第2章+热力学第一定律(中文课件)

1 2 q u c f gz ( pv) wS 2
结论：无论闭口系统，开口系统，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。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-4-5 技术功
1. 技术功的定义
热力学中，将工程技术上可以直接利用的 动能增量，位能增量，轴功总和称为技术功。
( pv) p2v2 p1v1
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dm1
1 1 2
说明
dx1
p1 v1 T1 A1
2 dx2 p2 v2 T2 A2
dm2
（1）是工质在开口系统中流动而传递的能量； 只有在工质流动过程中才出现。
（2）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。
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工程热力学与传热学
工程热力学 第二章 热力学第一定律
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第二章 热力学第一定律
内容要求:
掌握热力学能，储存能的含义 深刻理解热力学第一定律的实质 掌握热力学第一定律在闭口系统，开口系统中 能量方程式的形式 掌握体积变化功，流动功，技术功的含义及相 互关系 掌握焓的含义
2-4-4 开口系统稳定流动能量方程式
（The first law applied to open system - steady flow）
1. 稳定流动能量方程式 系统：选开口系统 假设：在时间 t 内
流入工质：质量 m1，cf1 z1 流出工质：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
dm2
2. 表示
入口处： W f 1 p1 A1dx1 p1dV1 p1v1dm1 出口处： W f 2 p2 A2 dx2 p2 dV2 p2v2 dm2 单位质量工质： w f 1
W f 1
dm1
p1v1
wf 2
W f 2
dm2
p2v2
系统为维持工质流动所需的流动功：

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2-1 热力系统的储存能
热力系统的储存能： 储存于热力系统的能量。
（1）内部储存能 —— 热力学能 （2）外部储存能 —— 宏观动能，宏观位能
2-1-2 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。 热力学能与物质的分子结构及微观运动形式有关。 （1）内动能 物质内部的分子，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。
Q
cf 2
z2
t 时间内流出系统的能量：
1 2 WS m2 (u2 c f 2 gz2 ) m2 p2v2 2
2 p2 v2 m2
思考
系统储存能的增量：
ECV
稳定流动时，系统储存能 的增量是多少？
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整理：
1 2 1 2 Q m(u2 c f 2 gz2 ) mp2v2 m(u1 c f 1 gz1 ) mp1v1 WS 2 2
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2-4-1 稳定流动（Steady flow）
1. 稳定流动
开口系统内部及边界上各点工质的热力参数和运动参数 不随时间变化的流动过程。
2. 特点
工质质量流量 维持恒定 系统储存能量 维持恒定 流通截面上一 切参数恒定
单位时间流入 系统的工质质 量等于流出系 统的工质质量
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思考题
分析下面的说法是否正确
1. 自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守恒定律。
2. 遵守能量守恒与转换定律的一切过程都可以自发进行。
3. 热力学第一定律可用于任意系统，任意工质，任意过程。
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2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
2-3-1 闭口系统的能量方程（Energy equation）
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例
题
1. 一个装有２kg工质的闭口系统经历了如下过程：过程中 系统散热25kJ，外界对系统作功100kJ，比热力学能减少 15kJ/kg，而且整个系统被举高1000m。试确定过程中系 统动能的变化。
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例
题
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态1 到状态2， 气体吸热500kJ，活塞对外做功800kJ。从状态2到状态3 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 450kJ。并且已知U1=2000kJ，U3=3500kJ。 试计算2-3过程中气体体积的变化。
1 2 wt c f gz wS 2
2. W、WS、Wt、(pv) 的关系
w wt ( pv) wt w ( pv)
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3. 可逆过程中技术功的计算式
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2-1-2 宏观动能和宏观位能
1. 宏观动能（Kinetic energy）
由于宏观运动速度而具有的动能，用 EK 表示。
2. 宏观位能（Potential energy）
由于其在重力场中的位置而具有的位能，用 EP 表示。
Ek 1 mc 2 f 2 E p mgz
2-1-3 总储存能（Stored energy）
总储存能：E= U + EK + EP 比储存能： e = u + e k+ ep 单位 J，KJ。 单位 J/kg，KJ/kg。
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思考题
等量空气从相同的初态出发，分别经过可逆绝热过程A 和不可逆绝热过程B到达相同的终态，分析空气的热力学能 变化ΔUA, ΔUB的关系。
Q = W + U = W + U2 - U1
—— 闭口系统能量方程式（热一解析式）
2-3-2 几点说明
（1）意义：加给工质的热量
Q
W
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。
u
（2）对于1kg工质 ：q = w + u （3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程。
为维持 工质流 动所需 流动功
工质吸 收的热 量
思考
工质热 力学能 的变化
工质机 械能的 变化
工质对 机器所 作轴功
热量，热能，热力学能的含义。
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分析 闭口系统能量方程式
q u w
开口系统稳定流动能量方程式
w
1 2 c f gz ( pv) wS 2
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 忽略工质宏观动能，位能的变化
1
Q
2
W
闭口系统能量守恒
依据：热力学第一定律
进入系统 的能量
-
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
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推导： Q – W = U
W pdV
1
2
w p dv
1
2Fra Baidu bibliotek
（4）可逆微元过程
（5）循环
Q W
Q net = w net
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思考题
q=w+u
分析下面的说法是否正确
1. 系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有温度变化， 故该系统中工质不能与外界交换热量。 2. 封闭热力系内发生可逆定容过程时，系统一定不对外作 容积变化功。 3. 封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。 4. 气体膨胀时一定对外作功。 5. 工质吸热后一定会膨胀。
h2
h1
1 2 1 2 Q ( H 2 H1 ) m( c f 2 c f 1 ) m( gz2 gz1 ) WS 2 2
1 2 Q H mc f mgz WS 2
q h 1 2 c f gz wS 2
——开口系统稳定流动的能量方程式
b: 理想气体，实际气体。 c: 工质初，终态为平衡状态。
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2-3-3 几种不同形式的表达式
（1）任意过程 （2）任意微元过程 （3）可逆过程 Q=U+W q=u+w
q: 微元热量 w: 微元功量 d u: 热力学能的微元变化量
Q=dU+W q=du+w Q = U + 12 p d V q = u + 12 p d v Q=dU+pdV q=du+pdv
适用条件（1）稳定流动。
（2）可逆过程，不可逆过程。 （3）理想气体，实际气体。
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2. 稳定流动能量方程式的分析
1 2 q h c f gz wS 2 h u ( pv)
1 2 q u c f gz ( pv) wS 2
单位时间内加入 系统的净热及系 统对外做的净功 不随时间改变
任何空间点上 工质的状态参 数和流速不随 时间而变化。
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2-4-2 流动功（Flow work）
1. 流动功
开口系统中因工质流动 而传递的功。
dm1
1 1 2
dx1
p1 v1 T1 A1
2 dx2 p2 v2 T2 A2
p1 v1 m1
1
cf1
1
Ws
2
cf 2
Q
z2
2 p2 v2 m2
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依据：
进入系统 的能量
-
离开系统 的能量
=
p1 v1 m1
1
系统储存 能量的变化
cf1
1
t 时间内进入系统的能量：
1 2 Q m1 (u1 c f 1 gz1 ) m1 p1v1 2
Ws
2
z1
（3）热力学能是状态参数，是工质温度和比体积的函数。
u f (T , v), or u f (T , p), or u f ( p, v) u du u2 u1
1 2
du 0
（4） 热力学能的大小是相对的。
思考
可否找到这样一个状态点： 物质内部的一切运动都停止，热力学能为绝对零值？
是永远不可能制造出来的。
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2-2-2 方程表达式
对于任意热力系统（开口，闭口），热力过程：
进入系统 的能量
-
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
热力学能，宏观动能， 宏观位能的变化。
功量，热量， 工质的储存能
热力学第一定律是人类在实践中积累的 经验的总结，不能用数学或其他理论证明。
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（2）内位能 由于分子间相互作用力的存在所具有的位能， 与气体的比体积有关。
（3）化学能，原子核能，电磁能。
热力学能
内动能
+
内位能
+
化学能
+
原子核能
+
电磁能
内动能
+
内位能
可忽略
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2. 对热力学能的几点说明
（1）热力学能的单位和符号：单位：焦耳 J，符号 U。 （2）比热力学能：单位质量物质的热力学能。 u, J / kg。
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2-2 热力学第一定律的实质
（The first law of thermodynamics)
2-2-1 热力学第一定律的几种表述形式
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：不花费能量就可以产生功的第一类永动机
（Perpetual motion machine of the first kind）
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2-4 开口系统稳定流动的能量方程式
p1 v1 m1 1
cf1
1
Ws
2
分析
Q
cf 2
2 p2 v2 m2
1. 工质的热力状态参数及速度在不同截面上不同。 2. 开口系统除了通过作功和传热方式传递能量外， 还可以借助工质的流动转移能量。 3. 除了考虑系统的能量平衡外，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）流动功并不是工质本身的能量。是由泵（或风机） 提供的用来维持工质流动，并伴随工质的流入（出） 而带入（出）系统的能量。
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2-4-3 焓（Enthalpy）
1. 定义： 焓
H=U+pV 比焓 h = u + p v J，kJ J /kg，kJ/ kg
2. 对焓的几点说明
（1）物理意义：焓表示随工质流动而转移的总能量中 取决于热力状态的那部分能量。 （2）焓是一个状态参数。
H f (T , v) H1 2 dH H 2 H1
1 2
（3）焓的基准点可以人为确定。
思考
dH 0
什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”？
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