(精品)工程热力学课件：热力学第一定律
合集下载
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。
10.3 热力学第一定律(共22张PPT)
一、热力学第一定律
1.内容：一个热力学系统的内能增量等于
外界向它传递的热量与外界对它所做的功
的和。
ΔU 物体内能的增加量
2.表达式:
W 外界对物体做的功
Q 物体吸收的热量
ΔU＝W + Q
一定质量的理想气体从外界吸收
4.2×105J的热量，同时对外做功
2.6×105J，则内能变化了多少？是增加
还是减少？
等容过程
不变
一定质量的理想气体，
等压过程 不变
升高相同的温度，等 增大压过升程高和等容增过加程哪 吸热
-
增大 减小个吸升热高多？ 增加 绝热过程
0
+
小试身手
1.图中活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、 活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气，以U甲、 U乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在 将拉杆缓慢向外拉的过程中（ C ）
B．外力对乙做功；乙的内能不变
C．乙传递热量给甲；乙的内能增加
D．乙的内能增加；甲的内能不变
5.应用热力学第一定律解题的一般步骤：
（1）明确研究对象是哪个物体或是那个热力学 系统；
（2）根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）
的正、负； （3）根据热力学第一定律ΔU=W+Q求出未知量；
（4）再根据未知量结果的正、负来确定吸热、 放热情况或做功情况。
例1：如图所示，甲、乙两个相同的金属球， 甲用细线悬挂于空中，乙放在水平地面上。 现在分别对两球加热，使它们吸收相同的热 量，试讨论甲、乙两球内能增量的关系？ （假设金属球不向外散热）
分析：吸热后金属球体积膨 胀，甲球重心降低，重力做 正功，
乙球重心升高，重力做负功，
而又因为两球吸收相同热量，
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
第二章——工程热力学课件PPT
100 U1A2 60 Q2B1 U 2B1 40
Q2B1 80
第二章 讨论课
2、一个装有2kg工质的闭口系经历了如下 过程：过程中系统散热25kJ，外界对系统 做功100KJ，比热力学能减小15KJ/kg，并 且整个系统被举高1000m。试确定过程中系 统动能的变化。
Q E W
第二章 讨论课
空
Q
调
Q W
T
第二章 讨论课
➢ 计算题
1、对某种理想气体加热100KJ，使其由状 态1沿途径A可逆变化到状态2，同时对外做 功60KJ。若外界对该气体做功40KJ，迫使 它沿途径B可逆返回状态1。问返回过程中该 气体是吸热还是放热？热量是多少？
Q1A2 U1A2 W1A2 Q2B1 U 2B1 W2B1
V
1b 2
2c1
状态参数 ( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
热力学能及闭口系热一律表达式
定义 dU = Q - W 热力学能U 状态函数
Q = dU + W Q=U+W
闭口系热一律表达式
！！！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU
热力学能U 的物理意义
不可能制成的”
§2-2 热一律的推论热力学能
热力学能的导出 闭口系循环
Q W
( Q W ) 0
热力学能的导出
( Q W ) 0 对于循环1a2c1
p1
( Q W ) ( Q W ) 0
b
1a 2
2c1
a
c
对于循环1b2c1
2
( Q W ) ( Q W ) 0
• u : 比参数 [kJ/kg] • 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人 为定
工程热力学热力学第一定律
1 2 2 q (h2 h1 ) (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) ws 2
上式适用条件：任何工质、任何稳定流动过程。
24
二、技术功
1.定义：在上式中，后三项实际上都属于机械能，工程上可
直接利用的功；故把此三项合并在一起称为技术功（Wt）。
故开口系统的稳定流动能量方程还可以写为：
例题分析
例2-1 气体在某一过程中吸收的热量为50J， 同时热力学能增加了84J，问此过程是膨胀 过程还是压缩过程?作功量为多少? 解：根据题意，有 Q=50J，Δ U=84J，
由闭口系能量方程式，可得 W=Q-Δ U=50-84=-34J<0 可见，此过程为压缩过程，外界对气体作功 34J。
பைடு நூலகம்
15
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：
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
热力学第一定律 课件
的增加。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即 ΔU=0,则 W+Q=0 或 W=-Q,
外界对物体做的功等于物体放出的热量。
4.判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0;
(2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。
为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能
量的总量保持不变。
2.意义
(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相关的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、
光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对
提示前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等
能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量
的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。
2.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?
提示能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保
持不变,它包括各个领域,其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他
(2)突破了人们关于物质运动的认识范围,从本质上表明了各种运动形
式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍,它是物
理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论
并称 19 世纪自然科学中三大发现,其重要意义由此可见。
(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。
外做功的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即 ΔU=0,则 W+Q=0 或 W=-Q,
外界对物体做的功等于物体放出的热量。
4.判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0;
(2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。
为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能
量的总量保持不变。
2.意义
(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相关的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、
光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对
提示前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等
能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量
的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。
2.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?
提示能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保
持不变,它包括各个领域,其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他
(2)突破了人们关于物质运动的认识范围,从本质上表明了各种运动形
式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍,它是物
理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与细胞学说、生物进化论
并称 19 世纪自然科学中三大发现,其重要意义由此可见。
(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。
外做功的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。
工程热力学PPT课件
另一种表述是，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。
还有一种表述是，自然发生的热传递总是向着熵增加的方向进行，即系统总是向着熵增加的方向演化。
热力学第二定律的应用
01
在能源利用领域，热力学第二定律指导我们如何更有效地利用能源，避免能源 浪费。例如，在发电厂中，利用热力学第二定律可以优化蒸汽轮机的设计和运 行，提高发电效率。
热力学第二定律的实质
热力学第二定律的实质是揭示了自然界的不可逆性，即自然界的自发过程总是向着熵增加的方向进行 。这意味着自然界的能量转化和物质转化总是向着无序和混乱的方向发展，而不是向着有序和规则的 方向发展。
热力学第二定律的实质还表明了人类对自然界的干预和改造是有限制的，我们不能违背自然规律来无 限地利用能源和资源。因此，我们需要更加珍惜和合理利用自然界的能源和资源，以实现可持续发展 和环境保护的目标。
热力学第一定律的表述
01
热力学第一定律的表述是：能量既不能凭空产生，也不能凭空 消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体
传递给另一个物体。
02
热力学第一定律也可以表述为：在封闭系统中，能量守恒。
03
热力学第一定律也可以表述为：系统总能量的变化等于系 统与环境之间传递的热量和系统对外界所做的功之和。
制冷与空调技术
制冷与空调技术
制冷和空调技术是利用热力学原理实现热量转移和控制的工程技术。
制冷剂的选择
制冷剂是制冷和空调技术中的重要物质，需要具备适当的热力学性质 和环保性能。
制冷循环的类型
制冷循环有多种类型，如压缩式、吸收式和吸附式等，每种类型都有 其特定的应用场景。
空调系统的优化
为了提高空调系统的效率和降低能耗，需要对空调系统进行优化设计， 如采用变频技术、智能控制等措施。
还有一种表述是，自然发生的热传递总是向着熵增加的方向进行，即系统总是向着熵增加的方向演化。
热力学第二定律的应用
01
在能源利用领域，热力学第二定律指导我们如何更有效地利用能源，避免能源 浪费。例如，在发电厂中，利用热力学第二定律可以优化蒸汽轮机的设计和运 行，提高发电效率。
热力学第二定律的实质
热力学第二定律的实质是揭示了自然界的不可逆性，即自然界的自发过程总是向着熵增加的方向进行 。这意味着自然界的能量转化和物质转化总是向着无序和混乱的方向发展，而不是向着有序和规则的 方向发展。
热力学第二定律的实质还表明了人类对自然界的干预和改造是有限制的，我们不能违背自然规律来无 限地利用能源和资源。因此，我们需要更加珍惜和合理利用自然界的能源和资源，以实现可持续发展 和环境保护的目标。
热力学第一定律的表述
01
热力学第一定律的表述是：能量既不能凭空产生，也不能凭空 消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体
传递给另一个物体。
02
热力学第一定律也可以表述为：在封闭系统中，能量守恒。
03
热力学第一定律也可以表述为：系统总能量的变化等于系 统与环境之间传递的热量和系统对外界所做的功之和。
制冷与空调技术
制冷与空调技术
制冷和空调技术是利用热力学原理实现热量转移和控制的工程技术。
制冷剂的选择
制冷剂是制冷和空调技术中的重要物质，需要具备适当的热力学性质 和环保性能。
制冷循环的类型
制冷循环有多种类型，如压缩式、吸收式和吸附式等，每种类型都有 其特定的应用场景。
空调系统的优化
为了提高空调系统的效率和降低能耗，需要对空调系统进行优化设计， 如采用变频技术、智能控制等措施。
工程热力学全部课件pptx
与外界没有物质和能量交 换的系统。
孤立系统
封闭系统
开放系统
热力学基本定律
热力学第零定律
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也必定处于热平衡状态。
热力学第一定律
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持 不变。
热力学第二定律
热力学循环
由一系列热力学过程组成的闭合路径，如卡诺循环、布雷顿循环 等。
02 热力学第一定律
能量守恒原理
1
能量不能自发地产生或消失，只能从一种形式转 换为另一种形式。
2
在一个孤立系统中，总能量始终保持不变。
3
能量转换过程中，各种形式的能量在数量上保持 平衡。
热力学第一定律表达式
Q = ΔU + W
其中，Δ(mv^2)/2表示系 统动能的变化量；
开口系统能量方程可表示 为：Q = ΔU + Δ(mv^2)/2 + Δ(mgh) + Δ(mΦ)。
Δ(mgh)表示系统势能的 变化量；
03 热力学第二定律
热力学第二定律表述
不可能从单一热源取热，使之完全转 换为有用的功而不产生其他影响。
热力学系统内的不可逆过程总是朝着 熵增加的方向进行。
具有加和性
理想气体基本过程
01
等温过程
温度保持不变的过程，如等温膨胀 和等温压缩
等容过程
体积保持不变的过程，如等容加热 和等容冷却
03
02
等压过程
压力保持不变的过程，如等压加热 和等压冷却
绝热过程
系统与外界没有热量交换的过程， 如绝热膨胀和绝热压缩
04
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
热力学第一定律课件ppt
38
解：方法一：取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽 略动能差及位能差则：
解：取缸内气体为热力系—闭口系。
分析：突然取走100 kg负载，气体 失去平衡，振荡后最终建立新的平衡 态。虽不计摩擦，因非准静态，故过 程不可逆，可应用第一定律解析式。
首先计算状态1及2的参数：
p1
pb
F1 A
(771133.32)
Pa
195 100
98
100
Pa 2.941105
Pa
宏观动能 宏观位能
总能
外部储存能
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数
dU 0
测量 p、V、T 可求出
四、热力学能单位 J
U
kJ
五、工程中关心 U
5
2–3 热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=
热力系总储存能的增量
δWtot
δmiei
E
δm je j
E+dE
功的基本表达式
8
讨论：
Q U W q u w
δQ dU δW δq du δw
1）对于可逆过程 δQ dU pdV
2）对于循环
δQ dU δW Qnet Wnet
3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的 “+”、“–”、数值大小。
9
例 自由膨胀
如图， 抽去隔板，求 U 解：取气体为热力系
可逆过程
δwt pdv d pv vdp
25
2)第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
1
q h2 h1 2
cf22 cf21
解：方法一：取整个压气机（包括水冷部分）为系统，忽 略动能差及位能差则：
解：取缸内气体为热力系—闭口系。
分析：突然取走100 kg负载，气体 失去平衡，振荡后最终建立新的平衡 态。虽不计摩擦，因非准静态，故过 程不可逆，可应用第一定律解析式。
首先计算状态1及2的参数：
p1
pb
F1 A
(771133.32)
Pa
195 100
98
100
Pa 2.941105
Pa
宏观动能 宏观位能
总能
外部储存能
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数
dU 0
测量 p、V、T 可求出
四、热力学能单位 J
U
kJ
五、工程中关心 U
5
2–3 热力学第一定律基本表达式 加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和=
热力系总储存能的增量
δWtot
δmiei
E
δm je j
E+dE
功的基本表达式
8
讨论：
Q U W q u w
δQ dU δW δq du δw
1）对于可逆过程 δQ dU pdV
2）对于循环
δQ dU δW Qnet Wnet
3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的 “+”、“–”、数值大小。
9
例 自由膨胀
如图， 抽去隔板，求 U 解：取气体为热力系
可逆过程
δwt pdv d pv vdp
25
2)第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
1
q h2 h1 2
cf22 cf21
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
wt pdv d ( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
wt vdp
wt vdp
q du pdv
可逆过程
q dh vdp
技术功在示功图上的表示
循环过程中工质从外界吸收热量，
b
对外界输出功，完成循环后又回复 到初态，根据热力学第一定律：
a c
Q w
Q w 0
2
V
状态参数的积 分特征
积分是否与路径无关
热力学能是状态参数
对循环1-a-2-c-1，有：
( Q W ) ( Q W ) 0
1a 2
2 c1
对循环1-b-2-c-1，有：
“热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时 候，它们间的比值是一定的。”
“热可变为功，功也可变为热，一定量的热消失时，必
产生一定量的功，消耗一定量的功时，必出现与之相应
的一定量的热。”
Q AJW
功
热
热功当量
热功当量
Q AJW
热功当量表明热能和机械能相互转化时的当量关系，与 能量转化时的条件无关，仅仅决定于热和功所用的单位。
2
z2
开口系统能量方程
进入控制体的能量：
Q
(h1
1 2
c12
gz1 )
m1
离开控制体的能量：
Ws
(h2
1 2
c22
gz2
)
m2
控制体储存能的变化：
δm1 1
c1
U1 P1,v1
1
z1
dEcv
δQ
δWs
2 δm2
U2 P2,v2
c2
2
z2
dEcv (E dE)cv Ecv
能量方程：
dEcv
Q
(h1
热力学第一定律的实质： 热力学第一定律是能量守恒与转化定律在热现象
上的应用。
热力学能和总能
热力学能
系统储存能
总能
内部储存能
外部储存能
取决于系统本身的状 态，与分子结构与微 观运动形式有关(核 能、化学能、内热能)
与外力场的相互作用 （位能），宏观运动 能量（宏观动能）
热力学能的导出
考察闭口系热力循环1-a-2-c-1， p 1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
开口系统能量方程
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
上式以能量守恒为基础，对不稳定流动和稳态流动、可逆 与不可逆过程都适用，也适用于闭口系统。
对于闭口系统
m1 m2 0 Q dE W
dU Q W
Q dU W
适用于任何工质、任何过程 q du w
热一律在循环过程中的应用
闭口系统，热力循环1-2-3-4-1
p
根据热力学第一定律，对每个过程
3 4
建立能量方程：
q12 u2 u1 w12
2
1
q23 u3 u2 w23
v
q34 u4 u3 w34
工程热力学
Engineering Thermodynamics
热力学第一定律
热力学第一定律的实质 热力学能与总能 系统与外界传递的能量 闭口系统能量方程 开口系统能量方程 开口系统稳态稳流能量方程 稳态稳流能量方程的应用
热力学第一定律
热力学第一定律（The First Law of Thermodynamics）：
几种功的关系
wt
1 2
c2
gz
ws
q h wt u ( pv) wt
q u w w ( pv) wt
△ c2/2
ws
热变功的根源 w
wt △(pv)
g△z ws
单位质量工质的开口与闭口
闭口系(1kg)
1
q u w Ws
容积变化功
1
等价
技术功
2
q h wt
稳流开口系(1kg)
开口系统能量方程微分形式
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
工程上常用传热率、功率等形式表示
•
Q
lim
0
Q
•
m
lim
0
m
•
W
lim
0
W
•
•
Q dEcv /
u pv c2 / 2 gz
m2
2
•
•
u pv c2 / 2 gz m1 W net
系统与外界传递的能量
1.热量：在温差作用下与外界传递 的能量。
2.功量：除温差外的其它不平衡势 差所引起的系统与外界之 间传递的能量。
传热
系 传功 外
统
界
传质
3.随物质流传递的能量——开口系统
包括储存能和推 动功两部分
随物质流传递的能量
1.储存能
工质储存的能量依附于工质，随工质的流动而传递
e u 1 c2 gz
闭口系能量方程 Q U W
Refrigerator Icebox
电 冰 箱
绝热 Q 0
耗电 W 0
U W 0 T升高
例题
既然敞开冰箱大门不能降温，为什么 在门窗紧闭的房间内安装空调能使房 间降温呢？
以房间为系统，忽略围护结构传 Q
热，系统为闭口系。
Airconditioner
空 调
闭口系能量方程 Q U W
U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）
• 内能总以变化量出现，内能零点人为定
热力学能的微观组成
热力状态的 单值函数， 与路径无关
热力学能
分子动能
移动 translation 转动 rotation 振动 vibration
分子位能 binding forces
化学能 chemical energy
2
A
2.流动功（推动功）
p
为推动流体通过控制体界面而传 p V
递的机械功，是维持流体正常流动
所必须传递的能量。
dl
Wf = p A dl = pV wf= pv
流动功是一种特殊的功，大小取 决于控制体进出口界面的热力状 态，与热力过程无关。
对流动功的理解
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
例题3－3
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1)
m1
(h2
1 2
c22
gz2 )
m2
Ws
没有气流流出
m2 0
储气罐绝热
Q 0
没有轴功 忽略动能、位能变化
Ws 0
(1 2
c12
gz1 )
m1
(1 2
c22
gz2 )
m2
0
dEcv dU cv d (mu)cv
h1 m1 d (mu)cv
m1
q41 u1 u4 w41
回到初态 du 0
q12 q23 q34 q41 w12 w23 w34 w41
q w
第一类永动机不可能实现
理想气体热力学能变化计算
定容过程 理想气体
qv
u
duv
f T
cv dTv
cv
du dT
cv
u T v
定值比热
2
du cvdT 或 u 1 cvdT
2
2
定义为焓h h＝u+pv H＝U+pV
取决于物质的热 力状态
焓是流动工质传递的总能量中取决于热力状态的部分， 如果动能和位能可以忽略，则焓代表随流动工质传递的 总能量