热力学第一定律
热力学第一定律总结
298 K时，H2(g)的∆cHmө = -285.83 kJ·mol-1, H2S(g)和 SO2(g)的∆fHmө分别为-20.63 kJ·mol-1和-296.83 kJ·mol-1。 求下列反应在498 K时的∆rUmө。已知水在373 K时的摩 尔蒸发焓∆vapHm (H2O, 373 K) = 40.668 kJ·mol-1. 2H2S (g) + 3O2 (g) = 2SO2 (g) + 2H2O(g)
其中，T2的值由理想气体绝热方程式(pVγ=C)求得。
3、Q的计算 、 的计算
• Q = ∆U – W • 如恒容，Q = ∆U • 如恒压，Q = ∆H
1. 绝热密闭体系里，以下过程的ΔU不等于零的是： A) 非理想气体混合 B) 白磷自燃 C) 乙醚挥发 D) 以上均为0 2.“爆竹声中一岁除，春风送暖入屠苏”。我国 春节有放鞭炮的习俗。在爆竹爆炸的过程中，以 下热力学量的符号表示正确的是(忽略点火时火柴 传递给引线的少量热量) ( ) A) Q<0，W<0，ΔU<0 B) Q<0，W=0，ΔU<0 C) Q=0，W<0，ΔU<0 D) Q=0，W=0，ΔU=0
nN2CV, m(N2)(T-T1) + nCuCV,误二： ∆U =∆UN2 + ∆UCu = 0
nN2CV, m(N2)*(T-T1) + nCuCV, m(Cu)*(T-T2) = 0
正确解法：
∆U =∆UN2 + ∆UCu = ∆UN2 + ∆HCu = 0 nN2CV, m(N2)*(T-T1) + nCuCp, m(Cu)*(T-T2) = 0
• 求火焰最高温度： Qp = 0, ΔH = 0 求火焰最高温度： • 求爆炸最高温度、最高压力：QV = 0, W = 0 求爆炸最高温度、最高压力： =0
热力学第一定律
举例2：门窗紧闭房间用空调降温
以房间为系统 闭口系能量方程
Q U W Q0 W 0 U Q W
if Q W
T
闭口系
Air-
conditioner
Q
空 调
§ 2-4 开口系能量方程
mout
out
•
•
u pv c2 / 2 gz min W net
in
开口系能量方程微分式(续)
当有多条进出口：
•
•
Q dEcv / W net
•
u pv c2 / 2 gz mout out
•
u pv c2 / 2 gz min in
流动时，总一起存在
焓Enthalpy的引入
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(内能+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。
§2-5 稳定流动能量方程
Energy balance for steady-flow systems
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 进出系统使所携带或所传递的一种能量。
开口系能量方程的推导
uin pvin
min
1 2
ci2n
gzin
Wnet
Q
Q + min(u + c2/2 + gz)in
热力学第一定律
热力学第一定律功：δW ＝δW e ＋δW f（1）膨胀功 δW e ＝p 外dV 膨胀功为正，压缩功为负。
（2）非膨胀功δW f ＝xdy非膨胀功为广义力乘以广义位移。
如δW （机械功）＝fdL ，δW （电功）＝EdQ ，δW （表面功）＝rdA 。
热 Q ：体系吸热为正，放热为负。
热力学第一定律： △U ＝Q —W 焓 H ＝U ＋pV 理想气体的内能和焓只是温度的单值函数。
热容 C ＝δQ/dT（1）等压热容：C p ＝δQ p /dT ＝ （∂H/∂T ）p （2）等容热容：C v ＝δQ v /dT ＝ （∂U/∂T ）v 常温下单原子分子：C v ，m ＝C v ，m t ＝3R/2常温下双原子分子：C v ，m ＝C v ，m t ＋C v ，m r ＝5R/2 等压热容与等容热容之差：（1）任意体系 C p —C v ＝[p ＋（∂U/∂V ）T ]（∂V/∂T ）p （2）理想气体 C p —C v ＝nR 理想气体绝热可逆过程方程：pV γ＝常数 TV γ-1＝常数 p 1-γT γ＝常数 γ＝C p / C v 理想气体绝热功：W ＝C v （T 1—T 2）＝11－γ（p 1V 1—p 2V 2） 理想气体多方可逆过程：W ＝1nR－δ（T 1—T 2） 热机效率：η＝212T T T － 冷冻系数：β＝－Q 1/W 可逆制冷机冷冻系数：β＝121T T T －焦汤系数： μJ －T ＝H p T ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＝－()pT C p H ∂∂ 实际气体的ΔH 和ΔU ：ΔU ＝dT T U V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＋dV V U T ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ ΔH ＝dT T H P ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＋dp p H T⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 化学反应的等压热效应与等容热效应的关系：Q p ＝Q V ＋ΔnRT 当反应进度 ξ＝1mol 时， Δr H m ＝Δr U m ＋∑BB γRT化学反应热效应与温度的关系：()()()dT B C T H T H 21T T m p B1m r 2m r ⎰∑∆∆，＋＝γ热力学第二定律Clausius 不等式：0TQS BAB A ≥∆∑→δ—熵函数的定义：dS ＝δQ R /T Boltzman 熵定理：S ＝kln Ω Helmbolz 自由能定义：F ＝U —TS Gibbs 自由能定义：G ＝H －TS 热力学基本公式：（1）组成恒定、不作非膨胀功的封闭体系的热力学基本方程：dU ＝TdS －pdV dH ＝TdS ＋Vdp dF ＝－SdT －pdV dG ＝－SdT ＋Vdp （2）Maxwell 关系：T V S ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＝V T p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Tp S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＝－p T V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ （3）热容与T 、S 、p 、V 的关系：C V ＝T VT S ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ C p ＝T p T S ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Gibbs 自由能与温度的关系：Gibbs －Helmholtz 公式 ()pT /G ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∆∂T ＝－2T H ∆ 单组分体系的两相平衡： （1）Clapeyron 方程式：dT dp＝mX m X V T H ∆∆ 式中x 代表vap ，fus ，sub 。
热力学第一第二定律的数学表达式
热力学第一第二定律的数学表达式
热力学第一定律表达式为：ΔU=Q-W，其中ΔU为系统内能变化量，Q为系统吸收的热量，W为系统做功。
热力学第二定律表达式有多种，其中较常见的是卡诺循环效率公式：η = (T1 - T2) / T1，其中η为卡诺循环效率，T1和T2分别为高温热源和低温热源的温度。
另一种常见的表达式为熵变公式：ΔS = Qrev / T，其中ΔS为系统熵变，Qrev为系统在可逆过程中吸收的热量，T为热源的温度。
这些数学表达式是热力学基本原理的重要体现，对于热力学学科的深入理解具有重要意义。
- 1 -。
热力学第一定律总结
热一定律总结一、 通用公式ΔU = Q + W绝热： Q = 0，ΔU = W 恒容(W ’=0)：W = 0，ΔU = Q V恒压(W ’=0)：W =-p ΔV =-Δ(pV )，ΔU = Q -Δ(pV ) ΔH = Q p 恒容+绝热(W ’=0) ：ΔU = 0 恒压+绝热(W ’=0) ：ΔH = 0焓的定义式：H = U + pV ΔH = ΔU + Δ(pV )典型例题：思考题第3题，第4题。
二、 理想气体的单纯pVT 变化恒温：ΔU = ΔH = 0变温： 或或如恒容，ΔU = Q ，否则不一定相等。
如恒压，ΔH = Q ，否则不一定相等。
C p , m – C V , m = R双原子理想气体：C p , m = 7R /2, C V , m = 5R /2 单原子理想气体：C p , m = 5R /2, C V , m = 3R /2典型例题：思考题第2,3,4题书、三、 凝聚态物质的ΔU 和ΔH 只和温度有关或ΔU = n C V,T 2 T 1∫ΔH = nC p, T 2 T 1∫ΔU = nC V, ΔH = nC p, ΔU ≈ ΔH = n C p, m d T T 2 T1∫ ΔU ≈ ΔH = nC p,典型例题：书四、可逆相变（一定温度T 和对应的p 下的相变，是恒压过程）ΔU ≈ ΔH –ΔnRT(Δn ：气体摩尔数的变化量。
如凝聚态物质之间相变，如熔化、凝固、转晶等，则Δn = 0，ΔU ≈ ΔH 。
kPa 及其对应温度下的相变可以查表。
其它温度下的相变要设计状态函数不管是理想气体或凝聚态物质，ΔH 1和ΔH 3均仅为温度的函数，可以直接用C p,m 计算。
或典型例题：作业题第3题 五、化学反应焓的计算H 1 +Δ H m (βα αβΔ αβ可逆相变K:ΔH = Q p = n Δ α βΔH = nC p,ΔH = nC p, T 2 T1∫其他温度：状态函数法ΔU 和ΔH 的关系：ΔU = ΔH –ΔnRT （Δn ：气体摩尔数的变化量。
热力学第一定律
23
本章学习要求
• 掌握能量、热力系统储存能、热力学能、热量和功量 的概念，理解热量和功量是过程量而非状态参数。 • 理解热力学第一定律的实质能量守恒定律。 • 掌握稳定流动能量方程，能熟练运用稳定流动能量方 程对简单的工程问题进行能量交换的分析和计算。 • 掌握膨胀功、轴功、流动功和技术功的概念、计算及 它们之间的关系。 • 理解焓的定义式及其物理意义。 • 了解常用热工设备主要交换的能量及稳定流动能量方 程的简化形式。
2. 宏观位能： Ep ，单位为 J 或 kJ
Ep mgz
5
热力系总储存能：E ，单位为 J 或 kJ
E U Ek Ep
比储存能：e ，单位为 J/kg 或 kJ /kg
1 2 e u ek ep u cf gz 2
6
内动能-温度 热力学能 (内能U、u) 外储存能 内位能-比体积
∴流动功是一种特殊的功，其数值取决于
控制体进、出口界面上工质的热力状态。
14
根据热力学第一定律, 有 :
1 2 1 2 u1 cf 1 gz1 p1v1 q u2 cf 2 gz2 p2v2 ws 0 2 2
令 upv h，由于u、p、v都是状态参数,所以h也是 状态参数，称为比焓。
对一切热力系统和热力过程,有:
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系统储存能量的变化
8
二、闭口热力系的能量方程
如图: Q=△U+W 对微元过程： Q QdUW 或 qduw 即： 热力系获得热量= 增加的热力学能+膨胀做功 对于可逆过程 : qdupdv 或
ΔU
W
qu pdv
热力学第一定律与内能
热力学第一定律与内能热力学是研究能量转化和能量关系的一门科学。
在热力学中，热力学第一定律和内能是两个非常重要的概念。
本文将围绕这两个概念展开论述，介绍它们的定义、原理以及在实际应用中的意义。
一、热力学第一定律的定义和原理热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，表明了热力学系统中能量的守恒关系。
简单来说，系统所吸收的能量等于系统所做的功加上系统的内能变化。
热力学第一定律的数学表达式为：ΔU = Q - W其中，ΔU代表系统的内能变化，Q代表系统所吸收的热量，W代表系统所做的功。
根据热力学第一定律，当一个系统吸收热量时，它的内能会增加；当一个系统做功时，它的内能会减少。
二、内能的定义和性质内能是热力学系统所具有的能量，包括系统的微观组成、分子间相互作用以及分子内部的能量。
内能的数值取决于系统的状态，而不仅仅取决于系统的外部条件。
内能与系统的温度密切相关，根据理想气体的状态方程PV=nRT，可以得知气体的内能与温度成正比。
而对于固体和液体等其他形式的物质，内能与温度之间的关系则更为复杂，需要借助于材料的特性进行研究。
三、热力学第一定律和内能的应用1. 热力学系统的能量分析热力学第一定律为我们提供了分析热力学系统能量变化的手段。
通过测量系统所吸收的热量和做的功，我们可以计算出系统的内能变化。
在工程领域中，热力学第一定律被广泛应用于能量转化和能量利用的分析。
例如，在汽车发动机中，热力学第一定律可以帮助我们计算出燃料的能量释放情况，从而评估发动机的效率。
2. 内能的测量和控制在科学研究和工程实践中，内能的测量和控制是一项重要任务。
通过测量系统的内能变化，我们可以了解系统的热力学性质和能量变化规律。
例如，在化学反应过程中，通过测量反应物和产物的内能变化，我们可以评估反应的热效应，从而判断反应的放热或吸热性质，并为反应条件的选择提供依据。
3. 内能与能量转化的研究内能的变化与能量转化有着密切的联系。
在热力学系统中，内能的变化可以通过吸热或放热来实现能量的转化。
热力学第一定律
R=8.314 J/mol.K.
• 由理想气体的模型, 无论分子间的距离大或小,其分 子间均无作用势能,故理想气体的内能与体系的体积 无关,因而与体系的压力也无关.
• 对于理想气体体系,其内能不含分子间作用势能这一 项,所以, 内能与体系的体积无关, 只与体系的温度有 关. 在体系的物质的量已确定的条件下,理想气体体 系的内能只是温度的函数,即:
第四节
可逆过程和不可逆过程
• 热力学函数中的过程量(Q,W)的数值与体系经 历的途径密切相关。 • 体系从一始态到一末态，理论上可以通过无 数条途径，所有这些途径，按其性质可分为 两大类：
•
可逆过程和不可逆过程
• 当体系的状态发生变化时，环境的状态也多少有所 变化，若将体系的状态还原为始态，环境的状态可 能还原，也可能未还原，正是根据环境是否能完全 还原，将过程分为可逆过程和不可逆过程。
CV,m=5/2R
• 多原子分子理想气体: 分子具有3个平动自由度和3个 转动自由度, 每个分子对内能的贡献为3kT, 多原子分 子理想气体的摩尔等容热容为(不考虑振动): •
CV,m=3R
• 2. 理想气体等压热容与等容热容之差 Cp,m﹣CV,m=(H/T)p﹣ (U/T)V =((U+pV)/T)p﹣ (U/T)V
A
•
E＝U
B
因为宇宙的总能量是不变的，故体系能量的变化必 来自于周围环境。
若体系的能量增加，则环境的能量减少； 若体系的能量减少；则环境的能量增加。
体系与环境之间的能量交换形式只有热与功两种，故有：
U ＝Q＋W
其物理意义是：
（体系对外做功为负）
上式即为热力学第一定律的数学表达式。
自然界的能量是恒定的，若体系的内能 发生了变化 （U），其值必定等于体系与环 境之间能量交换量（Q、W）的总和。
热力学第一定律
1．热力学第一定律热力学第一定律的主要内容，就是能量守恒原理。
能量可以在一物体与其他物体之间传递，可以从一种形式转化成另一种形式，但是不能无中生有，也不能自行消失。
而不同形式的能量在相互转化时永远是数量相当的。
这一原理，在现在看来似乎是顺理成章的，但他的建立却经历了许多失败和教训。
一百多年前西方工业革命，发明了蒸汽机，人们对改进蒸汽机产生了浓厚的兴趣。
总想造成不供能量或者少供能量而多做功的机器，曾兴起过制造“第一类永动机”的热潮。
所谓第一类永动机就是不需供给热量，不需消耗燃料而能不断循环做工的机器。
设计方案之多，但是成千上万份的设计中，没有一个能实现的。
人们从这类经验中逐渐认识到，能量是不能无中生有的，自生自灭的。
第一类永动机是不可能制成的，这就是能量守恒原理。
到了1840年，由焦耳和迈尔作了大量试验，测量了热和功转换过程中，消耗多少功会得到多少热，证明了热和机械功的转换具有严格的不变的当量关系。
想得到1J的机械功，一定要消耗0.239卡热，得到1卡热，一定要消耗4.184J的功，这就是著名的热功当量。
1cal = 4.1840J热功当量的测定试验，给能量守恒原理提供了科学依据，使这一原理得到了更为普遍的承认，牢牢的确立起来。
至今，无论是微观世界中物质的运动，还是宏观世界中的物质变化都无一例外的符合能量守恒原理。
把这一原理运用到宏观的热力学体系，就形成了热力学第一定律。
2．热力学第二定律能量守恒和转化定律就是热力学第一定律，或者说热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的表现。
它指明热是物质运动的一种形式，物质系统从外界吸收的热量等于这个能的增加量和它对外所作的功的总和。
也就是说想制造一种不消耗任何能量就能永远作功的机器，即“第一种永动机”，是不可能的。
人们继续研究热机效率问题，试图从单一热源吸取能量去制作会永远作功的机器，这种机器并不违背能量守恒定律，只需将热源降温而利用其能量推动机器不断运转。
热力学第一定律
热力学第一定律科技名词定义中文名称：热力学第一定律英文名称：first law of thermodynamics其他名称：能量守恒和转换定律定义：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。
概述热力学第一定律热力学第一定律：△U=Q+W。
系统在过程中能量的变化关系英文翻译：the first law of thermodynamics简单解释在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q（吸热为正，放热为负），与环境交换的功为W（对外做功为负，外界对物体做功为正），可得热力学能（亦称内能）的变化为ΔU = Q+ W或ΔU=Q-W物理中普遍使用第一种，而化学中通常是说系统对外做功，故会用后一种。
定义自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。
英文翻译：The first explicit statement of the first law of thermodynamics, byRudolf Clausiusin 1850, referred to cyclic thermodynamic processes "In all cases in which work is produced by the agency of heat, a quantity of heat is consumed which is proportional to the work done; and conversely, by the expenditure of an equal quantity of work an equal quantity of heat is produced."基本内容能量是永恒的，不会被制造出来，也不会被消灭。
热力学第一定律
热 力 学第一章 热力学第一定律§1 热力学第一定律 一.准静态过程系统的状态发生变化时—系统在经历一个过程。
过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态.热力学中，为能利用平衡态的性质，引入准静态过程的概念。
性质：1.准静态过程：是由无数个平衡态组成的过程即系统的每个中间态都是平衡态。
2.准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。
实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看作是准静态过程 。
·拉动活塞，使系统由平衡态1 →状态2，过程中系统内各处的密度(压强、温度)并不完全相同，要过一会儿时间，状态 2才能达到新的平衡。
所以，只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。
☆怎样判断“无限缓慢”？弛豫时间τ：系统由非平衡态到平衡态所需时间。
准静态过程条件： ∆t 过程进行 >> τ例如，实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程， ∆t 过程进行 = 0.1秒τ = 容器线度/分子速度= 0.1米/100米/秒 = 10-3秒3.过程曲线：准静态过程可用P －V 图上 一条线表示。
状态1状态2二.功、内能、热量1.功 ·通过作功可以改变系统的状态。
·机械功(摩擦功、体积功)2.内能·内能包含系统内：(1)分子热运动的能量；(2)分子间势能和分子内的势能；(3)分子内部、原子内部运动的能量； (4)电场能、磁场能等。
·内能是状态的函数*对于一定质量的某种气体，内能一般是T 、V 或P 的函数； *对于理想气体，内能只是温度的函数 E = E (T )*对于刚性理想气体分子, i ：自由度； ν ：摩尔数 ·通过作功改变系统内能的实质是：分子的有规则运动能量和分子的无规则运动能量的转化和传递。
3.热量·传热也可改变系统的状态，其条件是系统和外界的温度不同。
·传热的微观本质：是分子的无规则运动能量从高温物体向低温物体传递。
热力学第一定律
热力学第一定律热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，也被称为能量守恒定律。
它描述了能量在物质系统中的转化和守恒关系。
在本文中，我们将深入探讨热力学第一定律的原理和应用。
1. 热力学第一定律的原理热力学第一定律表明，一个系统的内能的增量等于吸热与做功之和。
简单来说，即能量的增加等于热量输入和功输入之和。
在一个封闭系统中，内能变化可以表示为ΔU = Q + W，其中ΔU表示内能变化量，Q表示吸热，W表示做功。
根据能量的守恒原理，一个系统的能量不会凭空消失或增加，而是转化成其他形式。
2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律在各个领域都有广泛的应用。
以下是其中一些常见的应用场景：2.1. 理想气体的过程分析在理想气体的过程分析中，热力学第一定律被广泛应用于计算气体的工作、吸热和内能变化等参数。
根据热力学第一定律的原理，我们可以通过测量系统吸热和做功的量来计算内能的变化。
2.2. 热机效率的计算热力学第一定律也可用于计算热机的效率。
根据热力学第一定律原理，热机的效率可以表示为η = 1 - Q2/Q1，其中Q1表示热机输入的热量，Q2表示热机输出的热量。
通过计算输入和输出的热量可以确定热机的效率。
2.3. 化学反应的能量变化热力学第一定律也可用于描述化学反应的能量变化。
在化学反应中，热力学第一定律可以帮助我们计算反应的吸热或放热量，从而确定反应是否放热或吸热以及能量变化的大小。
3. 热力学第一定律在能源利用中的应用能源利用是热力学第一定律的一个重要应用领域。
通过研究能源的转化过程和能量损失，我们可以更有效地利用能源资源。
3.1. 热力学循环热力学循环是将热能转化为功的过程，如蒸汽轮机和内燃机。
通过分析热力学循环中各个环节的能量转化和损失，可以优化循环系统的效率，提高能源利用率。
3.2. 可再生能源利用热力学第一定律也可以应用于可再生能源的利用。
通过分析可再生能源的收集、转化和储存过程中的能量转化和守恒关系，可以优化利用这些能源的方式，减少能量的损失和浪费。
热力学第一定律的表达式
热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式：ΔE=W+Q。
在热力学中，热力学第一定律通常表述为：热能和机械能在转化时，总能量保持不变。
其数学表达式为ΔE=W+Q，其中ΔE表示系统内能的改变，W表示系统对外所做的功，Q表示系统从外界吸收的热量。
这个定律表明，能量的转化和守恒定律是自然界的基本定律之一，它适用于任何与外界没有能量交换的孤立系统。
换句话说，在一个封闭系统中，能量的总量是恒定的，改变的只是能量的形式。
因此，热力学第一定律是能量守恒定律在热现象领域中的应用。
另外，对于一个封闭系统，如果系统内部没有发生化学反应或相变等过程，那么系统对外做的功等于系统从外界吸收的热量。
这是因为系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。
值得注意的是，热力学第一定律也适用于非平衡态系统。
即使系统处于非平衡态，热力学第一定律仍然适用。
因此，它不仅是热力学的基石之一，也是整个物理学的基石之一。
为了更好地理解热力学第一定律，我们可以考虑一些具体的应用场景。
例如，在汽车发动机中，汽油燃烧产生的热能转化为汽车的动能和废气中的内能。
在这个过程中，系统内能的改变量等于系统对外做的功和系统从外界吸收的热量之和。
因此，根据热力学第一定律，我们可以计算出汽车发动机的效率，从而评估其能源利用效果。
此外，热力学第一定律还可以应用于电学、化学等领域。
例如，在电学中，当电流通过电阻时会产生热量，根据热力学第一定律可以计算出电阻产生的热量。
在化学中，反应热的计算也可以根据热力学第一定律来进行。
以下是一些具体例子，说明热力学第一定律的应用：1. 热电站：在热电站中，燃料燃烧产生的热能转化为蒸汽的机械能，再转化为电能。
根据热力学第一定律，热能被转化为机械能和电能，而总能量保持不变。
通过计算输入和输出的能量，我们可以评估热电站的效率。
2. 制冷机：制冷机是一种将热量从低温处转移到高温处的设备。
在制冷过程中，制冷剂在蒸发器中吸收热量并转化为气态，然后通过压缩机和冷凝器将热量释放到高温处。
热力学第一定律
c,z是力学参数,处于同一热力学状态的 物体可以有不同的c,z.因此c,z是独立 于热力系统内部状态的外部参数, 系统的宏 观动能和重力位能又称为外储存能.
三,系统总储存能 系统的总储存能E为外储存能和内储存能之 和.
E = U + Ek + Ep
或
1 2 E = U + mc + mgz 2
对于1kg质量物体的总储存能为
对于可逆过程,有
δw = pdv ,或 w = ∫ pdv
1
2
代入闭口系统的守恒关系式,有
q = u + ∫ pdv ,或 δq = du + pdv
1
2
以上两式适用可逆过程.
分析热力学问题需建立(选择)热力学模 分析热力学问题需建立(选择) 型 1,确定热力系,即系统,边界和外界. 2,分析系统内部变化,各种作用量(外部), 各种作用量与系统内部变化的内在联系. 3,必须注意作用量的独立性,针对性和相互 性. (1)独立性 独立性是指热量,功量和质量交换这 独立性 三种不同作用量是相互独立的,每种
从微观角度看: 从微观角度看: 功——所起的作用是物体的有规律运动 所起的作用是物体的有规律运动 所起的作用是物体的 与系统内分子无规热运动 无规热运动之间的 与系统内分子无规热运动之间的 转换. 转换. 问题:热量与功的相同点和不同点 问题:热量与功的相同点和不同点?
相同点:功和热量都是过程量.只有在系 相同点 统和外界通过边界传递能量时才有意义, 一旦它们越过界面,便转化为系统或外界 的能量. 不能说在某状态下,系统或外界有多少功 或热.
对于理想气体,因忽略了分子间的作用力, 没有位能,故其内能仅包括分子内动能, 所以理想气体的内能只是温度的单值函数 理想气体的内能只是温度的单值函数, 理想气体的内能只是温度的单值函数 即
热力学第一定律
1.2 热 力 学 第 一 定 律1.2.1 热功当量热力学第一定律的数学表达式设有任一个物系做一个任意循环（如图），吸热为Q '，做功为W ，我们发现0=+'W Q J（1）由于Q '的单位为卡，功的单位为焦耳，二者 不能直接相加，Q '前必须乘以热功转换系数或称热功当量J （焦耳/卡）。
Joule （焦耳）和 Mayer （迈耶尔)自1840年起，历经20多年，用各种实验求证热和功的转换关系，得到的结果是一致的。
即： 1 cal = 4.1840 J这就是著名的热功当量，为能量守恒原理提供了科学的实验证明。
1.2.2 能量守恒定律自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。
到1850年，科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。
1.2.3 热力学能(Internal energy)系统总能量通常有三部分组成： 1）系统整体运动的动能 2）系统在外力场中的位能 3）热力学能，也称为内能 1.2.3.1 定义热力学能是指系统内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。
p V热力学中一般只考虑静止的系统，无整体运动，不考虑外力场的作用，所以只注意热力学能1.2.3.2 热力学能的特点1) 内能是体系内部能量的总和 U ，单位J ，kJ ，包括：• 对于组成一定的均匀体系，只要体系的量确定， U 由体系的两个性质确定。
2）3）4） 5） 6） 热力学能是状态函数。
∆U=U 2-U 1,, 微小变化d U 。
1.2.4 热力学第一定律的数学表达式W Q dU δδ+=或 W Q U +=∆这就是热力学第一定律的数学表达式。
对于非循环过程，状态函数的变化值只与初末态有关，与具体的历程无关：w ad =U f -U i =△Uh =A f -A i =△A △U = Q + W (宏观过程）—the First Law of thermodynamics无穷小过程）process( mal infinitesi -+=W Q dU δδ热力学第一定律是能量转化和守恒定律的特殊形式。
热力学第一定律能量守恒
热力学第一定律能量守恒热力学第一定律：能量守恒热力学第一定律是能量守恒原理在热力学中的体现。
它表明，在一个封闭系统中，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。
本文将介绍热力学第一定律，并探讨其在能源转化和可持续发展中的重要性。
在热力学中，能量被分为几种形式，包括内能、机械能和热能等。
热力学第一定律指出，系统的能量变化等于系统所吸收的热量和做功之和。
这可以用以下方程式来表示：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q代表系统吸收的热量，W表示系统对外界所做的功。
根据这个方程式，我们可以看出，如果系统吸收的热量大于做的功，系统的内能将增加；而如果系统的做功大于吸收的热量，系统的内能将减少。
热力学第一定律的重要性体现在能源转化和可持续发展中。
能源转化是将一种形式的能量转化成另一种形式的过程。
热力学第一定律告诉我们，在能源转化中，能量是守恒的，不会凭空消失或增加。
这意味着我们需要合理利用现有能源资源，避免浪费和不必要的能量损失。
可持续发展是当今社会面临的一项重要任务。
热力学第一定律在可持续发展中发挥着重要作用。
对于能源的利用，我们需要追求高效能源转化，减少能量的浪费和环境的破坏。
通过优化能源系统的设计和运行，我们可以提高能源利用效率，减少对环境的负面影响。
另外，热力学第一定律也与能源管理密切相关。
对于工业生产和建筑设计等领域，合理利用能源是节约成本、提高效益的重要手段。
通过实施有效的能源管理措施，如能源审计、能源监测和能源优化等，可以更好地控制能源消耗，实现能源的可持续利用。
总结起来，热力学第一定律是能量守恒原理在热力学中的体现。
它告诉我们能量是不会凭空消失或增加的，只能从一种形式转化为另一种形式。
在能源转化和可持续发展中，热力学第一定律的重要性不可忽视。
我们需要合理利用能源资源，追求能源的高效转化，以实现能源的可持续利用。
通过有效的能源管理措施，我们可以减少能源消耗，降低环境污染，推动社会的可持续发展。
热力学第一定律
工质的容 积变化功
膨胀功
工质机械 能的变化
维持工质流 动的流动功
工质对机 器作的功
热能转变成的机械能（由于膨胀而导致1的7 ）
技术功：技术上可资利用的功，符号为
联立（2－18）与
，则
(2-19) (2-20)
18
对于可逆过程，
图中的阴影面积，即 对于微元过程，
图中的面积5－1－2－6－5
说明： （1）若dp为负（过程中工质压力降低），技 术功为正，工质对机器作功。如燃气轮机； （2）若dp为正，机器对工质作功，如活塞式 压气机和叶轮式压气机。
对于闭口系统：进入和离开系统的能量只包括热量和作功两项； 对于开口系统：进入和离开系统的能量除热量和作功外，
还有随同物质带进、带出系统的能量（因为有物 质进出分界面）
2
闭口系统的基本能量方程式
取气缸活塞系统中的工质为研究系统，考察其在状态变化过程 中和外界（热源和机器设备）的能量交换。由于过程中没有工 质越过边界，所以这是一个闭口系统。
的平均值为该截面的流速；
8
一、开口系统能量方程
开口系统内既有质量变化，又有能量变化，控 制体内应同时满足质量守恒与能量守恒关系。 考察以下开口系统(dτ)
9
➢ 从1-1’界面进入控制体流体的质量为 m1 ➢ 从2-2’界面进入控制体流体的质量为 m2
➢ 系统从外界吸热 Q ，对机器设备作功 Wi
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
则有：
整理得：
11
考虑到
和
，且
，则上式可以写成
（2－13）
假设流进流出控制容积的工质各有若干股，则上式可写成
（2－14）
热力学第一定律
i
i 为分子的自由度.
单原子气体: i = 3 氦、氖等 双原子气体: i = 5 氢、氧、氮等 多原子气体: i = 6 水蒸汽、甲烷等
➢ 准静态过程中的内能变化
内能: 热力学系统的能量, 它包括了分子热运动的平动 、 转动和振动动能、化学能、原子能、核能... 以及分子 间相 互作用的势能. (不包括系统整体运动的机械能)
F S
p,V dV
p
(p1,V1,T1)
dl dW pS d l p d V
(p2,V2,T2)
W V2 pdV V1
O V1
dV
V2 V
结论: 系统所做的功在数值上等于p-V 图上过程曲线以 下的面积.
➢ 准静态过程中的热量 热容量 热量是系统之间由于热相互作用而传递的能量.
热容量: 物体温度升高一度所需要吸收的热量.
T1 )
等体过程中, 热力学第一定律为 (dQ )V,m dE
等体摩尔热容可表示为 同理可得等压摩尔热容为
C V,m
dQ dT
V,mol
dE dT
C p,m
dQ dT
p,mol
dE dT
p dV dT
1 mol 理想气体的状态方程
为 C p,m CV,m R
pV RT pdV RdT 称为迈耶公式
➢ 热力学第一定律 包括热现象在内的能量守恒和转换定律. Q = (E 2 - E 1 ) +W
其中: Q 表示系统吸收的热量; W 表示系统对外所做的功; E (=E2－E1) 表示系统内能的增量.
热力学第一定律微分形式: dQ = dE + dW
热量和功是过程量. 内能是状态量.
➢ 准静态过程中的功
热力学第一定律
热力学第一定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是热力学基本定律之一。
它阐述了能量在物理系统中的守恒原理，即能量不会被创造或消灭，只会在不同形式之间转换或传递。
该定律在许多领域都有广泛的应用，包括工程、物理、化学等。
1. 定律的表述热力学第一定律可从不同的角度进行表述，以下是几种常见的表述方式：1.1 内能变化根据热力学第一定律，一个封闭系统内能的变化等于系统所吸收的热量与系统所做的功的代数和。
数学表达式如下：ΔU = Q + W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统所做的功。
1.2 能量守恒根据能量守恒定律，能量既不能被创造也不能被摧毁，只会在不同形式之间传递或转换。
能量的总量在一个封闭系统中保持不变。
2. 系统内能的变化系统内能的变化是热力学第一定律的核心内容之一。
系统内能的变化是由系统吸收或释放的热量以及系统所做的功决定的。
2.1 系统吸收的热量系统吸收的热量指的是系统从外界获得的热能。
当一个热源与系统接触时，能量会以热量的形式从热源传递到系统中。
系统吸收的热量可以引起系统内能的增加。
2.2 系统所做的功系统所做的功指的是系统对外界做的能量转移。
当系统对外界施加力并移动时，能量会以功的形式从系统传递到外界。
系统所做的功可以引起系统内能的减少。
3. 热力学第一定律的应用3.1 工程应用热力学第一定律在工程领域有着广泛的应用。
例如，在能源系统的设计与优化中，需要根据系统的能量转换过程，计算系统的内能变化和热功效率等参数，以提高能源利用效率。
3.2 物理学应用在物理学研究中，热力学第一定律通常用于分析热力学过程中的能量转化。
例如，在热力学循环中，通过计算各个环节的能量转换情况，可以确定工作物质的热效率，从而评估系统的性能。
3.3 化学反应在化学反应中，热力学第一定律对于研究反应的能量变化和平衡状态具有重要意义。
通过计算反应过程中释放或吸收的热量，可以确定反应的放热性或吸热性，并预测反应的发生与否。
热力学第一、二定律
二、能量守恒定律
内容：能量既不会凭空产生， 1、内容：能量既不会凭空产生，也不会凭 空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式， 空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式， 或者从一个物体转移到另一个物体， 或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或 转移的过程中其总量不变． 转移的过程中其总量不变．
热力学第一定律 能量守恒定律 热力学第二定律
思考：改变物体内能的方式有做功和热传递 两种，如果物体在跟外界同时发生做功和热 传递，内能的变化与热量Ｑ及做的功Ｗ之间 又有什么关系呢？
一、热力学第一定律
1、热力学第一定律的内容 ——物体内能的增量等于外界向它传递的热量与外 物体内能的增量等于外界向它传递的热量与外 界对它所做的功的和。 界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定 律。 2、热力学第一定律的表达式
2、能量守恒定律的意义： 、能量守恒定律的意义：
①能的转化和守恒定律是普遍的定律，是分析解决问题的重要 能的转化和守恒定律是普遍的定律， 能的转化和守恒定律是普遍的定律 的方法，能量守恒定律是认识自然 改造自然的有力武器。 能量守恒定律是认识自然、 的方法 能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器。 ②能的转化和守恒定律庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭，即第 能的转化和守恒定律庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭， 能的转化和守恒定律庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭 一类永动机（不消耗能量却能源源不断地对外做功的机器） 一类永动机（不消耗能量却能源源不断地对外做功的机器）不可 能制成（原因：违背了能量守恒定律）。 能制成（原因：违背了能量守恒定律）。
两种表述是等价的。 2、两种表述是等价的。
3、热力学第二定律的意义： 热力学第二定律的意义：
——揭示了自然界中涉及热现象（即有大量分子参 揭示了自然界中涉及热现象（ 揭示了自然界中涉及热现象 的宏观过程的方向性， 与）的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定 律的一个重要自然规律。 律的一个重要自然规律。
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H U pV h u pv
焓的单位：J，比焓的单位：J/kg
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
3-1 热力学能和总能
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。系统的内部储存 能即为热力学能，又称为内能。
下面的热力学系统具有哪些方面的能量?
cf
pAl pV mpv
在作推动功时，工质的状态 没有改变（如图中的C点）， 因此推动功不会来自系统的 储存能－热力学能，而是系 统以外的物质，这样的物质 称为外部功源。 工质在传递推动功时只是单 纯地传递能量，像传输带一 样，能量的形态不发生变化。
工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面 作出推动功，进出系统的推动功之差称为 流动功 （也是系统为维持工质流动所需的功）。
宏观动能：
1 2 Ek mc f 2
重力位能：
E p mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 宏观动能
U
Ek
即
宏观位能 系统的储存能
EP
E
E U Ek EP
或
1 2 E U mc f mgz 2
1kg工质的总能为比总能：
1 2 e u c f gz 2
观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸 活塞 飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。
问题：过程可逆的条件是什么？
可逆过程模拟
气缸
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能 量。能量既不可能创造，也不能消灭，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
换中，能量的总量恒定不变。
热力学第一定律是能量转换和守恒定律 在热力学上的应用，确定了热能和机械能之 间的相互转换的数量关系。 热力学第一定律：热能和机械能在转移 和转换的过程中，能量的总量必定守恒。 热
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
Байду номын сангаас
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
问题：左图中 阴影部分的面 积代表什么？
v
作功：
借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。
W f p2V2 p1V1 ( pV ) w f p2v2 p1v1 ( pv)
工质从进口到出口，从状 态1膨胀到状态2，膨胀功 为w ，在不计工质的动能 与位能变化时，开系与外 界交换的功量应为膨胀功 与流动功之差w - ( pv )
汽轮机简单模型
四、 焓 一、焓的定义：
第三章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练掌握热力学第一定律 的内容和实质，能将工程实际问题建立热力学模型。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能 量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。
作功过程中往往伴随着能量形态的变化。
气缸
热 源
飞 轮
传热：
左止点
借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。
传热是相互接触的物体间存在温差时发生的 能量传递过程。
二、容积功
气缸
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
w pdv
1
2
2
v
p
1
ｐ
2
w pdv
热力学能 符 号： U
比热力学能
u
J/kg
kJ/kg
单
位：
焦耳（J）
千焦(kJ)
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
U dU U 2 U1
1 2
u u u2 u1
dU 0
du 0
二、外部储存能
需要用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：
外部动能 热力系
内部能量
z 外部势能
一、热力学能(内能)
热力学能是储存在系统内部的能量， 它与系统内工质的内部粒子的微观运动和 粒子的空间位置有关，是下列各种能量的 总和：
分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
分子间相互作用形成的内位能。它是比体积 和温度的函数。
维持一定分子结构的化学能、原子核内部的 原子能及电磁场作用下的电磁能等。
德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环 保等相关的可持续发展观念的教育。 重 点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系 统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件， 在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过 程的计算。 难 点：热力学第一定律及其应用是本课程的重 点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢 固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件， 并能将理论与工程实际相联系。
1
2
v
强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功 2. dv 0 有 w 0 w 称为膨胀功
dv 0 有 w 0 w 称为压缩功
ｖ 图 上 的 表 示
可 逆 过 程 中 容 积 功 在
│
dv 0 有 w 0
三、随物质流传递的能量
工质在开口系统中流动而传递的功，叫 推动功。
内
能
U Uk U p
J
宏观动能 宏观位能
mc Ek 2
2
J
J
Ep mgz
储 存 能
mc 2 E U mgz 2
3-2
系统与外界传递的能量
一、作功与传热
作功和传热是能量传递的两种方式，因此功 量与热量都是系统与外界所传递的能量，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。所以，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。 问题: 能量是否还有其它的传递方式?