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
Refrigerator
Icebox
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 =δW
Q
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
p
Perpetual –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 energy
I 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
()()0
a c
Q W Q W
δδδδ
−+−=
∫∫
p1
b
对于循环1b2c1
Q
a
c
1221
()()0
b c
Q W W
δδδδ
−+−=
∫∫
2
()()
Q W Q W
δδδδ
∴−=−
V
1212
a 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 + δW
Q = ΔU + W
闭口系热一律表达式！！！两种特例
绝功系δQ = d U
W =绝热系δW
= -d U
U
热力学能U 的物理意义
d U = δQ -δW
δW
δQ
d 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gy
total energy 系统总能total energy
macroscopic 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kJ
U
Δ
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Total
Total Change in Total energy
Total energy in the total =entering
the system leaving the energy of the system -the system
system 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 Work
δq = 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
=
g
Icebox
Q
−
W<
电
U W
Δ=>
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conditioner
0Q =−0
W <调
Q
U Q W
ΔT
Q W
>
开口系能量方程
E b l f t
i Energy balance for open system δm in u 能量守恒原则
in
1δW net 进入系统的能量
-2
2in c δm out t
gz in
离开系统的能量
δQ
u out =
系统储存能量的变化
1gz out
2
2
out c
开口系能量方程的推导
δm in
u in
21in
c δW net gz in 2
δm out
u out 这个结果与实验
不符
gz out
少了推进功
2
1c δQ
δQ + δm in (u + c 2/2 + gz )in +/2+d 2
out -δm out (u +
c 2/2 + gz )out -δW net = d
E cv
推进功的表达式
推进功（流动功、推挤功）
A Flow work
p
p
W推= p A d l= pV
V
w推= pv
dl
注意：
不是pdv
v 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
i
u pv in in
δm δW net
gz in
in
1δm u 22
in c δQ
out out pv out
21c gz out
δQ + δm in (u + c 2/2 + gz )in 2
out -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→=⎜⎟
⎝⎠
()
2
cv out
d //2out
Q E u pv c gz m δτ•
•
=++++2
/2u pv c gz m W
••−++++()in net
in
p 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：•
•
net
cv d /Q E W
δτ=+()
2
out
out
/2u pv c gz m •
++++∑2
•
−+++()in
in
/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
•
•net
cv d /Q E W
δτ=+()2
out
out /2u pv c gz m •
++++∑h 2
u •
−+++h ()in
in
/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)= mh
h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。

于热力状态的能量
思考题
对工质加热其温度反而降低对工质加热，其温度反而降低，
这种情况不可能
气体边膨胀边放
热是可能的
小结Summary
♦热力学第一定律的本质
热力学第定律的本质
♦热力学能和焓
♦闭口系和开口系能量方程。