工程热力学3内能与热力学第一定律.doc
工程热力学-热力学第一定律
减排措施
根据热力学第一定律，减少不必要的能量损失和排放是可行的，例如通过改进设备的保温性能和减少 散热损失来降低能耗。
环境保护
可持续发展
减少污染
热力学第一定律强调能量的有效利用和转换， 这有助于推动可持续发展，通过更环保的方 式满足人类对能源的需求。
该定律是热力学的基本定律之一，它 为能量转换和利用提供了理论基础。
内容
热力学第一定律可以表述为：在一个封闭系统中，能量总和保持不变，即能量转 换和传递过程中，输入的能量等于输出的能量加上系统内部能量变化。
该定律强调了能量守恒的概念，即能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化 为另一种形式。
符号和单位
热力平衡状态下的应用
能量转换
热力学第一定律可以用于分析能量转 换过程，如燃烧、热电转换等，以确 定转换效率。
热力设备设计
在设计和优化热力设备时，如锅炉、 发动机等，可以利用热力学第一定律 来分析设备的能量平衡，提高设备的 效率。
非平衡状态下的应用
热传导
在研究非平衡状态下的热传导过程时， 可以利用热力学第一定律来分析热量传 递的方向和大小。
VS
热辐射
在研究物体之间的热辐射传递时，可以利 用热力学第一定律来分析辐射能量的交换 。
热力过程的应用
热力循环
在分析热力循环过程，如蒸汽机、燃气轮机等，可以利用热力学第一定律来计算循环效 率。
热量回收
在热量回收过程中，如余热回收、热泵等，可以利用热力学第一定律来分析回收效率。
04 热力学第一定律的推论
熵增原理
定义
熵增原理是热力学第二定律的一个推论，它指出在一个封 闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行。
第3章 热力学第一定律讲解
A
B
解
mA
PAVA RTA
686 2.5 0.287 353
16.91kg
mB
PBVB RTB
980 1 0.287 303
11.26kg
m mA mB 28.17kg
V VA VB 3.5m3
W 0
Q U mcvT2 (mAcvTA mBcvTB )
c12
gz1)
Ws
m2
(h2
1 2
c22
gz2
)
dE CV
整理得
Q
m2 (h2
1 2
c22
gz2 ) m1(h1
1 2
c12
gz1
)
dE CV
Ws
使用范围：
开口系统与闭口系统 稳定与非稳定流动 可逆与不可逆过程
二、应用
无限大的容器（或管网）给有限大的容器充气问题
①分子动能：平动动能、转动动能、振动 动能，由系统的温度决定。
②分子位能：分子间的作用力，由气体 的比容决定。 对于理想气体，分子间无作用力，故u=f(T)。
2、外储存能 ①系统的宏观动能
E 1 mc2 k2
②系统的重力位能（相对系统外某一坐标系而言）
E mgz p
对于理想气体而言,系统的储存能为：
了储存能之外，还得到了流动功。同样，流出控制体时，除
输出了储存能之外，还输出了流动功。因此，质量为m1的工 质工质流入控制体传递给系统的能量为：
U1
1 2
m1c12
(精品)工程热力学课件：热力学第一定律
恒定流量
流过系统任何断面的质量相等
m1 m2 m
恒定参数
进入的能量与离开的能量相等
dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
稳态稳流 m1 m2 m
dEcv 0
Q
(h2
1 2
c22
gz2
)
m
(h1
( Q W ) ( Q W ) 0
1b 2
2 c1
( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
p1
b
a c
2
V
与路径无关
用dU表示
是某状态函数的全微分
热力学能的物理意义
dU = Q - W
Q
W
dU 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。
气轮机 1.5MPa 320℃
0.6m3
例题
大储气罐蒸汽状态稳定，管道
气轮机
内的蒸汽量可忽略。 绝热，忽略动、位能，没有质
1.5MPa 320℃
0.6m3
量流出。
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
2
2
2
1 dEcv 1 h1 m1 1 Ws
Q
2
可逆过程的技术功
w ( pv) wt
w d ( pv) wt
可逆过程 pdv d ( pv) wt
3 热力学第一定律
2
3.4.4
绝热过程
3.4.4.1 状态参数的变化规律
cv dT pdv 0
cv ( pdv vdp) pdv 0 R
c p cv R
k cp cv
(cv R) pdv cv vdp 0
c p pdv cv vdp 0
过程方程 pv 常数
k
求积分 k dv dp 0 v p
热力过程中的状态参数变化规律
理想气体，在任何过程中
内能变化： du cv dT
焓的变化：
dh c p dT
熵的变化量：由定义和过程进行的条件求出
q ds T
3.4.6 在p-v图、T-s图上绘制过程线
p
3' 4
2'
'
1
T
4'
1 2 n0
n0
0
2
3'
0
o
n 1'
3 n 1 4 nk
3.1.2 内能的导出
p
c 2
如图3－1所示的闭口系统， 经历一个热力循环。热力学 第一定律被表述为：
a
b
1
Q W 0 Q W Q W 0 1a 2 2 b1
v
1c 2
o
Q W Q W 0
2 b1
5
图3－1 闭口系统的热力循环
的热力过程中，能量在传递和转换前后的总量维
持恒定。
主要涉及的能量： 功量 热量 内能
3
3.1.1 内能—internal energy
工质的内能是绝对温度T和比体积v的函数，即：
u f (T ,v)
工程热力学 第2章 热力学第一定律
δWtot
δmi ei
δQ
E
δm j e j
E+dE
δQ = dE + ⎡Σ ( ej δmj ) −Σ ( eiδmi ) ⎤ + δWtot ⎣ ⎦
或
τ
τ + dτ
Q = ΔE + ∫ ⎡Σ( ej δmj ) −Σ( eiδmi ) ⎤ +Wtot ⎦ τ1 ⎣
τ2
dE Φ= + ⎡Σ ( ej qmj ) −Σ ( ei qmi ) ⎤ + P ⎣ ⎦ tot dτ
二、总（储存）能(total stored energy of system) 热力学能，内部储存能
E =U+Ek +Ep
宏观动能 宏观位能 总能 外部储存能
e =u+ek +ep
3
外部储存能 宏观动能：质量为m的物体以速度cf运动时，该物 体具有的宏观运动动能为：
1 2 Ek = mc f 2
重力位能：在重力场中质量为m的物体相对于系统 外的参数坐标系的高度为z时，具有的重力位能为：
1 2 q − Δu = Δc f + gΔz + Δ( pv ) + wi 2
维持工质流动所需的流动功
21
稳定能量方程的物理意义：工质在状态变化过程 中，从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功。 技术功：技术上可资用的功，其数学表达式为：
由
1 2 wt = wi + Δc f + gΔz 2 q − Δu = w
E p = mgz
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数∂U ⎞ ⎛ ∂U ⎞ dU = ⎜ ⎟ dT + ⎜ ⎟ dV = cV dT + ⎢T ⎜ ⎟ − p ⎥ dV ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂V ⎠T ⎣ ⎝ ∂T ⎠V ⎦
工程热力学第三章热力学第一定律教案
第三章 热力学第一定律热力学第一定律是研究热力学的主要基础之一，也是分析和计算能量转化的主要依据，并且在我们以后的几章分析中也离不开它。
对其他热力学理论的建立也起着非常重要的作用。
热一律的建立1840—1851年间，迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨建立了热力学第一定律，它指出了能量转化的数量关系，随着分子运动论的建立和发展，肯定了热能与机械能相互转化的实质是热能与机械能都是物质的运动，其相互转化就是物质由一种运动形态转变为另一种运动形态的运动且转化时能量守恒，把能量守恒定律应用于热力学，就叫做热力学第一定律，至此热力学第一定律完全建立。
本章重点：1 讨论热力学第一定律的实质。
2 能量方程的建立及工程实际中的应用。
3—1 热力学第一定律的实质实质：热一律的实质是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
能量转化守恒定律指出：在自然界中，物质都具有能量，能量有各种不同的形式，既不能创造，也不能随意消失，而只能从一种形态转化成另一种形态。
由一个系统转逆到另一个系统。
在能量转化和传递过程中，能量的总和保持不变，这个定律对任何一个系统都可写成∆⇒⇒//系统进入 离开即输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存的能量的变化量。
能量守恒定律不适从任何理论推导出来的，而是人类在长期的生产斗争和科学实验中积累的丰富经验的总结，并为无数实践所证实。
它是自然界中最普遍、最基本的规律之一。
普遍适用于机械的、热能的、电磁的、原子的、化学的等多变过程。
物理学中的功能原理、工程力学中的机械能守恒定律等。
其实质都是能量守恒与转化定律，热一律就是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
这个定律指出，热能与其它形式的能量相互转化和总能量守恒。
机械能 热能 化学能 电磁能在本课程范围内主要是热能与机械能的相互转化，因此：热一律也可表示为：热→功，功→热。
一定量热消失时，必产生与之数量相当的功。
消耗一定量的功时，必产生相当数量的热。
用数学形式表示：Q AW = 1427kcalA kg m =⋅W TQ = 1kg m J kcal A⋅=Q W = kJ这一关系表明，热一律确立了热与机械能相互转化时，热量与功量在数量上的关系。
工程热力学与传热学3)热力学第一定律
工质的总储存能E（简称总能）= 内部储存能+外部储存能=热力学能+宏观运动 动能+位能
E =U+Ek+Ep
内部储存能 外部储存能
（3.1）
• •
dE=dU+dEk+dEp ΔE=ΔU+ΔEk+ΔEp
（3.2） （3.3）
E =U+Ek+Ep
Ek=(mcf2)/2 Ep=mgz （3.4）
1 2 E U mcf mgz 2
例题3.2附图
（1）首先计算状态1及2的参数：
p1=p0+F1/A=771×133.32+195×9.81/0.01=2.941×105 (Pa) V1=h×A=0.1×0.01=10-3 (m2) p2=p0+F2/A=771×133.32+95×9.81/0.01=1.960×105 (Pa)
3.3.2 功量
功源的不同形式
电功 磁功 机械拉伸功 弹性变形功 表面张力功 膨胀功 轴功
（1）膨胀功（容积功） 与系统的界面移动有关 • 定义：热力系统在压力差作用下因工质容 积发生变化而传递的机械功。
• 热量转换为功量→工质容积发生膨胀→产 生膨胀功 • 闭口系统膨胀功：通过热力系统边界传递 开口系统膨胀功：通过其他形式传递
• 热力学第一定律解析式：热力学第一定律 应用于闭口系统而得的能量方程式，是最 基本的能量方程式 • Q = ∆U + W
一部分用于增加 工质的热力学能 储存于工质内部
一部分以作功的方 式传递至环境
• 热力学第一定律解析式的微分形式： • • • δQ＝dU+δW （3.10） • 对于1kg工质： q＝Δu+w δq＝du+δw （3.11） （3.12）
工程热力学-第二章热力学第一定律
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开口系能量方程的推导
uin pvin gzin Wnet mout uout pvout 1 2 c gzout 2 out min 1 2 cin 2
Q
Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
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内能U 的物理意义
dU = Q - W
dU 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）
Q
W
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内能的性质
内能
分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用产生，对气体是温度和比容的函数） 核能（不考虑） 化学能（不考虑）
2
1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg
q h ws
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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
蒸汽轮机
燃气轮机
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火力发电装置
汽轮机
过热器
ws
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做功的根源
w
wt
△(pv)
g△ z ws
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准静态下的技术功
w ( pv) wt
准静态
w d ( pv) wt
pdv d ( pv) wt
工程热力学复习资料-热力学第一定律
四、焓的定义：
H U pV h u pv
焓的单位：J，比焓的单位：J/kg
焓是状态参数
h f ( p, v), h f ( p, T ), h f (T , v)
h1 a 2 h1b 2
2
1
dh h2 h1
dh 0
焓的意义：
A
T
TA
p BV B RT
B
T
TB 0
p AV A p B V B T T AT B p V T p V T B B A A A B
p mRT VA VB
p AV A p B V B VA VB
m A
m B RT
q du w
对于循环：
Q dU W
dU 0
Q W
闭系能量方程总结：
Q U W
Q dU W
m m
kg工质经过有限过程 kg工质经过微元过程
q u w
1
1
kg工质经过有限过程
kg工质经过微元过程
答：(1)抽去隔板后气体迅速充满整个刚 性容器，此过程发生后，气体无法恢复 到原来状态，因此为不可逆过程。气体 没有对外界作功。 (2)每抽去一块隔板，让气体恢复平衡 后再抽去一块，此过程可看作准平衡过 程，气体作功，可以看作是把隔板缓慢 地往右推移。
(3)第一种情况是不可逆过程，所以从初 态变化到终态不能在p-v图上表示；第二 种情况是准平衡过程，所以可以用实线 在p-v图上表示。
进入系统 － 离开系统 ＝ 系统中储存 的能量 的能量 能量的增加
闭口系统的能量方程 闭口系统的能量方程是热力学第一定律在 控制质量系统中的具体应用，是热力学第 一定律的基本能量方程式。
工程热力学-第三章热力学第一定律-能量方程
最终形式
Qபைடு நூலகம் E
2 1
ejδmj
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能和位能的变化量
E U
δmi 0 δmj 0
δq du δw q u w δQ dU δW Q U W
第一定律第一解析式
02
2.2 开口系统稳态稳流能量方程
g z2 z1
（C）
热能转变 成功部分
流动功
机械能增量
02
第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
q
h2
h1
1 2
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
q h wt δq dh δwt
2
q h 1 vdp
稳定流动特征 1）各截面上参数不随时间变化。
推导过程
流入系统的能量:
qm1
u1
p1v1
cf21 2
gz1
2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0···
流出系统的能量:
Ps
qm2
u2
p2v2
1 2
cf22
gz2
系统内部储能增量: ΔECV
流出：δW δmjej
δQ
d 内部贮能的增量：dE
δQ dE ejδmj eiδmi δWtot
Q E
工程热力学热力学第一定律
注意：工程热力学中只考虑内动能和内位能。
所以有：
u=f(T,v)
9
3.热力学能特性：
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数； 其变化量与过程无关，只与初终状态有关；
p
U1a 2 U1b 2 U 2 U1 U1a 2b1 0
0
1
b
a
2
v
10
二、外部储存能
需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来 表示的能量，称为外部储存能，它包括系统 的宏观动能和重力位能。 宏观动能： 1 2
解：(1)不计汽轮机散热时：
根据稳定流动的能量方程式可得，蒸汽每小时在汽轮机中所做的轴功为 Ws=qm(h1－h2)=40×103×(3263－2232)=4.14×107kJ/h 则汽轮机的功率为：
(2)考虑汽轮机散热时： Ws′=qm(h1－h2)+Q=40×103×(3263－2232)－4×105=4.1×107kJ/h 此时汽轮机的功率变为：
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一、稳定流动的能量方程式
如图所示，在单位时间内： c1 1kg工质带入系统的能量： （1）焓h1 （2）宏观动能1/2c12 （3）重力位能gz1 1kg工质带出系统的能量： z1 （1）焓h2 （2）宏观动能1/2c22 （3）重力位能gz2 同时，在单位时间内，外界 加入热量q，系统对外输 出轴功wS
1 2 所以： w ( pv ) c gZ ws pv wt 2
1 2 wt c gz ws ws 2
不计动能和位能变化时
比较：在闭口系中，工质的体积变化功直接表现为对外膨胀 做功；而在开口稳流系统中，工质的体积变化功表现为：维持 工质流动所必须支付的流动净功、工质本身动能和位能的增加、 对外输出的轴功。 （两个能量方程的本质是相同的）
工程热力学3 内能与热力学第一定律
第三章内能与热力学第一定律3.1 能量守恒－热力学第一定律的实质能量守恒原理——自然界一切物质都具有能量。
能量可从一种形式转变为另一种形式，但不能创造，也不能消灭，能量的总量是恒定的。
本质分析：运动是物质的固有属性，是物质的存在形式，没有运动的物质正如没有物质的运动一样不可思议。
能量是物质运动的度量，物质存在各种不同形态的运动，因而能量也具有不同的形式。
各种运动形态可以相互转化，这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。
能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力。
物质和能量相互依存。
既然物质不能创造和消灭，能量也就不能创造和消灭。
能量守恒反映的是物质世界运动不灭、生生不息这一事实。
目前，能量这一概念已贯穿了所有物理学科，并已成为物理学中统一的概念之一。
热力学第一定律－－在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量保持恒定。
热力学第一定律实质上是能量转化与守恒原理在热现象中的运用。
它给出了热能传递以及与其它形式能量转化所遵从的原则，是对任何热力系、任何过程中的各种能量进行定量分析的基本依据。
它的建立同时宣告了那种不耗费任何能量，就可连续不断对外作功的所谓第一类永动机是造不成的。
3.2 内 能3.2.1 状态参数－－内能我们在第一章介绍了热和功的概念，现在将它们联系起来。
让系统按一定的方式由初始平衡态1改变到终了平衡态2，过程中系统吸收的净热量⎰21Q δ为Q ，而系统所作之净功⎰21W δ为W 。
然后来计算W Q -。
再次让系统从同一个初态1开始而改变到同一个终态2，但是这一次是按另一方式而经历一条不同的路径。
多次进行这样的实验，但每次所取的路径不同。
我们就会发现，在每一情形中，W Q -都相同。
也就是说，虽然Q 与W 各自与所取路径有关，但W Q -与却与系统从初态1改变到终态2的路径完全无关，而只与初、终两个（平衡）状态有关。
图3-1 不同路径的热力过程结论：在热力学中，存在着一个状态函数，这个函数在系统终态时的数值减去它在系统初态时的数值就等于这个过程中的变化量W Q -。
工程热力学第三章 热力学第一定律
进入控制体的能量Q(h11 2c12gz1)m1
离开控制体的能量W s(h21 2c2 2gz2)m 2
控制体储存能变化： dE cv(EdE )cvE cv 根据热力学第一定律建立能量方程
Q(h11 2c1 2gz1)m 1(h21 2c2 2gz2)m 2W sdEcv Q(h21 2c2 2gz2)m 2(h11 2c1 2gz1)m 1W sdEcv
可逆过程能量方程
可逆过程能量方程 以下二式仅适用可逆过程：
q du pdv
2
q u pdv 1
闭口系统能量方程反映了热功转换的实质，是热 力学第一定律的基本方程式，其热量、内能和膨 胀功三者之间的关系也适用于开口系统
二、热力学第一定律在循环过程中的应用
q12 u2 u1 w12 q23 u3 u2 w23 q34 u4 u3 w34 q41 u1 u4 w41
h g i hi i 1
n
H n H i i 1
只有当混合气体的组成成分一定时，混合气体 单位质量的焓才是温度的单值函数
第六节 稳态稳流能量方程的应用
一、动力机
利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备
由q
(h2
h1)
1 2
(c22
c12
)
g(z2
z1)
ws
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
pv
对 移 动 1kg工 质 进 、 出 控 制 净 流 动 功
w
＝
f
p 2 v 2－
p1v1
流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口
界面工质的热力状态
工程热力学 第二章 热力学第一定律
是系统为维持工质流动所需的功
对推动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在 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
The work depends on the process path
作功的说明
“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。
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。
机械能与机械功、电能与电功等同吗？
系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。 功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。
实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用
• 18世纪初，工业革命，热效率只有1% • 1842年，J.R. Mayer阐述热力学第一定律， 但没有引起重视
• 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热力学第一定律，于1850年发表并得 到公认
热力学第一定律的普遍表达式
第一定律的表述： 热是能的一种，机械能变热能，或热能 变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时 必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相 应量的热。
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”。
功是有序能量传递。
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 称放热为负
能量与热力学第一定律
能量与热力学第一定律本章提要及安排本章提要:本章阐明热力学第一定律的实质一一能量守恒，给出了热力学第一定律的基本表达式及其对开口系统的表达式，导出了工程上具有重要意义的稳定流动能量方程式，简单介绍了非稳定流动的能量方程，举例说明了热力学第一定律在不同工程问题上的具体应用。
本章要求:1．深刻认识热力学第一定律的实质——能量守恒。
2．了解热和功是系统与外界交换能量的两种方式，知道其定义、特性及计算方法。
3．掌握热力学第一定律能量方程的基本表达式及稳定流动能量方程，并对非稳定流动能量方程有初步的认识。
4．了解热力学第一定律对工程实践的指导作用，能灵活运用能量方程对实际工程中的能量转换过程进行分析、计算和研究。
学习建议：本章学习时间建议共4学时：1．功、热与热力学第一定律的实质1学时2．循环的第一定律表达式及推论；热力系与外界的物质交换1学时3．热力学第一定律的表达式1学时4．能量方程式的应用；非稳定流动的能量方程式1学时2.1功、热与热力学第一定律的实质本节知识点：热力学第一定律的实质功热本节参考图片：永动机焦耳本节典型例题：例题2.1`本节基本概念：能量转换与守恒定律热力学第一定律功准静功热2．1．1热力学第一定律的实质热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定热力过程中各种能量在量上的相互关系。
运动是物质存在的形式，是物质固有的属性，没有运动的物质正如没有物质的运动一样是不可思议的。
能量是物质运动的度量。
物质存在各种不同形态的运动，因而能量也具有不同的形式。
各种运动形态可以相互转化，这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。
各种能量的相互转换是人类在实践中的一个伟大的发现。
在研究能量的转换中，人们首先关心的是各种能量在其相互转换过程中彼此之间量的关系。
物质和能量是相互依存的，既然物质是某种既定的东西，是某种既不能创造也不能消灭的东西，那么能量也就是不能创造也不能消灭的。
如果我们创造了或消灭了任何能量岂不是意味着与之相伴存在的某些物质的创造或消灭吗能量守恒反映了物质世界中运动不灭这一事实。
工程热力学第六版素材第三章 热力学第一定律
第三章 热力学第一定律本章要求：掌握储存能、热力学能、焓的物理意义，掌握膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别，熟练选取热力系统，应用热力学第一定律解决具体问题。
1.基本概念热力学第一定律:能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定，这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律。
把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程，即为热力学第一定律。
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，称为第一类永动机。
热力学能：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和。
外储存能：也是系统储存能的一部分，取决于系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。
这两种能量统称为外储存能。
轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
流动功（或推动功）：当工质在流进和流出控制体界面时，后面的流体推开前面的流体而前进，这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。
因此，流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。
焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。
对于流动工质，焓=内能+流动功，即焓具有能量意义；对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数。
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。
技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。
动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。
压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。
节流：流体在管道内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象。
2.常用公式外储存能：1．宏观动能：221mc E k =2．重力位能：mgz E p =式中g —重力加速度。
工程热力学-第三章热力学第一定律-焓
CONTENTS
01. 焓之缘起 02. 焓之表达 03. 焓之特性
01. 焓之缘起
随物质流传递的能量 01
储存能
流动功
流动工质本身所具有的 内能、宏观动能、重力位 能，随工质流进（出）控 制体而带进（出）控制体。
E =U+mc2/2+mgz J e=u+ c2/2+gz J/Kg
带的、取决于热力状态的 能量。
03. 焓之特性
03
特性
焓是状态量
H为广延参数 对流动工质，焓
H=U+pV = m(u+pv) = mh
h为比参数
代表能量(内能+ 推进功) 对静止工质，焓 不代表能量
THANK YOU
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 出系统使所携带和所传递的一种能量
02. 焓之表达
02
焓 e=u+ c2/2+gz+pvu+pv 单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg）
物理意义： 属于引进或排出工质而输
入或排出系统的能量。 开口系中随工质流动而携
系统引进或排出工质传递 的功量。
pAH pv
01 净流动功：系统维持 流动所花费的代价。
p2v2 p1v1( [ pv])
流动功在p-v图上的表 示
01
对流动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、wf＝pv与所处状态有关，是状态量 4、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，流动工质所携带的能量
工程热力学 第2章 热力学第一定律
6
可逆膨胀过程：
系统内部准静→系统的压力与外界压力相差只是无穷小 →可看作过程中P=Ps→微元过程中系统对外界所作的膨 胀功可完全用系统内部参数表示：
W PdV
对1kg工质的微元过程 对1→2的有限过程
m kg工质：
w Pdv
1 kg工质：
以上公式适用于任何简单可压缩物质可逆过程
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• 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；传热是微观粒
子间无序运动能量的传递
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⑵ 可逆过程的热量计算
①利用熵参数进行热量计算
热力学状态参数熵的定义
经历可逆的微元过程时，系统的熵变 量dS等于该微元过程中系统所吸入的热 量đQ与吸热当时的热源温度T之比
这时
E=U
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§2.5 控制质量(CM)能量分析
⑴热力学第一定律基本表达式
控制质量 热力过程中吸入热量Q， 对外界作功W，热力学能增加∆U 根据热力学第一定律
Q = ∆E + W W——广义功
输入能量 贮能增量 输出能量
若系统固定不动，U=E，则
Q = ∆U + W
对于微元能
⑴状态参数热力学能
物质内部拥有的能量统称为热力学能（内能）
分子平移运动、转动和振动的动能（内动能） 分子间因存在作用力而相应拥有的位能(内位能) 维持一定分子结构的化学能、分子的结合能 U 电偶极子和磁偶极子的偶极矩能 原子核能（原子能） ……（电子的运动能量等）
第2章 热力学第一定律
( The First Law of Thermodynamics )
主要内容
工程热力学(热力学第一定律)
e u 1 c2 gz 2
三、闭口系的能量方程——热力学第一定律基本表达式
Q U W
q u w
可逆： 微元：
2
Q U pdV 1
或
2
q u pdv 1
Q dU W 或 q du w
可逆： Q dU pdV 或 q du pdv
•工程热力学 Thermodynamics
五、 焓
•工程热力学 Thermodynamics
定义式 H U pV
比焓 h H u pv
m
物理意义： 焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带
的取决于热力学状态的总能量。
•工程热力学 Thermodynamics
第六节 能量方程的应用
一 叶轮式机械 1、动力机（汽轮机，燃气轮机）
气，带动此压气机要用多大功率的电动机？
解（1）系统为闭口系，能量方程为：
q u w
则
w q u 50 150 200 kJ kg
•工程热力学 Thermodynamics
（2）系统 可视为稳定流动系统（如图所示）则能量方程为：
q
h
1 2
c
2
g
z
wsh
由： c2 0, gz 0
得： wsh q h q [u ( pv)] (q u) ( pv)
—热力学第一定律基本表达式
一、能量方程：
Esy U
(e2 m2 e1 m1) 0
Q U W 或
Wtot W
q u w
Q Esy (e2m2 e1m1) Wtot
二、分析 ：
Q U W
外热能
内热能
热能
体积变化功
机械能
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第三章内能与热力学第一定律3.1 能量守恒－热力学第一定律的实质
能量守恒原理——自然界一切物质都具有能量。
能量可从一种形式转变为另一种形式，但不能创造，也不能消灭，能量的总量是恒定的。
本质分析：运动是物质的固有属性，是物质的存在形式，没有运动的物质正如没有物质的运动一样不可思议。
能量是物质运动的度量，物质存在各种不同形态的运动，因而能量也具有不同的形式。
各种运动形态可以相互转化，这就决定了各种形式的能量也能够相互转换。
能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的无限能力。
物质和能量相互依存。
既然物质不能创造和消灭，能量也就不能创造和消灭。
能量守恒反映的是物质世界运动不灭、生生不息这一事实。
目前，能量这一概念已贯穿了所有物理学科，并已成为物理学中统一的概念之一。
热力学第一定律－－在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后能量的总量保持恒定。
热力学第一定律实质上是能量转化与守恒原理在热现象中的运用。
它给出了热能传递以及与其它形式能量转化所遵从的原则，是对任何热力系、任何过程中的各种能量进行定量分析的基本依据。
它的建立同时宣告了那种不耗费任何能量，就可连续不断对外作功的所谓第一类永动机是造不成的。
3.2 内 能
3.2.1 状态参数－－内能
我们在第一章介绍了热和功的概念，现在将它们联系起来。
让系统按一定的方式由初始平衡态1改变到终了平衡态2，过程中系统吸
收的净热量⎰21Q δ为Q ，而系统所
作之净功⎰21W δ为W 。
然后来计算W Q -。
再次让系统从同一个初态
1开始而改变到同一个终态2，但是这一次是按另一方式而经历一条不同的路径。
多次进行这样的实验，但每次所取的路径不同。
我们就会发现，在每一情形中，W Q -都相同。
也就是说，虽然Q 与W 各自与所取路径有关，但W Q -与却与系统从初态1改变到终态2的路径完全无关，而只与初、终两个（平衡）状态有关。
图3-1 不同路径的热力过程
结论：在热力学中，存在着一个状态函数，这个函数在系统终态时的数值减去它在系统初态时的数值就等于这个过程中的变化量W Q -。
这一状态函数的物理含义是什么？
Q 是通过热量传递而加进系统的能量，而W 是系统做功过程中所放出的能量，因此，W Q -应为系统从外界得到的净能量。
由热力学第一定律，这一能量不会自行消失，必等于系统内部能量的增加。
故我们称这个函数为内能函数，用字母U 表示。
系统在终态2的内能减去系统在初态1的内能就是系统内能的变化，这个量具有一个确定的值，它不依赖于系统怎样由初态1变到终态2的过程。
U U U ∆=-12
（3-1） W Q U -=∆ （3-2） 微分形式
W Q dU δδ-= （3-3） 正如势能一样，对于内能来说，重要的也是它的变化。
如果把某一标准参考态的内能定为某一任意值，则对其它任何态的内能就可以确定一个值。
热力学第一定律的一个重要推论——状态参数内能存在。
由式（3-2）或式（3-3），第一定律还同时提供了定量测定内能变化的方法。
微观分析：内能是系统内物质微观粒子所具有的能量。
按尺度大小，它可分为多个层次。
由物体表面向内首先是分子尺度，内能包括分子无规则移动、转动、振动运动的动能，以及由于分子间相互作用力而具有的势能；在分子尺度以下，内能还包括不同原子束缚成分子的能量，电磁偶极矩的能量；在原子尺度内，内能还包括自由电子绕核旋转即自旋的能量，自由电子与核束缚成原子的能量，核自旋的能量；在原子核尺度以下，内能还包括核能，等等。
热力系所进行的过程往往不涉及分子结构及核的变化，此时系统内部的化学能和核能等可不考虑。
因此，热力学中的内能一般只停留在最上面的层次－－分子尺度（单质为原子或离子）上，如不特别说明，仅指分子热运动的各种动能和分子间相互作用引起的势能。
我们通常讲的热能也就是这一层次的内能。
既然内能U是状态参数，因此可用其它独立状态参数表示。
如对简单可压缩系，其内能可表示为
()V
T
f
U,
=或()p
T
f
U,
=；()V
p
f
U,
=（3-4）内能中分子热运动的动能只是温度的函数，而分子间相互作用的势能还与分子间距离，即与物质所占的体积有关。
内能U作为一种能量，其法定计量单位也是焦耳，用字母J表示。
单位质量的内能称为比内能，用小写字母u表示，单位是kg
J/。
3.2.2 总能
内能是储存于系统内部的能量。
若系统整体在作宏观运动和／或处于引力场中，则其外部还储存有规则运动的动能及势能。
则系统的总储存能（简称总能，用E 表示）
P K E E U E ++=
（3-5） 或 mgz mc U E ++=221
（3-6）
式中，c 、z 是系统在某一外部参考坐标系中的速度和高度。
单位质量的总能，即比总能e gz c u e ++=221
（3-7）
若考虑外部储存能，则由热力学第一定律，式（3-1）和（3-2）应分别表示为
W Q E -=∆
（3-8） W Q dE δδ-=
（3-9）
总能中的内能、动能和势能都是储存能，是系统在某一状态下所含有的能量，但我们不能说系统含有多少热或功。
因功、热都是转换中的能量，采用不同的方式、路径使系统从初始状态达到相同的终态，其可有不同的值，也即其在某一状态下没有确定的值。
3.3 焓
3.31 推动功和流动功
将物质送入或送出具有一定压力的热力系是要做功的。
如图3-2所示，设某开口系统进口处的压力为1p ，欲克服这一压力将一定量的
物质从该开口系的进口送入，外界需做的功为
11111111V p L A p L F W ===
式中1F 、1L 、1A 和1V 分别为进口处外界需施加的力、移动的距离、截面积及物质所占的体积。
同样，若要将物质从开口系的出口送出，而出口处的压力为2p ，物质所占的体积为2V ，则系统需做的功为
222V p W =
它们都具有相同的形式，即
pV W = （3-10） 我们称其为推动功。
它是将处于压力p ，体积为V 的111v p c 图3-2 开口系统能量平衡。