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1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics目录2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质2-2 热一概的推论热一概的推论 内能内能2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程2-4 开口系能量方程开口系能量方程2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程2-6 稳定流动能量方程运用举例稳定流动能量方程运用举例2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C. Caratheodory最后完善热一概最后完善热一概本质：能量转换及守恒定律在热过程中的运用本质：能量转换及守恒定律在热过程中的运用 18世纪初，工业革命，热效率只
2、需世纪初，工业革命，热效率只需1% 1842年，年，J.R. Mayer德国论述热一概，德国论述热一概，但没有引起注重但没有引起注重 1840-1849年，年，Joule英国用多种实验的英国用多种实验的一致性证明热一概，于一致性证明热一概，于1950年发表并得到公认年发表并得到公认焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输、重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气、绝热去掉，气 体体 T ，放出，放出 热给水，热给水，T 恢复恢复 原温。原温。焦耳实验焦耳实验水温升高可测得热量，水温升高可测得热量， 重物下降可测得功重物下降可测得功热功当量热功当量1 cal = 4
3、.1868 1 cal = 4.1868 kJkJ工质阅历循环工质阅历循环:Mechanical equivalent of heat闭口系循环的热一概表达式闭口系循环的热一概表达式要想得到功，必需破费热能或其它能量要想得到功，必需破费热能或其它能量热一概又可表述为热一概又可表述为“第一类永动机是第一类永动机是 不能够制成的不能够制成的Q第一类永动机第一类永动机锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1形状参数形状参数pV12abc2-2 2-2 热一概的推论热一概的推论 内能
4、内能内能及闭口系热一概表达式内能及闭口系热一概表达式定义定义 dU = Q - W 内能内能U 形状参数形状参数 Q = dU + WQ = U + W闭口系热一概表达式闭口系热一概表达式！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU内能内能U U 的物理意义的物理意义dU = Q - W W Q dU 代表某微元过程中系统经过边境交换代表某微元过程中系统经过边境交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。部能量的变化。 U 代表储存于系统内部的能量代表储存于系统内部的能量 内储存能内能或热力学能内储存能内能或热力学能内能的微观组成
5、内能的微观组成分子动能分子动能分子位能分子位能化学能化学能核能核能内能内能 挪动挪动转动转动振动振动系统总能系统总能 total energy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 + Epe = u + ek + ep普通与系统同坐标，常用普通与系统同坐标，常用U, dU, u, du内能的阐明内能的阐明 内能是形状量内能是形状量 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，内能零点人为定内能总以变化量出现，内能零点人为定热一概的文字表达式热一概的文字表
6、达式热力学第一定律热力学第一定律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入系统进入系统的能量的能量分开系统分开系统的能量的能量系统内部储存系统内部储存能量的变化能量的变化-2-3 闭口系能量方程闭口系能量方程 W Q普通式普通式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1任何工质任何工质 2) 任何过程任何过程闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 w 是广义功是广义功 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q = du + w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= -
7、 dl外表张力功外表张力功 w外表张力外表张力= - dA w = pdv - dl - dA +.闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q = du + w假设在地球上研讨飞行器假设在地球上研讨飞行器 q = de + w = du + dek + dep + w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少运用例如知：孤立系知：孤立系求：求： 能量方程能量方程解：解： Q = U+W Q = U+W Q= 0 Q= 0；W = 0W = 0 U = 0 U = 0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1.简单可紧缩系准静态过程简单可紧缩系准静态过程 w = pdv2.简单可紧
8、缩系可逆过程简单可紧缩系可逆过程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一概解析式之一热一概解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式热力学恒等式翻开冰箱凉爽一下翻开冰箱凉爽一下不断敞开冰箱门不断敞开冰箱门 能制冷整个房间能制冷整个房间吗？吗？思索：思索：门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统以房间为系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统以房间为系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方
9、程T空空调调 QAir-conditioner例例 自在膨胀自在膨胀如图，如图，解：取气体为热力系解：取气体为热力系 闭口系？开口系？闭口系？开口系？强调：功是经过边境传送的能量。强调：功是经过边境传送的能量。抽去隔板，求抽去隔板，求 2-4 开口系能量方程开口系能量方程 Wi Q min moutuinuoutgzingzout能量守恒原那么能量守恒原那么进入系统的能量进入系统的能量-分开系统的能量分开系统的能量=系系统储存能量的变化统储存能量的变化开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wi Q min moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz
10、)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了推进功少了推进功推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功pApVdl W推 = p A dl = pV w推= pv留意：留意： 不是不是 pdv v 没有变化没有变化Flow work回想：热一概的文字表达式回想：热一概的文字表达式热力学第一定律热力学第一定律: 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入系统进入系统的能量的能量分开系统分开系统的能量的能量系统内部储存系统内部储存能量的变化能量的变化-回想：回想： 闭口系能量方程闭口系能量方程普通式普通式 Q = dU + W
11、 Q = U + W q = du + w q = u + w单位工质单位工质适用条件：适用条件： 1任何工质任何工质 2) 任何过程任何过程回想：对推进功的阐明回想：对推进功的阐明1 1、与宏观流动有关，流动停顿，推进功不存在、与宏观流动有关，流动停顿，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无形状变化、作用过程中，工质仅发生位置变化，无形状变化3 3、w w推推pvpv与所处形状有关，是形状量与所处形状有关，是形状量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，而由外界泵与风机做出，流开工质所携带的能量而由外界泵与风机做出，流开工质所携带
12、的能量可了解为：由于工质的进出，外界与系可了解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传送的一种机械功，表现为流统之间所传送的一种机械功，表现为流开工质进出系统使所携带和所传送的一开工质进出系统使所携带和所传送的一种能量种能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wi Qpvin moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = 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 - Wi- mout(u + pv+c2
13、/2 + gz)out = dEcv工程上常用流率工程上常用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：流动时，总一同存在流动时，总一同存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：焓定义：焓 h = u + pvhh开口系能量方程开口系能量方程焓焓Enthalpy的的 阐明阐明 定义：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1、焓是形状量、焓是形状量2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数为比参数3、对流开工质，焓代表能量、对流开工质，焓代表能量(内能内能+推进功推进功) 对静止工质，焓不代表能量对静止工
14、质，焓不代表能量4 4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力形状的能量。于热力形状的能量。2-5 2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wi Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件1、2、3、每截面形状不变每截面形状不变4、流动过程中，开口系统内部及其边境上各点工质的热力参数及运流动过程中，开口系统内部及其边境上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间改动。动参数都不随时间改动。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
15、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：任何流开工质任何流开工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程技术功技术功动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用内部功内部功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wiq稳流开口系稳流开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价内部功内部功wi流动功流动功(pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt(pv) c2/2wigz做功的根源容积
16、变化功做功的根源容积变化功wi对功的小结对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为内部功、开口系，系统与外界交换的功为内部功wi3、普通情况下忽略动、位能的变化、普通情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wwi wt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概解析式之一热一概解析式之一热一概解析式之二热一概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伯努利方程伯努利方程对于流体流过管道，对于流体流过管道，柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation 2-6 稳定流动能量方程运用举例稳定
17、流动能量方程运用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kgz1 = 0 m z2 = 30 mg ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg1bar下下, 0 oC水的水的 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸气的水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg例例1 1：透平：透平(Turbine)(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机挪动电站挪动电站 燃气机燃气机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbi
18、ne1-1-轴；轴；2-2-叶轮；叶轮；3-3-动叶片；动叶片；4-4-喷嘴喷嘴 透平透平(Turbine)(Turbine)机械机械1) 体积不大体积不大2流量大流量大3保温层保温层q 0wi = -h = h1 - h20输出的功是靠焓降转变的输出的功是靠焓降转变的例例2 2：紧缩机械：紧缩机械 Compressor Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机挪动电站挪动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调紧缩机紧缩机紧缩机械紧缩机械1) 体积不大体积不大2流量大流量大3保温层保温层q 0wi = -h = h1 - h2 TB T0)TB
19、(TA TB T0)的热源的热源接触，到达平衡后再被冷却到环境温度接触，到达平衡后再被冷却到环境温度T0T0，其熵变为，其熵变为SC SC ；n n试阐明这三个过程熵变的大小关系。试阐明这三个过程熵变的大小关系。6.6.熵的概念的了解熵的概念的了解n n熵是形状参数，其变化量与过程无关：熵是形状参数，其变化量与过程无关： 7.试判别以下各情况的熵变是： a正；b负；c可正可负；d零1 1闭口系阅历一可逆变化过程，系统与外界交换功量闭口系阅历一可逆变化过程，系统与外界交换功量 10kJ10kJ，热量，热量-10kJ-10kJ，系统熵变，系统熵变 。“-2 2闭口系阅历一不可逆变化过程，系统与外闭
20、口系阅历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量界交换功量10 kJ10 kJ，热量，热量-10kJ-10kJ，系统熵变，系统熵变 。“-or+3 3在一稳态稳流安装内任务的流体阅历一不在一稳态稳流安装内任务的流体阅历一不可逆过程可逆过程, ,安装作功安装作功20kJ20kJ，与外界交换热量，与外界交换热量- -15kJ15kJ，流体进出口熵变。，流体进出口熵变。“+“+oror- -4 4在一稳态稳流安装内任务的流体流，阅历在一稳态稳流安装内任务的流体流，阅历一可逆过程，安装作功一可逆过程，安装作功20kJ20kJ，与外界交换热量，与外界交换热量-15kJ-15kJ，流体进出口熵变。，流体进出口熵变。“-“-5 5流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变化，系统对外作功化，系统对外作功10kJ10kJ，此开口系统的熵变。，此开口系统的熵变。0作业n n2-4n n2-10n n2-15n n2-18第二章第二章 完完End of Chapter End of Chapter TwoTwo
