表达式推进功（流动功、推动功）推进功（流动功、推动功）pApVdl W推推 = p A dl = pV w推推= pv注意：注意： 不是不是 pdv v
11、没有变化没有变化对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是状态量与所处状态有关，是状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起、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而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进间所传递的一种机械功，表现为流动
12、工质进出系统使所携带和所传递的一种能量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开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv minpvout开口系能量方程微分式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工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流
13、动时，总一起存在流动时，总一起存在3-5开口系统开口系统稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件Steady State Steady Flow(SSSF)1、2、3、轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程几种功的关系几种功的关系wwt(pv) c2/2wsgz
14、做功的根源做功的根源ws准静态下的技术功准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示机械能守恒机械能守恒对于流体流过管道，对于流体流过管道， 压力能压力能 动能动能 位能位能机械能守恒机械能守恒流体力学柏努利方程流体力学柏努利方程理想气体焓的计算理想气体焓的计算用定值比热计算用定值比热计算:适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体定压过程适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体定压过程 理想气体定压过程热力学第一定律表达式理想气体定压过程热力学第一定律表达式 qp = dh p- vdp dp=0 qp = dhp=d(u+pv)p=d(u+RT)p 用平均比热计算用平均比热计算:用真实比热计算用真实比热计算 :
