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1、第二节第二节热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics2-2 热力学第一定律的本力学第一定律的本质 1909年，年，C. Caratheodory最后完善最后完善热一概一概本本质：能量：能量转换及守恒定律在及守恒定律在热过程中的运用程中的运用 18世世纪初，工初，工业革命，革命，热效率只需效率只需1% 1842年，年，J.R. Mayer论述述热一概，但没有一概，但没有 引起注重引起注重 1840-1849年，年，Joule用多种用多种实验的一致性的一致性 证明明热一概，于一概，于1950年年发表并得到公表并得到公认闭口系循环的热一概表达式闭口系
2、循环的热一概表达式要想得到功，必需化要想得到功，必需化费热能或其它能量能或其它能量热一概又可表述一概又可表述为“第一第一类永永动机是机是 不能不能够制成的制成的Perpetual motion machine of the first kindQPerpetual motion machine of the first kind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电加加热器器内能内能内能的内能的导出出闭口系循口系循环Internal energy内能的导出内能的导出对于循于循环1a2c1对于循于循环1b2c1形状参数形状参数pV12abc内能及闭口系热一概表
3、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 形状函数形状函数 Q = dU + WQ = U + W闭口系口系热一概表达式一概表达式！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 代表某微元代表某微元过程中系程中系统经过边境交境交换的微的微热量与微功量两者之差量与微功量两者之差值，也即系，也即系统内内部能量的部能量的变化。化。 U 代表代表储存于系存于系统内部的能量内部的能量 内内储存能内能、存能内能、热力学能力学能内能的微观组成内能的微观组成分子动能分子动能分子位能分子位能 bind
4、ing forces化学能化学能 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of internal energy 挪动挪动 translation转动转动 rotation振动振动 vibration系统总能系统总能 total energy外部外部储存能存能macroscopic forms of energy宏宏观动能能 kinetic Ek= mc2/2宏宏观位能位能 potential Ep= mgz机械能机械能系系统总能能E = U + Ek + Epe = u + ek + ep普通与系普通与系统同坐同坐标，常用
5、，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 state property U : 广延参数广延参数 kJ u : 比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以以变化量出化量出现，内能零点人，内能零点人为定定热一概的文字表达式热一概的文字表达式热一概热一概: 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-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total ener
6、gy of the system=-闭口系能量方程闭口系能量方程 W普通式普通式 Q = dU + W Q = U + W q = du + w q = u + w单位工位工质适用条件：适用条件： 1任何工任何工质 2) 任何任何过程程Energy balance for closed system闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功 w 是广是广义功功Generalized Work 闭口系与外界交口系与外界交换的功量的功量 q = du + w准静准静态容容积变化功化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸拉伸= - dl外表外表张力功力功 w外表外表张力力= - dA w = pdv -
7、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可紧缩系准静系准静态过程程 w = pdv简单可可紧缩系可逆系可逆过程程 q = Tds q = du + pdv q = u + pdv热一概解析式之一一概解析式之一Tds = du + pdv Tds = u + pdv热力学恒等式力学恒等式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以房间为系系统 绝热闭口系口系闭口系能量方程口系能量方程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以房间为
8、系系统 闭口系口系闭口系能量方程口系能量方程T空空调调 QAir-conditioner开口系能量方程开口系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout能量守恒原那么能量守恒原那么进入系入系统的能量的能量 -分开系分开系统的能量的能量 =系系统储存能量的存能量的变化化Energy balance for open system开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout Q + min(u + c2/2 + gz)in- mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv这个个结果与果
9、与实验不符不符少了推少了推进功功推进功的表达式推进功的表达式推推进功流功流动功、推功、推进功功pApVdl W推 = p A dl = pV w推= pv留意：留意： 不是不是 pdv v 没有没有变化化Flow work对推进功的阐明对推进功的阐明1 1、与宏、与宏观流流动有关，流有关，流动停停顿，推，推进功不存在功不存在2 2、作用、作用过程中，工程中，工质仅发生位置生位置变化，无形状化，无形状变化化3 3、w w推推pvpv与所与所处形状有关，是形状量形状有关，是形状量4 4、并非工、并非工质本身的能量本身的能量动能、位能能、位能变化引起，化引起，而由外界而由外界泵与与风机做出，流开工机
10、做出，流开工质所携所携带的能量的能量可了解可了解为：由于工：由于工质的的进出，外界与系出，外界与系统之之间所所传送的一种机械功，表送的一种机械功，表现为流流开工开工质进出系出系统使所携使所携带和所和所传送的一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 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(
11、u + pv+c2/2 + 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：流流动时，总一同存在一同存在焓焓Enthalpy的引入的引入定定义：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、焓是形状量是形状量 state property2、H为广延参数广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh h为比参数比参数3、对流开工流开工质，焓代表能量代表能量(内能内能+推推进功功) 对静止工静止工质，
12、焓不代表能量不代表能量4 4、物理意、物理意义：开口系中随工：开口系中随工质流流动而携而携带的、取决的、取决 于于热力形状的能量。力形状的能量。稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流定流动条件条件1、2、3、轴功功Shaft work每截面形状不每截面形状不变4、Energy balance for steady-flow systems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：任何流开工任何流开
13、工质任何任何稳定流定流动过程程Energy balance for steady-flow systems技术功技术功 Technical work Technical work动能能工程技工程技术上可以直接利用上可以直接利用轴功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wsq稳流开口系流开口系闭口系口系(1kg)容容积变化功化功等价等价技技术功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容积变化功化功w技技术功功wt闭口口稳流开口流开口等价等价轴功功ws推推进功功 (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) c2/2wsgz
14、做功的根源做功的根源ws对功的小结对功的小结2、开口系，系、开口系，系统与外界交与外界交换的功的功为轴功功ws3、普通情况下忽略、普通情况下忽略动、位能的、位能的变化化1、闭口系，系口系，系统与外界交与外界交换的功的功为容容积变化功化功wwswt准静态下的技术功准静态下的技术功准静准静态准静准静态热一概解析式之一一概解析式之一热一概解析式之二一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机械能守恒机械能守恒对于流体流于流体流过管道，管道， 压力能力能 动能能 位能位能机械能守恒机械能守恒柏努利方程柏努利方程Bernoullis equation稳定流动能量方程运用举例稳定流动能量方
15、程运用举例例例1 1：透平：透平(Turbine)(Turbine)机械机械火力火力发电核核电飞机机发动机机轮船船发动机机挪挪动电站站 燃气机燃气机蒸汽蒸汽轮机机Steam turbine透平透平(Turbine)(Turbine)机械机械1) 体体积不大不大2流量大流量大3保温保温层q 0ws = -h = h1 - h20输出的出的轴功是靠功是靠焓降降转变的的例例2 2：紧缩机械：紧缩机械 Compressor Compressor火力火力发电核核电飞机机发动机机轮船船发动机机挪挪动电站站 压气机气机水水泵制冷制冷空空调紧缩机机紧缩机械紧缩机械1) 体体积不大不大2流量大流量大3保温保温层
16、q 0ws = -h = h1 - h20输入的入的轴功功转变为焓升升例例3 3：换热设备：换热设备Heat ExchangersHeat Exchangers火力火力发电：锅炉、凝汽器炉、凝汽器核核电：热交交换器、凝汽器器、凝汽器制冷制冷空空调蒸蒸发器、冷凝器器、冷凝器换热设备换热设备热流体放流体放热量：量：没有作功部件没有作功部件热流体流体冷流体冷流体h1h2h1h2冷流体吸冷流体吸热量：量：焓变例例4 4：绝热节流：绝热节流Throttling Throttling ValvesValves管道管道阀门制冷制冷空空调膨膨胀阀、毛、毛细管管绝热节流绝热节流绝热节流流过程，前后程，前后h不不变，但，但h不是不是处处相等相等h1h2没有作功部件没有作功部件绝热
