第四讲：热力学第一定律1-热力学能-闭口系能量方程

能源转换利用的关系风水化核地太生物质能能学能能热能阳能光电燃料电光热聚变裂变燃烧水水轮风转换供暖热能转换池车机车机械能热机90%电动机发电机电能如何用所学知识去解释RefrigeratorIcebox电冰箱热力学第定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics 第四讲：热力学能和闭口系能量方程热力学第一定律热力学第定律学习目的深刻认识热力学第定律的实质能量守恒；认深刻认识热力学第一定律的实质——识功和热——通过热力系统边界的能量交换（定义、特性、计算）；掌握闭口系能量方程基本表达式。

基本要求¾掌握第一定律的实质；功和热的异同¾掌握热力学第一定律应用热力学第一定律的本质本转换守恒律在过中的应本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用•18世纪初，工业革命，热效率只有1%•1842年，J.R. Mayer 阐述热一律，但没有y 引起重视•1840-1849年，Joule 用多种实验的一致性证明热一律，于•1909年，C. Caratheodory 最后完善热一律证明热律，于1850年发表并得到公认年y 最后完善热律Conservation of energy Conservation of energy“D i i i“During an interaction , energy can change from one form to can change from one form to another but the total amount of energy remains constant”Energy cannot be created or destroyed One of the most fundamental laws of nature焦耳实验1、重物下降，输重物下降输入功，绝热容器内气体T↑2、绝热去掉，气、绝热去掉气体T↓，放出热给水，T恢复原温原温。

焦耳实验水温升高可测得热量，物降得功Mechanical重物下降可测得功equivalent of heat 热功当量1cal =41868kJ 1 cal = 4.1868 kJ工质经历循环:δQ =δWQ闭口系循环的热律表达式闭口系循环的热一律表达式δQ =δW要想得到功必须化费热能或其它能量要想得到功，必须化费热能或其它能量热律又可表述为第类永动机是热一律又可表述为“第一类永动机不可能制成的”不可能制成的pPerpetual –motion machine of the first kind第一类永动机第类永动机Q汽轮机电锅炉W net加发电机凝热器汽器给水泵Q out第一类永动机第类永动机“饮水鸟”内的液体是乙醚一类易挥发的液体，在饮水鸟内的液体是乙醚类易挥发的液体，在高温里很容易蒸发，而液体的饱和蒸汽所产生的压力又会随温度的改变而剧烈的改变。

a a.头部受冷，气压下降，尾部的液体因为吸力沿颈部上升。

这样头的重量在增加，尾部的重量在减轻，重心位置发生变化，当重心超过脚架支点而移向头部时，鸟就俯下身到平衡位置。

这个位置可以通过鸟嘴的重量来调试。

b.头部降低，内部发生两个变化。

一是“饮水鸟”的嘴浸到了水，这样鸟头被打湿。

二是上下的蒸汽区域连通，两部分气体混合，没有了气压差，但由于吸收了周围空气的热量，蒸汽的温度略有上升。

这时上升到头部的液体，在本身的重量作用下流向下端尾部。

c.尾部变重，头部向上翘，液体全部集中到尾部，同时，头部的蒸汽因为刚粘到的水又开始冷却。

热一律的推论⎯热力学能Internal energyI l热力学能的导出闭口系循环δQ =δW(δQ -δW ) = 0热力学能的导出δQ -δW ) = 0对于循环1a2c1 (Q)1221()()0a cQ W Q Wδδδδ−+−=∫∫p1b对于循环1b2c1Qac1221()()0b cQ W Wδδδδ−+−=∫∫2()()Q W Q Wδδδδ∴−=−V1212a b∫∫状态参数热力学能及闭口系热一律表达式热力学能及闭口系热律表达式d U Q 定义U = δQ -δW 热力学能U 状态函数δQ =d U +Q d U + δWQ = ΔU + W闭口系热一律表达式！！！两种特例绝功系δQ = d UW =绝热系δW= -d UU热力学能U 的物理意义d U = δQ -δWδWδQd U U 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⎯热力学能（内能）热力学能的微观组成microscopic forms of internal energy 移动translation 分子动能分能√转动rotation 振动vibration 分子位能binding forces 热力√化学能chemical energy学能nuclear energy 核能gytotal energy 系统总能total energymacroscopic forms of energy 外部储存能macroscopic forms of energy 宏观动能kinetic E = mc 2/2k 宏观位能potential E p = mgz 机械能系统总能E = U + E k + E p =++e = u + e k + e p 一般与系统同坐标常用d d 般与系统同坐标，常用U , d U , u , d u宏观动能与内动能的区别18热力学能的说明state property•热力学能是状态量state property•U : 广延参数[ kJ ]U广延参数[kJ]•u : 比参数[kJ/kg]g•热力学能总以变化量出现，热力学能零点人为定J热力学能单位kJUΔ工程中关心热一律的文字表达式热律的文字表达式热律热一律: 能量守恒与转换定律=进入系统离开系统系统内部储存-的能量的能量能量的变化TotalTotal Change in Total energyTotal energy in the total =enteringthe system leaving the energy of the system -the systemsystem the system闭口系能量方程E b l f l d t Point function---Exact differentials---d 一般式Energy balance for closed system Path function---Inexact differentials---δδW δQ般式δ= d U + δW Q Q = ΔU + W=d +δq d u δw q = Δu + w单位工质2)适用条件：1）任何工质2)任何过程闭口系能量方程中的功Generalized Workδq = d u + δw功（δw ）是广义功Generalized Work ⎯闭口系与外界交换的功量准静态容积变化功p d v拉伸功δw 拉伸= -τd l =表面张力功δw 表面张力= -δd A=l +δw = p d v -τd l -δd A +…...门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统绝热闭口系闭口系能量方程U W=Δ+Refrigerator Q=gIceboxQ−W<电U WΔ=>冰T箱门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统闭口系闭口系能量方程U W=Δ+Air-Q <空conditioner0Q =−0W <调QU Q WΔTQ W>开口系能量方程E b l f ti Energy balance for open system δm in u 能量守恒原则in1δW net 进入系统的能量-22in c δm out tgz in离开系统的能量δQu out =系统储存能量的变化1gz out22out c开口系能量方程的推导δm inu in21inc δW net gz in 2δm outu out 这个结果与实验不符gz out少了推进功21c δQδQ + δm in (u + c 2/2 + gz )in +/2+d 2out -δm out (u +c 2/2 + gz )out -δW net = dE cv推进功的表达式推进功（流动功、推挤功）A Flow workppW推= p A d l= pVVw推= pvdl注意：不是pdvv 没有变化对推进功的说明、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化＝pv与所处状态有关，是状态量3、w推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而由外界（泵与风机）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开口系能量方程的推导iu pv in inδm δW netgz inin1δm u 22in c δQout out pv out21c gz outδQ + δm in (u + c 2/2 + gz )in 2out -δm out (u + c 2/2 + gz )out -δW net= d E cv开口系能量方程微分式δQ + δm in (u + pv +c 2/2 + gz )in -δW net -δm out (u + pv +c 2/2 + gz )out = d E cv工程上常用流率Q δ•⎛⎞m δ•⎛⎞W δ•⎛⎞0lim Q δτδτ→=⎜⎟⎝⎠0lim m δτδτ→=⎜⎟⎝⎠0lim W δτδτ→=⎜⎟⎝⎠()2cv outd //2outQ E u pv c gz m δτ••=++++2/2u pv c gz m W••−++++()in netinp g开口系能量方程微分式当有多条进出口当有多条进出口：••netcv d /Q E Wδτ=+()2outout/2u pv c gz m •++++∑2•−+++()inin/2u pv c gz m ∑流动时总一起存在流动时，总一起存在焓Enthalpy 的引入定义焓=+定义：焓h = u + pv••netcv d /Q E Wδτ=+()2outout /2u pv c gz m •++++∑h 2u •−+++h ()inin/2pv c gz m ∑开口系能量方程焓Enthalpy的说明h u+ pv[ kJ/kg ]定义：=+[kJ/kg]H= U+ pV[ kJ ]1、焓是状态量state property=)=2、H为广延参数H=U+pV= m(u+pv)= mhh为比参数3、对流动工质，焓代表能量(热力学能+推进功)对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决于热力状态的能量。