工程热力学第2章
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物理模型 physics model
Time τ0
Time τ0 ＋dτ
引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。
经历dτ时间后，系统内的质量变化： dmm 1m 2
由此可得： dmm1 m2 d d d
ddm qm1qm2
该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工 质质量增加的数量等于流入和流出系统的流量之差。
现的。
系统经历一个热力循环后，它所接受的净热量转换为对 外所作的净功。即：
QW δqδw
关于永动机问题的思考
各种永动机问题长期困扰着科技界与社会 第一类永动机—不消耗能量而能对外连续作功的机器。 第二类永动机—从单一热源取热，并将其全部转变机械功 的机器（或：热效率等于100%的机器）[有关问题在第五章中 将详细讨论]。 长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一 有所收获。 希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。
对于无耗散的准静态过程， wpdv
因此上述诸式可写为：
QdUW
Q 1 2 (U 2 U 1 ) W 1 2
Q dUpdV
2
Q 12(U2U1)1pdV
对1kg工质，有：
qduw
q 1 2 (u 2 u 1 ) w 1 2
qdupdv
2
q12(u2u1)1pdv
2-3 开口系统能量方程 The energy equation for Control Volumes
（2-6a）
2-4 稳定状态稳定流动能量方程式 The energy equation for steady and uniform flow
一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。 稳定状态：各点的状态不随时间变化； 稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。
系统与外界交换的热量和功量稳定不变。
能量交换的情况：①加入系统的热量：
Q
②系统对外所作的轴功：
Ws
推动功—推动工质流入、流出系统所消耗的功量
Fidx(p1A1)dA11Vp1v1m1
入口截面处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功：
p1v1m1 （外界对系统作功）
出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为：
p2v2m2 （系统对外界作功）
因：
eek ep u
而:
ek
1 2
cf2
以及： ep gz
将其代入上述开口系统能量方程式，即有：
Q d E m 2 [u 2 ( 1 2 c f 22 g2 ) zp 2 v 2 ]
m 1[u (11 2cf21 g1)zp1v1]W s
Q d d E q m [u 2( 2 1 2 c f 22 g2 )z p 2 v 2 ] qm[1u (11 2cf21 g1)zp1v1]P s
第二章 热力学第一定律 Chapter 2 The first Law of Thermodynamics
2-1 热力学第一定律 能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。 能量守恒和转换定律—能量是可以相互转换的，且转换前
后的总量保持不变。 热力学第一定律—热能与机械能是可以相互转换的，且转
换前后的总量保持不变。 不消耗能量而能对外连续作功的第一类永动机是不可能实
2021/3/11
第二章 热力学第一定律
Biblioteka Baidu
5
2021/3/11
第二章 热力学第一定律
6
课后作业（小论文，两个题目选一）
①收集一个或两个永动机例子，说明其“设计思想和原 理”，分析其错误所在，谈谈它所造成影响和危害。
②在阅读有关永动机文献的基础上，写出一篇关于永 动机问题的小综述报告。
通过这样一个活动，深刻理解永动机的危害，进一步 树立正确的、科学的思想方法。
2021/3/11
第二章 热力学第一定律
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2-2 闭口系统能量方程式
The energy equation for Control Mass
能量方程式—热力过程中，系统与外界交换的能量及系统本 身总能量之间的关系式。
热力学能U/J：系统内部各种形式能量的总和。包括： 内部动能—包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子 的振动动能，温度越高，内部动能越大。 内部位能—由分子间相互作用力形成。大小取决于分子件 的距离。 化学能、原子能等。 在没有化学反应、核反应的物理过程中，热力学能的变化 只包括内部动能和内部位能的变化。 热力学能是个状态参数。
过程特点： Characteristic:
ddm qm1qm20
qm1qm2qmConst
dE 0 d
将其代入式（2-6a）：
Q d d E q m [u 2( 2 1 2 c f 22 g2 )z p 2 v 2 ] qm[1u (11 2cf21 g1)zp1v1]P s
几个永动机的例子：
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第二章 热力学第一定律
2
2021/3/11
大气机
压气机 从大气中取气
p
压力容器 w
第二章 热力学第一定律
取回部分功量 驱动压气机
3
某人的永动机构思 ？？机
水分解装置
水
H2
氢气发动机 w
取回部分功量驱动水分解 装置
2021/3/11
第二章 热力学第一定律
4
自然热的利用 The use of the heat in nature
比热力学能u/(J/kg)： u U m
比热力学能可由任意两个独立参数确定：
uu1(p,v) uu2(v,T) uu3(p,T)
系统的总能量E/J： EEkEpU
宏观动能
宏观位能
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第二章 热力学第一定律
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闭口系统与外界间可能发生的能量交换：热量和功量
一般不作整体位移，Ek与Ep的变化均为零，因此与外界交 换能量（功量W、热量Q）的结果只是导致热力学能U 的变化。
对于微元过程，有： 即：
对于热力过程1-2,有：
dUQW
QdUW
Q 1 2 (U 2 U 1 ) W 1 2
对1kg工质，有：
qduw
q 1 2 (u 2 u 1 ) w 1 2
式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负； 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。
③于是开口系统对外界输出的净推动功为：
p2v2m 2p1v1m 1
④过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为 ：
e1m1e2m2
由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系为 ：
d E Q W s ( p 2 v 2 m 2 p 1 v 1 m 1 ) ( e 1 m 1 e 2 m 2 )
Time τ0
Time τ0 ＋dτ
引起系统内部能量变化的原因：质量交换和能量交换。
经历dτ时间后，系统内的质量变化： dmm 1m 2
由此可得： dmm1 m2 d d d
ddm qm1qm2
该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工 质质量增加的数量等于流入和流出系统的流量之差。
现的。
系统经历一个热力循环后，它所接受的净热量转换为对 外所作的净功。即：
QW δqδw
关于永动机问题的思考
各种永动机问题长期困扰着科技界与社会 第一类永动机—不消耗能量而能对外连续作功的机器。 第二类永动机—从单一热源取热，并将其全部转变机械功 的机器（或：热效率等于100%的机器）[有关问题在第五章中 将详细讨论]。 长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动机，无一 有所收获。 希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。
对于无耗散的准静态过程， wpdv
因此上述诸式可写为：
QdUW
Q 1 2 (U 2 U 1 ) W 1 2
Q dUpdV
2
Q 12(U2U1)1pdV
对1kg工质，有：
qduw
q 1 2 (u 2 u 1 ) w 1 2
qdupdv
2
q12(u2u1)1pdv
2-3 开口系统能量方程 The energy equation for Control Volumes
（2-6a）
2-4 稳定状态稳定流动能量方程式 The energy equation for steady and uniform flow
一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。 稳定状态：各点的状态不随时间变化； 稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。
系统与外界交换的热量和功量稳定不变。
能量交换的情况：①加入系统的热量：
Q
②系统对外所作的轴功：
Ws
推动功—推动工质流入、流出系统所消耗的功量
Fidx(p1A1)dA11Vp1v1m1
入口截面处，外界推动工质流入系统所消耗的推动功：
p1v1m1 （外界对系统作功）
出口截面处，系统为推动微元工质流出系统消耗的推动功为：
p2v2m2 （系统对外界作功）
因：
eek ep u
而:
ek
1 2
cf2
以及： ep gz
将其代入上述开口系统能量方程式，即有：
Q d E m 2 [u 2 ( 1 2 c f 22 g2 ) zp 2 v 2 ]
m 1[u (11 2cf21 g1)zp1v1]W s
Q d d E q m [u 2( 2 1 2 c f 22 g2 )z p 2 v 2 ] qm[1u (11 2cf21 g1)zp1v1]P s
第二章 热力学第一定律 Chapter 2 The first Law of Thermodynamics
2-1 热力学第一定律 能量守恒和转换定律在工程热力学中的应用。 能量守恒和转换定律—能量是可以相互转换的，且转换前
后的总量保持不变。 热力学第一定律—热能与机械能是可以相互转换的，且转
换前后的总量保持不变。 不消耗能量而能对外连续作功的第一类永动机是不可能实
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第二章 热力学第一定律
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第二章 热力学第一定律
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课后作业（小论文，两个题目选一）
①收集一个或两个永动机例子，说明其“设计思想和原 理”，分析其错误所在，谈谈它所造成影响和危害。
②在阅读有关永动机文献的基础上，写出一篇关于永 动机问题的小综述报告。
通过这样一个活动，深刻理解永动机的危害，进一步 树立正确的、科学的思想方法。
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第二章 热力学第一定律
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2-2 闭口系统能量方程式
The energy equation for Control Mass
能量方程式—热力过程中，系统与外界交换的能量及系统本 身总能量之间的关系式。
热力学能U/J：系统内部各种形式能量的总和。包括： 内部动能—包括分子的移动动能、转动动能，分子中原子 的振动动能，温度越高，内部动能越大。 内部位能—由分子间相互作用力形成。大小取决于分子件 的距离。 化学能、原子能等。 在没有化学反应、核反应的物理过程中，热力学能的变化 只包括内部动能和内部位能的变化。 热力学能是个状态参数。
过程特点： Characteristic:
ddm qm1qm20
qm1qm2qmConst
dE 0 d
将其代入式（2-6a）：
Q d d E q m [u 2( 2 1 2 c f 22 g2 )z p 2 v 2 ] qm[1u (11 2cf21 g1)zp1v1]P s
几个永动机的例子：
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第二章 热力学第一定律
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大气机
压气机 从大气中取气
p
压力容器 w
第二章 热力学第一定律
取回部分功量 驱动压气机
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某人的永动机构思 ？？机
水分解装置
水
H2
氢气发动机 w
取回部分功量驱动水分解 装置
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第二章 热力学第一定律
4
自然热的利用 The use of the heat in nature
比热力学能u/(J/kg)： u U m
比热力学能可由任意两个独立参数确定：
uu1(p,v) uu2(v,T) uu3(p,T)
系统的总能量E/J： EEkEpU
宏观动能
宏观位能
2021/3/11
第二章 热力学第一定律
9
闭口系统与外界间可能发生的能量交换：热量和功量
一般不作整体位移，Ek与Ep的变化均为零，因此与外界交 换能量（功量W、热量Q）的结果只是导致热力学能U 的变化。
对于微元过程，有： 即：
对于热力过程1-2,有：
dUQW
QdUW
Q 1 2 (U 2 U 1 ) W 1 2
对1kg工质，有：
qduw
q 1 2 (u 2 u 1 ) w 1 2
式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负； 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。
③于是开口系统对外界输出的净推动功为：
p2v2m 2p1v1m 1
④过程中流入、流出系统的工质所带入系统的净能量为 ：
e1m1e2m2
由上述各项能量，可以得到开口系统的能量转换关系为 ：
d E Q W s ( p 2 v 2 m 2 p 1 v 1 m 1 ) ( e 1 m 1 e 2 m 2 )