2 热力学基本定律
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若不计活塞重量及摩擦力，拔掉销钉后，气体按下述两种过程膨胀至 V2 3000cm3 求气体所做的功。
① 按 pV 1.4 const 规律可逆膨胀； ② 初始状态下，弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度为 150N/cm 。
解：略。
W 0 系统向外界做功
W 0 外界向系统做功
关于热量—Heat
δWs
Ein : Heat-in δQ
dx1
Energy with mass in
dm1
e1
dm1 (u1
c12 2
gz1 )
z1
Flow work in
p1, v1, A1
δQ
z2
dm1 p1v1 适用于任何工质的任何流动过程
2 dm2
p2 , v2 , A2
E : out Work output δWs
will not cause it to rotate.
in a cooler room.
动地朝一个方向进行，这类过程称为自发过程；而其逆
Other方s:向地过程不能单独自动进行，这类过程称为非自发过 • Gas Free Expansion
• Mixtu程re。Pr若oc要es非s 自发过程得以实现，必须附加某些补充条件，
Q
δQ dU δW
δq du δw
2
2
W 1 δW 1 pdV
Q U W q u w δq du δw
Reversible
2
Q U 1 pdV
2
q u 1 pdv
δq du pdv
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2.4 开口系统的能量方程
适用条件：
只适用于不平衡势差无限小的过程。
Quasi-Equilibrium
Reversible
抵抗外力做功
Unequilibrium
2
W 1 Rdx
Irreversible
例2-1
如图所示，气缸初始状态下： p1 0.6MPa,V1 1000cm3 活塞面积：A 100cm2 大气压力 p0 0.1MPa
*** We will use the 2nd Law as a tool to evaluate whether a process is possible. ***
自发过程 Spontaneous Process
•Mechanical
Heat
• Heat Transfer
Transferring he一at 切to a实pa际dd的le 热whe力el过程A都cu具p o有f h方ot c向off性ee ，doe只s n能ot单get独ho自tter
Q
qm2
h2
c22 2
gz2
qm1
h1
c12 2
gz1
Ws
E
qm2 qm1 E 0
Q
qm
h2
c22 2
gz2
h1
c12 2
gz1
Ws
q
h
c22
c12 2
gz
ws
δq
dh
1 2
dc2
gdz
δws
适用于任何工质的任何稳定流动过程
容积功、技术功与轴功
Q
qm
• Energy can be neither created nor destroyed . It can only change forms.
能量既不可能被创造也不可能被消灭，只能从一种形式转换 成另一种形式。
• Energy can change many forms, but its total value keeps constant. 孤立系统中，能量形式可以转换，但能量总值保持恒定。
N Ns1 Ns2 28000 103600 75600kW
或 将整套装置取为系统
3)汽轮机功率
q 630kJ/kg, gz 0
q 0, gz 0
ws2
1 2
(c42
c52 )
(h4
h5 )
1036kJ/kg
Ns2 qm ws2 100 (1036) 103600kW
q
1 2
2.2 能量的传递形式
进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的①增量
Work Heat Mass 系统与外界的交互作用
物质进、出系统的状态
② 闭口系统 Closed System ③ 开口系统 Open system
1st Law
关于系统储存能
物质本身所具有的能量称为储存能。分为外部存储能(External) 和内部存储能（内能，Internal）。
External
Kinetic
Ek
1 2
mv
2
;
ek
1 v2 2
Potential Ep mgz;ep gz
Internal (U) State Property
Physical Chemical Nuclear
U f (v,T )
注意： 内能是比体积和温度的函数 内能是状态参数
Total Energy =Internal+External
为了保持流动而必须耗费的推动功。
推动功 Flow Work
Flow in: δWf 1 p1A1dx1 p1dV1 p1v1dm1 wf 1 p1v1
Flow out: wf 2 p2v2
wf p2v2 p1v1
2.4 开口系统的能量方程
1
1st Law: Ein Eout E
dm1
Reversible Process w pdv
wt w pv vdp
p 1
p1
dA vdp
2 p2
v
QUIZ
① 容积功Volumetric Work、技术功 Technical Work和轴功Shaft Work的区别与 联系是什么？
② 按照计算公式，W Wt ?
机械能守恒式 Mechanical Energy Balance
Q
[qm2
(u2
p2v2
c22 2
gz2 ) qm1 (u1
p1v1
c12 2
gz1)] Ws
E
2.5 稳定流动系统的能量方程
稳定流动 Steady Flow
— fluid properties remain constant during the entire process
— mass balance qm2 qm1 qm — energy in=energy out E 0
压缩机
ws h h1 h2 280 560 280kJ/kg Ns1 qm ws 100 (280) 28000kW
1
空气
气轮机 5
2)喷管出口流速,流经换热器和喷管
4)整套装置功率
q 630kJ/kg, gz 0, ws 0
q
1 2
(c42
c22 )
(h4
h2
)
c4 =938m/s
(c52
c12
)
(h5
h1 )
ws
N qm ws
2.6 热力学第二定律 2nd Law of Thermodynamics
Natural process is directive.
2nd Law is used to determine the direction condition limitation of a thermal process.
热功当量：热量以卡为单位时，热量 与功之间的数量关系。
1cal 4.184J
焦耳
1kcal 4.27kg m
{Energy Entering CV } － {Energy Leaving CV} ={Energy Accumulating in CV}
进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的增量
Energy with mass out
dm2
e2
dm2 (u2
c22 2
gz2 )
Flow work out
dm2 p2v2
Q
qm2
h2
c22 2
gz2
qm1
h1
c12 2
gz1
Ws
E
Enthaply 焓 工质流动时，与外界传 递的、与其热力状态有
h u pv 关的总能量。
空气流量 qm 100kg/s
过程中忽略位能变化
求:1)压缩机功率；2)喷管出口流速；3)气轮机功率；4)整套装置功率
解： 工质在整套装置内的流动为稳定流动，应用稳定流动能量方程求解。
q
h
c22
2
c12
gz
ws
例2-2
1)压缩机功率
q
换热器 3
2
4
喷管
q 0, gz 0, c22 c12 0 2
Reversible Process
wt
c2 2
gz
ws
wt vdp
vdp
1 2
dc2
gdz
δws
0
For Quasi-Equilibrium Process with Friction
vdp
1 dc2 2
gdz δws
δwF
0
vdp
1 dc2 2
gdz δwF
0
Bonulli Equation
热力学基本定律
BASIC LAWS of THERMODYNAMICS
Objectives
① 1st Law of Thermodynamics
热力学第一定律
Energy Forms and Energy Transfer 能量的传递 Energy Balance for Closed System 闭口与开口系统中的能量方程 Energy Balance for Open System 稳定流动系统系统中的能量方程 Energy Balance for Steady-Flow System
② 2nd Law of Thermodynamics 热力学第二定律
Entropy 熵
能量传递过程的方向、条件和极限
Direction Condition Limitation
③ Engineering Applications of Basic Laws
2.1 热力学第一定律
Conservation of Energy Principle 能量守恒与转换定律
• The perpetual-motion machine of the first kind can never be made. 第一类永动机是不可能制成的。
曾经的“第一类永动机”设想
2.1 热力学第一定律
In 1843, at the age of 25, James Prescott Joule did a series of careful experiments to prove the equivalence of heat and work.
h2
c22 2
gz2
h1
c12 2
gz1
Ws
q
u
(
pv)
1 2
c2
gz
ws
流动功(推动功)—用 工质动能
于维持工质的流动
变化
工质势能 输出 变化 轴功
流动工质本身具有的能量 工程上真正可利用的能量
焓 h
技术功 wt
q h wt
w wt w ( pv) vdp
示功图
仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体
例2-2
q 换热器 3 2 压缩机
1 空气பைடு நூலகம்
4 喷管
汽轮机 5
绝热压缩
h1 280kJ/kg c1 10m/s h2 560kJ/kg c2 10m/s
换热器吸热 q 630kJ/kg
绝热膨胀
h4 750kJ/kg h5 150kJ/kg c5 85m/s
=U+Ek+Ep
dU 0
2
U 1 dU U2 U1
2.3 封闭系统的能量方程
Closed System —— Work 系统与外界的交互作用 功—系统与外界相互作用、通过系统边界而传递的能量，
其全部效果为使外界物体改变宏观运动状态。
包含两个必要条件： 二者缺一不可
(1) 确定有力作用在边界上，即系统与外界有相互作用，且系统
内外力的不平衡势差无限小；
(2) 系统边界发生位移，即外界物体改变宏观运动状态。
抵抗外力作用付出的代价才 称为做功。功量的大小不取 决于系统内压力，而取决于 系统需要克服的外力。
p
Vacuum
拔掉销钉后，系统向真空膨胀， 求系统做功？
容积功
δW Fdx p Adx pdV
过程量
2
W 1 δW W12 W2 W1
1 dm1
dx1
z1
p1, v1, A1
Difference between Open System and Closed System？
① Mass and energy
δWs
与外界的质量交换及传递工质本身
2
所具有的能量
dm2 ② Mass balance 系统质量守恒
δQ
z2 p2 , v2 , A2 ③ Work for keeping flow
系统与外界间由于温度不同而传递的能量称为热量。 过程量
Q 0 系统从外界吸热 Q 0 系统向外界散热
过程热量是否也能用图示法表示？
？
dQ ?
？
2.3 封闭系统的能量方程
进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的增量
1st Law Closed System 一般表达式
U
W Q U W
q u w
① 按 pV 1.4 const 规律可逆膨胀； ② 初始状态下，弹簧与活塞接触但不受力，弹簧刚度为 150N/cm 。
解：略。
W 0 系统向外界做功
W 0 外界向系统做功
关于热量—Heat
δWs
Ein : Heat-in δQ
dx1
Energy with mass in
dm1
e1
dm1 (u1
c12 2
gz1 )
z1
Flow work in
p1, v1, A1
δQ
z2
dm1 p1v1 适用于任何工质的任何流动过程
2 dm2
p2 , v2 , A2
E : out Work output δWs
will not cause it to rotate.
in a cooler room.
动地朝一个方向进行，这类过程称为自发过程；而其逆
Other方s:向地过程不能单独自动进行，这类过程称为非自发过 • Gas Free Expansion
• Mixtu程re。Pr若oc要es非s 自发过程得以实现，必须附加某些补充条件，
Q
δQ dU δW
δq du δw
2
2
W 1 δW 1 pdV
Q U W q u w δq du δw
Reversible
2
Q U 1 pdV
2
q u 1 pdv
δq du pdv
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
2.4 开口系统的能量方程
适用条件：
只适用于不平衡势差无限小的过程。
Quasi-Equilibrium
Reversible
抵抗外力做功
Unequilibrium
2
W 1 Rdx
Irreversible
例2-1
如图所示，气缸初始状态下： p1 0.6MPa,V1 1000cm3 活塞面积：A 100cm2 大气压力 p0 0.1MPa
*** We will use the 2nd Law as a tool to evaluate whether a process is possible. ***
自发过程 Spontaneous Process
•Mechanical
Heat
• Heat Transfer
Transferring he一at 切to a实pa际dd的le 热whe力el过程A都cu具p o有f h方ot c向off性ee ，doe只s n能ot单get独ho自tter
Q
qm2
h2
c22 2
gz2
qm1
h1
c12 2
gz1
Ws
E
qm2 qm1 E 0
Q
qm
h2
c22 2
gz2
h1
c12 2
gz1
Ws
q
h
c22
c12 2
gz
ws
δq
dh
1 2
dc2
gdz
δws
适用于任何工质的任何稳定流动过程
容积功、技术功与轴功
Q
qm
• Energy can be neither created nor destroyed . It can only change forms.
能量既不可能被创造也不可能被消灭，只能从一种形式转换 成另一种形式。
• Energy can change many forms, but its total value keeps constant. 孤立系统中，能量形式可以转换，但能量总值保持恒定。
N Ns1 Ns2 28000 103600 75600kW
或 将整套装置取为系统
3)汽轮机功率
q 630kJ/kg, gz 0
q 0, gz 0
ws2
1 2
(c42
c52 )
(h4
h5 )
1036kJ/kg
Ns2 qm ws2 100 (1036) 103600kW
q
1 2
2.2 能量的传递形式
进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的①增量
Work Heat Mass 系统与外界的交互作用
物质进、出系统的状态
② 闭口系统 Closed System ③ 开口系统 Open system
1st Law
关于系统储存能
物质本身所具有的能量称为储存能。分为外部存储能(External) 和内部存储能（内能，Internal）。
External
Kinetic
Ek
1 2
mv
2
;
ek
1 v2 2
Potential Ep mgz;ep gz
Internal (U) State Property
Physical Chemical Nuclear
U f (v,T )
注意： 内能是比体积和温度的函数 内能是状态参数
Total Energy =Internal+External
为了保持流动而必须耗费的推动功。
推动功 Flow Work
Flow in: δWf 1 p1A1dx1 p1dV1 p1v1dm1 wf 1 p1v1
Flow out: wf 2 p2v2
wf p2v2 p1v1
2.4 开口系统的能量方程
1
1st Law: Ein Eout E
dm1
Reversible Process w pdv
wt w pv vdp
p 1
p1
dA vdp
2 p2
v
QUIZ
① 容积功Volumetric Work、技术功 Technical Work和轴功Shaft Work的区别与 联系是什么？
② 按照计算公式，W Wt ?
机械能守恒式 Mechanical Energy Balance
Q
[qm2
(u2
p2v2
c22 2
gz2 ) qm1 (u1
p1v1
c12 2
gz1)] Ws
E
2.5 稳定流动系统的能量方程
稳定流动 Steady Flow
— fluid properties remain constant during the entire process
— mass balance qm2 qm1 qm — energy in=energy out E 0
压缩机
ws h h1 h2 280 560 280kJ/kg Ns1 qm ws 100 (280) 28000kW
1
空气
气轮机 5
2)喷管出口流速,流经换热器和喷管
4)整套装置功率
q 630kJ/kg, gz 0, ws 0
q
1 2
(c42
c22 )
(h4
h2
)
c4 =938m/s
(c52
c12
)
(h5
h1 )
ws
N qm ws
2.6 热力学第二定律 2nd Law of Thermodynamics
Natural process is directive.
2nd Law is used to determine the direction condition limitation of a thermal process.
热功当量：热量以卡为单位时，热量 与功之间的数量关系。
1cal 4.184J
焦耳
1kcal 4.27kg m
{Energy Entering CV } － {Energy Leaving CV} ={Energy Accumulating in CV}
进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的增量
Energy with mass out
dm2
e2
dm2 (u2
c22 2
gz2 )
Flow work out
dm2 p2v2
Q
qm2
h2
c22 2
gz2
qm1
h1
c12 2
gz1
Ws
E
Enthaply 焓 工质流动时，与外界传 递的、与其热力状态有
h u pv 关的总能量。
空气流量 qm 100kg/s
过程中忽略位能变化
求:1)压缩机功率；2)喷管出口流速；3)气轮机功率；4)整套装置功率
解： 工质在整套装置内的流动为稳定流动，应用稳定流动能量方程求解。
q
h
c22
2
c12
gz
ws
例2-2
1)压缩机功率
q
换热器 3
2
4
喷管
q 0, gz 0, c22 c12 0 2
Reversible Process
wt
c2 2
gz
ws
wt vdp
vdp
1 2
dc2
gdz
δws
0
For Quasi-Equilibrium Process with Friction
vdp
1 dc2 2
gdz δws
δwF
0
vdp
1 dc2 2
gdz δwF
0
Bonulli Equation
热力学基本定律
BASIC LAWS of THERMODYNAMICS
Objectives
① 1st Law of Thermodynamics
热力学第一定律
Energy Forms and Energy Transfer 能量的传递 Energy Balance for Closed System 闭口与开口系统中的能量方程 Energy Balance for Open System 稳定流动系统系统中的能量方程 Energy Balance for Steady-Flow System
② 2nd Law of Thermodynamics 热力学第二定律
Entropy 熵
能量传递过程的方向、条件和极限
Direction Condition Limitation
③ Engineering Applications of Basic Laws
2.1 热力学第一定律
Conservation of Energy Principle 能量守恒与转换定律
• The perpetual-motion machine of the first kind can never be made. 第一类永动机是不可能制成的。
曾经的“第一类永动机”设想
2.1 热力学第一定律
In 1843, at the age of 25, James Prescott Joule did a series of careful experiments to prove the equivalence of heat and work.
h2
c22 2
gz2
h1
c12 2
gz1
Ws
q
u
(
pv)
1 2
c2
gz
ws
流动功(推动功)—用 工质动能
于维持工质的流动
变化
工质势能 输出 变化 轴功
流动工质本身具有的能量 工程上真正可利用的能量
焓 h
技术功 wt
q h wt
w wt w ( pv) vdp
示功图
仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体
例2-2
q 换热器 3 2 压缩机
1 空气பைடு நூலகம்
4 喷管
汽轮机 5
绝热压缩
h1 280kJ/kg c1 10m/s h2 560kJ/kg c2 10m/s
换热器吸热 q 630kJ/kg
绝热膨胀
h4 750kJ/kg h5 150kJ/kg c5 85m/s
=U+Ek+Ep
dU 0
2
U 1 dU U2 U1
2.3 封闭系统的能量方程
Closed System —— Work 系统与外界的交互作用 功—系统与外界相互作用、通过系统边界而传递的能量，
其全部效果为使外界物体改变宏观运动状态。
包含两个必要条件： 二者缺一不可
(1) 确定有力作用在边界上，即系统与外界有相互作用，且系统
内外力的不平衡势差无限小；
(2) 系统边界发生位移，即外界物体改变宏观运动状态。
抵抗外力作用付出的代价才 称为做功。功量的大小不取 决于系统内压力，而取决于 系统需要克服的外力。
p
Vacuum
拔掉销钉后，系统向真空膨胀， 求系统做功？
容积功
δW Fdx p Adx pdV
过程量
2
W 1 δW W12 W2 W1
1 dm1
dx1
z1
p1, v1, A1
Difference between Open System and Closed System？
① Mass and energy
δWs
与外界的质量交换及传递工质本身
2
所具有的能量
dm2 ② Mass balance 系统质量守恒
δQ
z2 p2 , v2 , A2 ③ Work for keeping flow
系统与外界间由于温度不同而传递的能量称为热量。 过程量
Q 0 系统从外界吸热 Q 0 系统向外界散热
过程热量是否也能用图示法表示？
？
dQ ?
？
2.3 封闭系统的能量方程
进入系统的能量-离开系统的能量=系统存储能量的增量
1st Law Closed System 一般表达式
U
W Q U W
q u w