工程热力学2热力学第一定律
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工程热力学-热力学第一定律
热力学第一定律的应用有助于开发更高效的节能技术，如改进热力发动机的效率，优化建筑物的能源 性能等。
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。
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。
工程热力学 第2章 热力学第一定律
6
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 ⎦
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2章--热力学第一定律)
第一篇 工程热力学
第二章 热力学第一定律
本章主要内容
热力学第一定律的实质 系统储存能 闭口系能量方程 状态参数焓 开口系能量方程及其应用
2
2-1 热力学第一定律的实质
➢19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生） 发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯 将其列为19世纪三大发现之一（细胞学说、 达尔文进化论）。
5
永动机设想？
Q
电
锅 炉
加 热 器
汽轮机 发电机
凝
给水泵
汽
器
Wnet
Qout
6
2-2 系统储存能
➢ 能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形 态，相应的就有各种不同的能量。
➢ 系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能 与外部储存能之分。
系统储存能
内部储存能 （热力学能）
外部储存能 （宏观机械能）
➢能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有 能量。能量既不可能被创造，也不可能被消 灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变 为另一种形式。而在转换过程中，能的总量 保持不变。
3
实质：热力学第一定律是能量转换与守恒 定律在热力学中的具体应用。
热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：
宏观物体的机械运动 微观分子的热运动
说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机
功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热 过程来分析是合理的。
30
例2-3 某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸
汽锅每焓炉小为的时h效的2=率燃33煤η92量炉.=3B9K？2J%/，kg标，准锅煤炉发进热口量给q水煤=焓29为27h01=K1J1/9k7g.，3K求J/锅kg炉，
第二章 热力学第一定律
本章主要内容
热力学第一定律的实质 系统储存能 闭口系能量方程 状态参数焓 开口系能量方程及其应用
2
2-1 热力学第一定律的实质
➢19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生） 发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯 将其列为19世纪三大发现之一（细胞学说、 达尔文进化论）。
5
永动机设想？
Q
电
锅 炉
加 热 器
汽轮机 发电机
凝
给水泵
汽
器
Wnet
Qout
6
2-2 系统储存能
➢ 能量是物质运动的度量，运动有各种不同的形 态，相应的就有各种不同的能量。
➢ 系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能 与外部储存能之分。
系统储存能
内部储存能 （热力学能）
外部储存能 （宏观机械能）
➢能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有 能量。能量既不可能被创造，也不可能被消 灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变 为另一种形式。而在转换过程中，能的总量 保持不变。
3
实质：热力学第一定律是能量转换与守恒 定律在热力学中的具体应用。
热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：
宏观物体的机械运动 微观分子的热运动
说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机
功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热 过程来分析是合理的。
30
例2-3 某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸
汽锅每焓炉小为的时h效的2=率燃33煤η92量炉.=3B9K？2J%/，kg标，准锅煤炉发进热口量给q水煤=焓29为27h01=K1J1/9k7g.，3K求J/锅kg炉，
哈工大工程热力学(2)热力学第一定律PPT课件
w (p 2 v 2 p 1 v 1 ) 1 2 (c 2 2 c 1 2 ) g (z 2 z 1 ) w sh
29
总功（Ｗtot）、膨胀功（Ｗ）、技术功 （Ｗt）和轴功（Ｗsh ）之间的区别和内在
联系
膨胀功、技术功、轴功孰大孰小取决于
1 2
(c22
c12
)
、g(z2z1) 、 (p2v2p1v2)
dm m 1m 2
根据热力学第一定律可知： 加入热力系的能量的总和 - 热力系输出的 能量的总和 =热力系总能量的增量
（ Q e 1 m 1 ） ( W t o t e 2 m 2 ) ( E d E ) E
7
微分式
Q d E ( e 2m 2 e 1m 1 ) W tot
4
二、热力学第一定律表达式
１. 一般热力系能量方程
热力学第一定律基本表达式
热力系总能量为E (图2-1a)。它是热力学 能(U)、宏观动能 (EK) 和重力位能 (EP) 的 总和：
EUEkEp
5
热力系如图2-1中虚线 所包围的体积所示
6
根据质量守恒定律可知 热力系质量的变化等于流进和流出质量的差
ep2
p2v2
h2
c22 2
gz2
e1
p1v1
u1
ek1
ep1
p1v1
h1
c12 2
gz1
最后得 q(h2 h1)12(c22 c12)g(z2 z1)wsh
23
适用条件：稳定流动开口系、任何工质、
任何过程 对流动工质, 焓可以理解为流体向下游传
送的热力学能和推动功之和
24
5、能量方程之间的内在联系、热变功的本质
工程热力学 第二章 热力学第一定律
wt
1 2
cf22
cf21
gz2
z1 ws
(2-11)
将轴功的表达式代入上式，即有：
2
1 d ( pv)
2
2
1 pdv 1 vdp
wt 12 pdv p2v2 p1v1 12 vdp (2-11a)
由上式可知，准静态过程的 技术功的大小可用过程线左边的 面积来表示。
准静态 pdv d( pv) wt
wt pdv d( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
wt vdp wt vdp
准静态
q du pdv
q dh vdp
热一律解析式之一 热一律解析式之二
技术功在示功图上的表示
q12 (u2 u1) w12
Q dU pdV (2-4)
2
Q12
(U2
U1)
pdV
1
(2-4a)
q du pdv (2-4b)
2
q12
(u2 u1)
pdv
1
(2-4c)
2-3 开口系统能量方程 Energy balance for open system
式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负； 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。
对于无耗散的准静态过程， w pdv
因此上述诸式可写为：
Q dU W
Q12 (U2 U1) W12
对1kg工质，有：
q du w
所以有：
h1 h2
1 2
工程热力学-第二章热力学第一定律
2016/11/10
15
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
2016/11/10
4
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
2016/11/10
5
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
27
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 二热力学第一定律
从上式可以看出在工质流动过程中，工 质作出的膨胀功除去补偿流动功及宏观 动能和宏观位能的差额即为轴功。
⑵技术功与轴功、膨胀功、流动功 由式 ｗt=ｗs+1/2(wg22－wg12 )+ｇ(ｚ2－ｚ1) =(ｑ－△ｕ)－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) =ｗ－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) 可以看出当忽略工质进出口处宏观动能和宏观 位能的变化，技术功就是轴功；且技术功等于 膨胀功与流动功之差。
即：ｈ1＝ｈ2。
稳态稳流过程在工程中广泛地存在。例如热 工设备的正常运行条件下，但其启动和关闭 情况除外。 其能量方程式如下： Q＝（H2-H1)＋m(wg2２-wg1２)/2 +mg(z2-z1）+Ws J q=△h+△wg２/2+g△z+ws J/Kg
一、换热器（Heat Exchanger）
实现冷、热流体热量 交换的设备。 因ws＝０，△wg２/2 ＝０，g△z＝０，所 以有： q＝h2-h1 说明工质吸收 ( 放热 ) 的热量等于其焓升 (降) 。
二、喷管（Nozzle）和扩压管
喷管实现流体压力降低、 流速增加的设备。 扩压管是流速降低，压 力增加的管道。 因ｑ＝０，ws＝０， g△z＝０，所以有： (wg2２-wg1２)/2＝h1-h2 说明气体流动动能的增加 等于其焓降。
三、气轮机（ Engine ）
利用工质在机器中膨胀而获得机械 功的设备。 因ｑ=０，△wg２/2=０，g△z＝０， 所以有： ws＝h1-h2 说明工质对外所作轴功等于其焓降。
对于可逆过程有 wt=∫21pdv－p2v2+p1v1 =∫21pdv－∫21ｄ(pv) =－∫21vdp 在Ｐ－ｖ图上是右图中的阴影面积。 注意：ｑ＝△ｈ＋ｗｔ及ｑ＝△ｕ＋ｗ对 于开口系统和闭口系统均适用，只不过 前者仅对开口系统稳态稳流过程、后者 仅对闭口系统有实在的物理意义。
工程热力学-02热力学第一定律
由可逆过程 δq du pdv， h u pv ，有 δq d(h-pv) pdv dh d( pv) pdv
即 δq dh vdp 可逆过程中热力学第一定律另一主要形式。
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
15
2-5 轴功
由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
10
2-3 开口系统能量方程式
质量守恒： dm δm1 δm2
dm
d
δm1
d
δm2
d
qm1 qm2
该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工质质 量增加的数量等于流入和流出系统的质量流量之差。
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
11
推动功: 在进出口边界上推动工质流入或流出系统所消耗的功量。
z1)
ws
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
14
焓 h u pv H U pV 状态参数
对1kg流动工质，其稳定状态稳定流动能量方程式:
q
(h2
h1)
1 2
(cf22
cf21)
g
(
z2
z1)
ws
• 焓并不能看作是工质储存的能量，可近似看成随工质 流动一起转移的能量。
• 热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。
自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一 种能量形态转换为另一种能量形态，转换中能量的总量守恒。
对任何系统，各项能量之间的平衡关系一般可表示为： 进入系统的能量 - 离开系统的能量 =系统储存能量的变化
热力学第一定律： 热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转
工程热力学第二章教材
第二章 热力学第一定律
First Law Of Thermodynamics
第一章内容回顾
一、本章基本公式列表于1-1，在学习中应熟练掌握。
表1-1 第一章的基本公式
v V m m v p pb p e p pb p v t T 273.15K W1 2. Q1 2 或 或 或 T t 273.15K w1 2 q1 2
二、迁移能——功量和热量
功量和热量都是系统与外界相互作用所传递的能量，而不 是系统本身所具有的能量（如热力学能、宏观动能和重力
位能等），其值并不由系统的状态确定，而是与传递时所
经历的具体过程有关。 功量和热量不是系统的状态参数，而是与过程特征有关的过 程量，称为迁移能。
三、功量
热力系与外界发生功的作用有多种形式，包括容积功、 推动功、流动功等。
pb
f
传热（不需要物体的宏观位移）：当热源与工质接触时，接
触处两个物体中杂乱运动的质点进行能量交换，结果高 温物体把能量传递给低温物体
作功过程往往伴随着能量形态的转化：
工质膨胀过程：热力学能→机械能 工质压缩过程：机械能→热力学能 热能转化为机械能的过程包括两类过程： （1）能量转换的热力学过程：由热能传递转变为工质的热 力学能，然后由工质膨胀把热力学能变为机械能，转换过 程中工质的热力状态发生变化，能量的形式也发生变化； （2）单纯的机械过程：由热能转换而得的机械能再变成活 塞和飞轮的动能，若考虑工质本身的速度和离地面高度的变 化，则还变成工质的宏观动能和位能，其余部分则通过机器 轴对外输出。
第二章 热力学第一定律
First Law Of Thermodynamics
本章的基本要求
深入理解热力学第一定律的实质； 掌握能量、储存能、热力学能、迁移能、焓的概念及计算式； 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式； 熟练掌握热力学第一定律的基本能量方程式（闭口系统和开口 系统），能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析 计算工程实际中的有关问题。
First Law Of Thermodynamics
第一章内容回顾
一、本章基本公式列表于1-1，在学习中应熟练掌握。
表1-1 第一章的基本公式
v V m m v p pb p e p pb p v t T 273.15K W1 2. Q1 2 或 或 或 T t 273.15K w1 2 q1 2
二、迁移能——功量和热量
功量和热量都是系统与外界相互作用所传递的能量，而不 是系统本身所具有的能量（如热力学能、宏观动能和重力
位能等），其值并不由系统的状态确定，而是与传递时所
经历的具体过程有关。 功量和热量不是系统的状态参数，而是与过程特征有关的过 程量，称为迁移能。
三、功量
热力系与外界发生功的作用有多种形式，包括容积功、 推动功、流动功等。
pb
f
传热（不需要物体的宏观位移）：当热源与工质接触时，接
触处两个物体中杂乱运动的质点进行能量交换，结果高 温物体把能量传递给低温物体
作功过程往往伴随着能量形态的转化：
工质膨胀过程：热力学能→机械能 工质压缩过程：机械能→热力学能 热能转化为机械能的过程包括两类过程： （1）能量转换的热力学过程：由热能传递转变为工质的热 力学能，然后由工质膨胀把热力学能变为机械能，转换过 程中工质的热力状态发生变化，能量的形式也发生变化； （2）单纯的机械过程：由热能转换而得的机械能再变成活 塞和飞轮的动能，若考虑工质本身的速度和离地面高度的变 化，则还变成工质的宏观动能和位能，其余部分则通过机器 轴对外输出。
第二章 热力学第一定律
First Law Of Thermodynamics
本章的基本要求
深入理解热力学第一定律的实质； 掌握能量、储存能、热力学能、迁移能、焓的概念及计算式； 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的概念及计算式； 熟练掌握热力学第一定律的基本能量方程式（闭口系统和开口 系统），能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析 计算工程实际中的有关问题。
工程热力学 第二章 热力学第一定律
pv p2v2 p1v1
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
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
工程热力学第二章热力学第一定律
Macroscopic energy---kinetic energy potential energy
They are related to some outside reference frame。
Kinetic energy is the energy a system possesses as a result of its motion relative to some reference frame. It is denoted as Eke.
移动 translation 分子动能 转动 rotation 振动 vibration 分子位能 binding forces
热力学能
化学能 chemical energy
核能 nuclear energy
（1）Kinetic and potential energies of the molecules
分子的动能和势能
Internal Energy＝
internal kinetic energy＋internal potential energy
热力学能＝内动能＋内位能
T
T, v
u is a function of the state of the system. u = u (p, T), or u = u (p, v), or u = u(v,T).
mc E U E ke E p U mgz 2
On a unit mass basis
2
1 2 e u eke e p u c gz 2
§2.2 Energy transfer by Heat, Work and Mass (热量、功量及质量引起的能量传递------传递中的能量）
They are related to some outside reference frame。
Kinetic energy is the energy a system possesses as a result of its motion relative to some reference frame. It is denoted as Eke.
移动 translation 分子动能 转动 rotation 振动 vibration 分子位能 binding forces
热力学能
化学能 chemical energy
核能 nuclear energy
（1）Kinetic and potential energies of the molecules
分子的动能和势能
Internal Energy＝
internal kinetic energy＋internal potential energy
热力学能＝内动能＋内位能
T
T, v
u is a function of the state of the system. u = u (p, T), or u = u (p, v), or u = u(v,T).
mc E U E ke E p U mgz 2
On a unit mass basis
2
1 2 e u eke e p u c gz 2
§2.2 Energy transfer by Heat, Work and Mass (热量、功量及质量引起的能量传递------传递中的能量）
工程热力学与传热学(中文) 第2章 热力学第一定律
H = f (T , v ) ∆ H 1− 2 =
∫
2
1
dH = H 2 − H 1
∫ dH
=0
什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”？ 什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”
2-4-4 开口系统稳定流动能量方程式
（The first law applied to open system - steady flow） ）
dm 2
2. 表示
入口处： δ W f 1 = p1 A1dx1 = p1dV1 = p1v1dm1 入口处： 出口处： 出口处： δ W f 2 = p 2 A2 dx 2 = p 2 dV 2 = p 2 v 2 dm 2 单位质量工质： 单位质量工质： w f 1 =
δW f 1
dm1
= p1v1
例 题
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态 到状态 ， 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态1 到状态2， 气体吸热500kJ，活塞对外做功 到状态3 气体吸热 ，活塞对外做功800kJ。从状态 到状态 。从状态2到状态 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 是一个定压的压缩过程，压力为 ， 450kJ。并且已知 1=2000kJ，U3=3500kJ。 。并且已知U ， 。 试计算2-3过程中气体体积的变化 过程中气体体积的变化。 试计算 过程中气体体积的变化。
Q
W
a: 一部分用于增加工质的热力学能。 一部分用于增加工质的热力学能。 b: 另一部分以作功的方式传递到外界。 另一部分以作功的方式传递到外界。
∆u
（2）对于1kg工质 ：q = w + ∆ u ） （3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程。 ）适用条件： 可逆过程，不可逆过程。
∫
2
1
dH = H 2 − H 1
∫ dH
=0
什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”？ 什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”
2-4-4 开口系统稳定流动能量方程式
（The first law applied to open system - steady flow） ）
dm 2
2. 表示
入口处： δ W f 1 = p1 A1dx1 = p1dV1 = p1v1dm1 入口处： 出口处： 出口处： δ W f 2 = p 2 A2 dx 2 = p 2 dV 2 = p 2 v 2 dm 2 单位质量工质： 单位质量工质： w f 1 =
δW f 1
dm1
= p1v1
例 题
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态 到状态 ， 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态1 到状态2， 气体吸热500kJ，活塞对外做功 到状态3 气体吸热 ，活塞对外做功800kJ。从状态 到状态 。从状态2到状态 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 是一个定压的压缩过程，压力为 ， 450kJ。并且已知 1=2000kJ，U3=3500kJ。 。并且已知U ， 。 试计算2-3过程中气体体积的变化 过程中气体体积的变化。 试计算 过程中气体体积的变化。
Q
W
a: 一部分用于增加工质的热力学能。 一部分用于增加工质的热力学能。 b: 另一部分以作功的方式传递到外界。 另一部分以作功的方式传递到外界。
∆u
（2）对于1kg工质 ：q = w + ∆ u ） （3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程。 ）适用条件： 可逆过程，不可逆过程。
哈工大工程热力学-(2)热力学第一定律
5、能量方程之间的内在联系、热变功的本质
如果把稳定流动能量方程中流体动能的增量和重力 位能的增量看作是暂存于流体(热力系)本身,并把它 们和轴功合并在一起,合并以后的功也就相当于开 口系能量方程中的技术功 这样,式(2-13)和式(2-11)也就完全一样了,即
如果再把式 (2-14) 中的焓写为热力学能和推 动功之和，把技术功写为进气功、膨胀功及 排气功的代数和,便可以得到式(2-6)
代入式 (2-8) 可得 每千克工质 微分式
适用条件：开口系、任何工质、任何 (无摩擦或摩擦)过程
4、稳定流动的能量方程
稳定流动是指流道中任何位置上流体的流速及 其它状态参数 ( 温度、压力、比体积、比热力 学能等 ) 都不随时间而变化的流动
设有流体流过一复杂通道，虚线(界面)所包围的 开口系研究对象,假定进、出口截面上流体的各个 参数均匀一致,依次为： 进口截面： 出口截面：
归根结底,反映热能和机械能转换的是式 (2-6)，将其改写为
在任何情况下,膨胀功都只能从热力系本 身的热力学能储备或从外界供给的热量 转变而来
在闭口系中 - 膨胀功(w)全部向外界输出 在开口系中 - 膨胀功中有一分要用来弥补 排气推动功和进气推动功的差值( p2v2-p1v1 ) 剩下的部分（即为技术功）可供输出
第二章 热力学第一定律
2 - 1 热力学第一定律 的实质及表达式
一、热力学第一定律的实质
实质是能量守恒与转换原理在热力学中 的具体体现
在工程热力学中,热力学第一定律主要 说明热能和机械能在转移和转换时,能 量的总量必定守恒
二、热力学第一定律表达式
１. 一般热力系能量方程
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
2020/1/10
• 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
2020/1/10
12
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
2020/1/10
20
§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
工程热力学热力学第一定律
代入开口系能量方程，得到
q
h
பைடு நூலகம்
1 2
c
2 f
gz
wi
或
q
dh
1 2
dc2f
gdz
wi
当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程可写 作
Q
H
1 2
mc
2 f
mgz
Wi
或
Q
dH
1 2
mdc2f
mgdz Wi
▪ 稳定流动能量方程式是根据能量守恒与转换定律导 出的，除流动必须稳定外无任何附加条件
➢ 稳定流动能量方程式的分析
▪ 热能变机械能的过程：一是能量转换的热力学过 程，二是单纯的机械过程
➢ 推动功和流动功
▪ 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功 推动功 = pV = mpv
▪ 工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也不 会有能量形态的变化
▪ 推动功只有在工质移动位置时才起作用 ▪ 流动功：推动功差Δ(pv)=p2v2-p1v1是系统为维
▪ 稳定流动能量方程式改写为
q
u
1 2
c
2 f
gz
pv
wi
▪ 工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能
总等于膨胀功
▪ 技术功：工质的动能、位能与工质对机器作的功 之和是技术上可资利用的功，称之为技术功
wt
1 wi 2
c
2 f
2
c
2 f1
g
z2 z1
由于 q u w ，则
wt w pv w p2v2 p1v1
持工质流动所需的功，称为流动功 ▪ 开口系与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差
w-(p2v2-p1v1) ▪ 热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压
工程热力学三大定律
工程热力学三大定律
工程热力学是研究能量转化和传递的学科，其中三大定律是工程热力学的三个基本定律。
这三大定律分别是：
第一定律：能量守恒定律。
它指出，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转换为另一种形式。
在一个封闭系统中，能量的增加等于它的减少。
这一定律是热力学的基础，也是工程热力学的基础。
第二定律：熵增定律。
它指出，任何封闭系统中的熵都不会减少，只会增加或保持不变。
熵是一个系统混乱程度的度量，因此这个定律意味着所有自然过程都会使系统变得更加混乱。
这一定律在工程热力学中被广泛应用，特别是在热力学循环和能量转换中。
第三定律：绝对零度定律。
它指出，当一个物体的温度降到绝对零度时，它的熵将达到最小值。
这一定律是热力学的最终定律，也是工程热力学的一个基本定律。
它被用来确定理想气体的热力学性质，以及热力学循环的效率。
这三大定律是工程热力学的基础，它们在能源转换和利用中具有重要的应用价值。
了解这些定律可以帮助工程师设计更高效的能源系统，提高能源利用效率。
- 1 -。
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1 q h c 2 g z ws 2
稳定流动能量方程
1 2 q h c g z ws 2
适用条件：
任何流动工质
任何稳定流动过程
技术功
Wt
1 2 Q mh mc mg z Ws 2 1 2 q h c g z ws 2 动能 位能 轴功 wt 机械能 工程技术上可以直接利用
2 2 c c Q m h gz h gz W s 2 2 out in
Q mq
1kg工质
W s m ws
c2 c2 q h gz h gz ws 2 2 out in
第二章 热力学第一定律
The First Law of Thermodynamics
§2-1
热力学第一定律的实质及表达式
本质：能量转换及守恒定律在热力学中的应用
热力学第一定律的表述: 热能和机械能之间可以相互转移或转换,在转移或转 换过程中能量的总量必定守恒。
要想得到功，必须花费热能或其它能量
热力学第一定律又可表述为“第一类永 动机是 不可能制成的”
总结: 开口系能量方程一般表达式:
Q =dEcv + ∑(h+ + gz)out mout ∑(h+ c2/2 + gz)in min + Wnet
2/2 c
以流率表示的开口系能量方程:
Q dEcv / W net u pv c / 2 gz h
2 2 out
1.内储存能（内能、热力学能） U _____ U 代表储存于系统内部的能量 热力学能(内能)的微观组成 移动 转动 f 1 T 分子动能 振动 分子位能____ f T , v 2
内能
化学能
核能
2.外部储存能
宏观动能 Ek= mc2/2
宏观位能 Ep= mgz 机械能
系统总能量=内部储存能+外部储存能
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
开口系能量方程的推导
uin pvin gzin Wnet mout uout pvout 1 2 cout gzout 2 min 1 2 cin 2
Q
Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg 1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg
q h ws
例1：动力机械—利用工质膨胀获得机械能的 设备
如蒸汽轮机、汽轮机
q h ws
2 2 out
m out
u pv c / 2 gz min
in
流动时，总一起存在
焓的引入
定义：焓
h = u + pv
Q dEcv / W net u pv c / 2 gz h
2 2 out
m out
u pv c / 2 gz min h
以房间为系统 闭口系能量方程 闭口系
Q U W Q0
Q W
W 0
Q
U Q W
T
空 调
例 自由膨胀
如图， 抽去隔板，求 U 解：取气体为热力系 —闭口系？开口系？
Q U W
Q0
? W 0
U 0
即U1 U 2
§2-5
开口系稳定流动能量方程
min uin 1 2 cin 2 gzin
Q H Wt
q h wt
单位质量工质的开口系与闭口系
闭口系(1kg)
q u w
容积变化功
等价 技术功
ws
q
q h wt
稳流开口系
讨论闭口系与稳流开口系的能量方 程
闭口系
q u w
等价
稳流开口系 q h wt 容积变化功w 技术功wt 轴功ws
热力学能，内部储存能
E = U + Ek + Ep
总能 宏观动能 宏观位能
e = u + ek + ep
外部储存能
内能的说明
热力学能(内能)是状态量 U : 广延参数 [ kJ ] u : 比参数 [kJ/kg]
内能总以变化量出现，内能零点人为定
热力学第一定律的文字表达式
热力学第一定律: 能量守恒与转换定律
W W lim 0
Q dEcv / u pv c / 2 gz
2 2 in
out
mout
u pv c / 2 gz min W net
开口系能量方程微分式
当有多条进出口：
Q dEcv / W net u pv c / 2 gz
热一律解析式之一
2.简单可压缩闭口系可逆过程能量方程: q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式
Tds u pd
2
2
门窗紧闭房间用电冰箱降温
以房间为系统 闭口系能量方程 绝热闭口系
Q U W Q0
W 0
电 冰 箱
U W 0
T
门窗紧闭房间用空调降温
wswt
准静态下的技术功
w ( pv) wt w d ( pv) wt
准静态 pdv d ( pv) wt
wt pdv d ( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
2
wt vdp
w t dp
1
q du pdv 热一律解析式之一 准静态 q dh vdp 热一律解析式之二
几种功的关系？
推进功(pv)
几种功的关系
1 2 wt c g z ws 2
q h wt u ( pv) wt
q u w
w ( pv) wt
△ c2/2
ws
wt
做功的根源 w
△(pv)
g△ z ws
对功的小结
1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w 2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws 3、一般情况下忽略动、位能的变化
技术功在示功图上的表示
wt w p1v1 p2v2
dp pd p11 p22
1 1 2 2
12ba1 12341 140a1 230b2
机械能守恒
wt vdp dc / 2 gdz ws
2
对于流体流过管道， ws 0
1 2 vdp dc gdz 0 2
Q Const
W net Const W s dEC ,V / 0
0 Q dEcv / h c / 2 gz
2 2
out
m out m
m h c / 2 gz min
in
稳定流动能量方程的推导
ws 0
q 0 g z 0
1 2 c h 2 动能与焓变相互转换
例1 空气在某压气机中被压缩．压缩前空 气的参数是P1= 0.1MPa,v1 =0.845 m3／kg； 压缩后的参数是P2= 0.8MPa,v2 =0.175 m3／ kg 假定在压缩过程中，1Kg空气的热力学能 增加146 U，同时向外放出热量50kJ，压气机 每分钟生产压缩空气10kg。求： (1)压缩过程中对每公斤气体所做的功; (2)每生产lkg的压缩气体所需的功; (3)带动此压气机至少要多大功率的电动机?
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
工程上常用流率
Q Q lim 0
m m lim 0
m out
u pv c / 2 gz min h
in
开系能量方程
Q =dEcv + ∑(h+ c2/2 + gz)out mout
- ∑(h+ c2/2 + gz)in min + Wnet
2.闭口系能量方程
一般式
Q = dU + W
Q = U + W
焓变
热流体放热量： q h h2 h1 0
冷流体吸热量： q h h h 0
' ' 2 ' 1
例3 喷管和扩压管（Nozzles and Diffusers ）
喷管目的： 压力降低，速度提高 扩压管目的： 速度降低，压力升高
动能参与转换，不能忽略 2
q h c / 2 gz ws
稳定流动条件 1、 mout min m 2、 Q Const
Wnet
mout uout 1 2 cout 2 gzout
3、 W net Const W s
轴功
Q
4、 每截面状态不变 dEC ,V / 0
稳定流动能量方程的推导