第二章 热力学第一定律

入口处： p1A1 d x = p1 d V1 = p1 v1 d m1
出口处： p2A2 d x = p2 d V2 = p2 v2 d m2
流动功：系统为维持工质流动所需的功。 （p v ) = p2 v2 – p1 v1 3. 几点说明： （1）是工质在开口系统中流动而传递的能量； （2）只有在工质流动过程中才出现； （3）工质在传递流动功时，没有热力状态的变化， 也没有能量形态的变化
1 2 2 (c f 2 c f 1 ) h1 h2 2
说明 ：工质流经喷管时，动能的增加等于 焓值的减少。
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例1：对定量的某种气体加热100kJ，使之由状态1 沿路径1a 2变化到状态2，同时对外作功60kJ。若外 界对气体作功40kJ，使之从状态2沿路径2b1返回状 态1，如图，问返回过程中工质与外界交换的热量 是多少？是吸热用力的存在所具有 的位能，与气体的比体积有关。 化学能，原子核能，电磁能。
单位：焦耳 J，符号 U 比热力学能：单位质量物质的热力学能，u, J / kg 2. 热力学能是温度和比体积的函数，是状态参数。 3. 热力学能的大小是相对的。 二. 宏观动能和宏观位能 1. 宏观动能：由于宏观运动速度而具有的动能。EK 2. 宏观位能：由于其在重力场中的位置而具有的位 能。 EP 三. 总储存能 （stored energy) 总储存能：系统的热力学能，宏观动能，宏观位 能之和，用E表示，单位J，KJ。 比储存能 e = u + e k+ ep
Q = W + U = W + U2 - U1
——闭口系统能量方程式（热一解析式）
二. 几点说明： （1）意义：加给工质的热量 a: 一部分用于增加工质的热力学能， b: 另一部分以作功的方式传递到外界。 （2） 对1kg工质 ：q = w + u （3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程 b: 理想气体。实际气体 c: 工质初，终态为平衡态
三. 压气机 泵，风机。 主要表现： （1）略散热，q为负，近似绝热过程; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0 能量方程式：
wc ws h2 h1
说明： 工质流经泵或风机时，消耗的轴功等 于工质焓的增加。
四. 绝热节流 阀门，孔板流量计等。 主要表现： （1）流动是绝热的； （2）不对外作功； （3）前后两个截面的动能，位能的变化较小，可忽 略cf2 =0, z =0。 能量方程式：
q h2 h1
说明：q等于换热器进出口工质比焓的变化。
二. 动力机械 各种热力发动机，如燃气轮机，蒸汽轮机； 主要表现 （1）略散热，近似绝热过程, q=0 ; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0 能量方程式：
ws h1 h2
说明（1）对外输出的轴功等于工质的焓降； （2）此时轴功就是技术功。
2—2 热力学第一定律的实质
(The first law of thermodynamics) 一. 几种表述 表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中，能 的总量始终不变。 表述2：不花费能量就能产生功的第一类永动机 （perpetual motion machine of the first kind)是永 远不可能制造出来的。 二. 方程表达式 对于任意热力系统（开口，闭口） 进入系统的能量 — 离开系统的能量 = 系统储 存能量的变化
Q net = w net
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2—4 开口系统的稳定流动稳定流动能量方程式
注意： （1）工质的热力状态参数及速度在不同截面不同 （2）开口系统可以借助工质的流动转移能量； （3）除了能量平衡外，还必须考虑质量平衡； （4）系统与外界交换的功，除了体积变化功，还 有流动功
（3）焓的基准点可以人为确定。
思考：
什么条件下，热力学能和焓可以同时为 “零”
四. 开口系统稳定流动能量方程式
1. 推导： 选开口系统； 假设：在时间t 内 流入：质量 m1 ,, cf1 流出：质量 m2, cf2 系统与外界：吸热Q， 对外做轴功Ws 完成过程：工质质量 m, 总储存能 ECV
2—3 闭口系统的热力学第一定律表达式
一. 闭口系统的能量方程（ energy equation) 选热力系统：汽缸活塞系统中的工质 假设：工质由平衡态1变化到平衡态2，从外界吸热 Q，对外作功W，忽略工质状态变化过程中 的动能，位能变化 依据：进入系统能量 – 离开系统能量 = 系统储存能 变化量 推导： Q – W = U
1
b
v
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例2：已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3230kJ/kg，
流速cf1=50m/s，离开汽轮机的排汽焓
h2=2300kJ/kg，流速cf2=120m/s，散热损失和进 出口位置高度差可忽略不计，蒸汽流量为 600t/h，求该汽轮机发出的功率是多少？
考察能量平衡： 进入系统的能量 – 离开系统的能量 = 系统储存能的变化量
分析： t 时间内流入系统的能量； 1 2 Q m1 (u1 c f 1 gz1 ) m1 p1v1 2
t 时间内流出系统的能量；
1 2 WS m2 (u2 c f 2 gz 2 ) m2 p2 v2 2
q u w
说明： （1）无论开口系统，闭口系统，其热变为功的实质 是一样的，都是通过工质体积的膨胀将热能转变为 机械能，只不过对外表现形式不同。 （2）不可利用：流动功 可以直接利用：工质动能，位能，工质对机器 所作轴功 五. 技术功 1. 定义：在热力学中，将工程上可以直接利用的 动能增量，位能增量，轴功总和称为----。
三. 几种形式表达式 1. 任意过程 Q = U + W q=u+w 2. 任意微元过程 Q=dU+W q=du+w 3. 可逆过程 Q = U + 12 p d V q = u + 12 p d v
4. 可逆微元过程 5. 循环
Q=dU+pdV q=du+pdv
Q W
h2 h1
说明（1）节流前后焓值相等； （2）节流过程是典型的不可逆过程。
五. 喷管 收缩型喷管，缩放型喷管（拉瓦尔喷管） 主要表现： （1）流经喷管时，速度大，时间短，散热很小 流动近似是绝热的； （2）属于管内流动，无轴功输入或输出； （3）位能的变化较小，可忽略 z =0。 能量方程式：
1 2 wt c f gz wS 2
2.
W， WS， WT， (pv) ,的关系
w wt ( pv) wt w ( pv)
3. 可逆过程中技术功表示：
wt vdp
1
2
坐标图中的表示：
六. 开口系统稳定流动能量方程式的几种形式 Q = H + W t q = h + wt 2. 任意微元过程 Q = d H + Wt q=dh+wt 1. 任意过程 3. 可逆过程 Q = H - 12 V d p q = h - 12 v d p Q=dH -Vdp q=dh -vdp
系统储存能的增量：
ECV
整理：
1 1 2 2 Q m(u2 c f 2 gz 2 ) mp 2 v2 m(u1 c f 1 gz1 ) mp1v1 WS 2 2 1 1 2 2 Q ( H 2 H1 ) m( c f 2 c f 1 ) m( gz 2 gz1 ) WS 2 2 1 2 Q H mc f mg z WS 2 1 2 q h c f gz wS 2
开口系统稳定流动的能量方程式
适用条件（1）稳定流动 （2）可逆过程，不可逆过程
2. 稳定流动能量方程式的分析
1 2 q u c f gz ( pv ) wS 2
工质 吸收 热量
工质热 力学能 的变化
工质机械 能的变化
为维持 工质流 动所需 流动功
工质对 机器所 作轴功
比较：闭口系统能量方程式：
5. 焓是状态参数，对于闭口系统，其没有物理意义。
6. 流动功的改变量，仅取决于系统进出口处的状态， 而与工质经历的过程无关。
7. 工质所作的膨胀功与技术功，在某种条件下， 两者的数值会相等。
8. 封闭热力系内发生可逆定容过程，系统一定 不对外做容积变化功。
9. 气体膨胀时一定对外作功。 10. 工质吸热后一定会膨胀。 11. 自然界中发生的一切过程，都必须遵循能量 守恒定律，反之则不然。
2—1 热力系统的储存能
储存能： 储存在热力系统的能量。 （1）内部储存能———热力学能 （2）外部储存能———宏观动能，宏观位能。 一. 热力学能 （internal energy) 1. 热力学能：组成物质的微观粒子所具有的能量。
主要包括
（1）内动能：物质内部分子，原子等微观粒子不 停地作热运动的热运动动能，是温度的函数。
2—5
稳定流动能量方程式的应用
q u w 1 2 q h c f gz wS h wt 2
一. 热交换器 （heat exchange) 各种加热器，冷却器，散热器，蒸发器，冷凝器等。 主要表现 （1）与外界只有热量交换，无功量交换，ws=0; （2）动能，位能的变化较小，可忽略cf2 =0, z =0 能量方程式：
一. 稳定流动 （steady flow) 1. 稳定流动：热力系统内部及边界上各点工质的 热力参数和运动参数不随时间而改变