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 -。

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