工程热力学第二章_热力学第一定律
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工程热力学 第2章 热力学第一定律
6
δWtot
δmi ei
δQ
E
δm j e j
E+dE
δQ = dE + ⎡Σ ( ej δmj ) −Σ ( eiδmi ) ⎤ + δWtot ⎣ ⎦
或
τ
τ + dτ
Q = ΔE + ∫ ⎡Σ( ej δmj ) −Σ( eiδmi ) ⎤ +Wtot ⎦ τ1 ⎣
τ2
dE Φ= + ⎡Σ ( ej qmj ) −Σ ( ei qmi ) ⎤ + P ⎣ ⎦ tot dτ
二、总（储存）能(total stored energy of system) 热力学能，内部储存能
E =U+Ek +Ep
宏观动能 宏观位能 总能 外部储存能
e =u+ek +ep
3
外部储存能 宏观动能：质量为m的物体以速度cf运动时，该物 体具有的宏观运动动能为：
1 2 Ek = mc f 2
重力位能：在重力场中质量为m的物体相对于系统 外的参数坐标系的高度为z时，具有的重力位能为：
1 2 q − Δu = Δc f + gΔz + Δ( pv ) + wi 2
维持工质流动所需的流动功
21
稳定能量方程的物理意义：工质在状态变化过程 中，从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功。 技术功：技术上可资用的功，其数学表达式为：
由
1 2 wt = wi + Δc f + gΔz 2 q − Δu = w
E p = mgz
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数∂U ⎞ ⎛ ∂U ⎞ dU = ⎜ ⎟ dT + ⎜ ⎟ dV = cV dT + ⎢T ⎜ ⎟ − p ⎥ dV ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂V ⎠T ⎣ ⎝ ∂T ⎠V ⎦
δWtot
δmi ei
δQ
E
δm j e j
E+dE
δQ = dE + ⎡Σ ( ej δmj ) −Σ ( eiδmi ) ⎤ + δWtot ⎣ ⎦
或
τ
τ + dτ
Q = ΔE + ∫ ⎡Σ( ej δmj ) −Σ( eiδmi ) ⎤ +Wtot ⎦ τ1 ⎣
τ2
dE Φ= + ⎡Σ ( ej qmj ) −Σ ( ei qmi ) ⎤ + P ⎣ ⎦ tot dτ
二、总（储存）能(total stored energy of system) 热力学能，内部储存能
E =U+Ek +Ep
宏观动能 宏观位能 总能 外部储存能
e =u+ek +ep
3
外部储存能 宏观动能：质量为m的物体以速度cf运动时，该物 体具有的宏观运动动能为：
1 2 Ek = mc f 2
重力位能：在重力场中质量为m的物体相对于系统 外的参数坐标系的高度为z时，具有的重力位能为：
1 2 q − Δu = Δc f + gΔz + Δ( pv ) + wi 2
维持工质流动所需的流动功
21
稳定能量方程的物理意义：工质在状态变化过程 中，从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功。 技术功：技术上可资用的功，其数学表达式为：
由
1 2 wt = wi + Δc f + gΔz 2 q − Δu = w
E p = mgz
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数∂U ⎞ ⎛ ∂U ⎞ dU = ⎜ ⎟ dT + ⎜ ⎟ dV = cV dT + ⎢T ⎜ ⎟ − p ⎥ dV ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂V ⎠T ⎣ ⎝ ∂T ⎠V ⎦
工程热力学(第2章--热力学第一定律)
第一篇 工程热力学
第二章 热力学第一定律
本章主要内容
热力学第一定律的实质 系统储存能 闭口系能量方程 状态参数焓 开口系能量方程及其应用
2
2-1 热力学第一定律的实质
➢19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生） 发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯 将其列为19世纪三大发现之一（细胞学说、 达尔文进化论）。
5
永动机设想？
Q
电
锅 炉
加 热 器
汽轮机 发电机
凝
给水泵
汽
器
Wnet
Qout
6
2-2 系统储存能
➢ 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。
系统储存能
内部储存能 （热力学能）
外部储存能 （宏观机械能）
➢能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有 能量。能量既不可能被创造，也不可能被消 灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变 为另一种形式。而在转换过程中，能的总量 保持不变。
3
实质：热力学第一定律是能量转换与守恒 定律在热力学中的具体应用。
热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：
宏观物体的机械运动 微观分子的热运动
说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机
功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热 过程来分析是合理的。
30
例2-3 某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸
汽锅每焓炉小为的时h效的2=率燃33煤η92量炉.=3B9K？2J%/，kg标，准锅煤炉发进热口量给q水煤=焓29为27h01=K1J1/9k7g.，3K求J/锅kg炉，
第二章 热力学第一定律
本章主要内容
热力学第一定律的实质 系统储存能 闭口系能量方程 状态参数焓 开口系能量方程及其应用
2
2-1 热力学第一定律的实质
➢19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生） 发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯 将其列为19世纪三大发现之一（细胞学说、 达尔文进化论）。
5
永动机设想？
Q
电
锅 炉
加 热 器
汽轮机 发电机
凝
给水泵
汽
器
Wnet
Qout
6
2-2 系统储存能
➢ 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。
系统储存能
内部储存能 （热力学能）
外部储存能 （宏观机械能）
➢能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有 能量。能量既不可能被创造，也不可能被消 灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变 为另一种形式。而在转换过程中，能的总量 保持不变。
3
实质：热力学第一定律是能量转换与守恒 定律在热力学中的具体应用。
热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：
宏观物体的机械运动 微观分子的热运动
说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机
功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热 过程来分析是合理的。
30
例2-3 某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸
汽锅每焓炉小为的时h效的2=率燃33煤η92量炉.=3B9K？2J%/，kg标，准锅煤炉发进热口量给q水煤=焓29为27h01=K1J1/9k7g.，3K求J/锅kg炉，
《工程热力学》第二章—热力学基本定律
五、功量与热力过程直接相关
在既定的始、终状态之间，可以有许多过程途径。 在既定的始、终状态之间，可以有许多过程途径。不同 过程中的功量交换是完全不同的。 过程中的功量交换是完全不同的。即：功的大小除与过程的 有关——功 初、终状态有关外，还与描述过程的函数p=f(v)有关 终状态有关外，还与描述过程的函数 有关 功 过程量。 而不能用dw表示 是一个过程量 微元过程功只能用δw而不能用 表示， 是一个过程量。微元过程功只能用 而不能用 表示，即
在孤立系统中，能的形式可以相互转换， ● 在孤立系统中，能的形式可以相互转换，但能 的总量保持不变。 的总量保持不变。 第一类永动机是不可能制成的。 ● 第一类永动机是不可能制成的。 ● 工程热力学中常以热力系统为对象来研究能量 的传递、转换和守恒。 的传递、转换和守恒。 对任一热力系统，热力学第一定律可表述为： ● 对任一热力系统，热力学第一定律可表述为： 进入系统的能量 － 离开系统的能量 = 系统中储存能量的变化
无论哪一种情况， 无论哪一种情况，当系统与外界发生功量 交换时，总与系统本身所经历的过程有关。 交换时，总与系统本身所经历的过程有关。
三、功量交换的基本表达式
δW = F • dx
W = ∫ F ( x)dx
x1
x2
热力学最常见的功——容积功 容积功 热力学最常见的功
δW = F • dx = pA • dx = pdV
宏观位能（位能）：系统在外力场作用下， ）：系统在外力场作用下 ◆ 宏观位能（位能）：系统在外力场作用下，相对于 某参考坐标系中某一位置所具有的能量。 某参考坐标系中某一位置所具有的能量。
E p = mgz
二、内能
储存于系统内部的能量称为内能 内能， ● 储存于系统内部的能量称为内能，内能与物质 的分子结构和微观运动形式有关。 的分子结构和微观运动形式有关。 ● 对于闭口系统来说，工质经历一个循环之后又 对于闭口系统来说， 回复到原来的状态， 回复到原来的状态，所以系统储存能量的变化为 零，即：进入系统的能量（吸热量）等于离开系 进入系统的能量（吸热量） 统的能量（对外做功量）。 统的能量（对外做功量）。
工程热力学 第二章 热力学第一定律
wt
1 2
cf22
cf21
gz2
z1 ws
(2-11)
将轴功的表达式代入上式，即有：
2
1 d ( pv)
2
2
1 pdv 1 vdp
wt 12 pdv p2v2 p1v1 12 vdp (2-11a)
由上式可知，准静态过程的 技术功的大小可用过程线左边的 面积来表示。
准静态 pdv d( pv) wt
wt pdv d( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
wt vdp wt vdp
准静态
q du pdv
q dh vdp
热一律解析式之一 热一律解析式之二
技术功在示功图上的表示
q12 (u2 u1) w12
Q dU pdV (2-4)
2
Q12
(U2
U1)
pdV
1
(2-4a)
q du pdv (2-4b)
2
q12
(u2 u1)
pdv
1
(2-4c)
2-3 开口系统能量方程 Energy balance for open system
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。
对于无耗散的准静态过程， w pdv
因此上述诸式可写为：
Q dU W
Q12 (U2 U1) W12
对1kg工质，有：
q du w
所以有：
h1 h2
1 2
工程热力学第二章
可逆
8
∫ pdv
q = ∫ Tds
条件
7
准静态或可逆
4、示功图与示热图 p W T Q
二、储存能
1、内部储存能——热力学能 储存于系统内部的能量， ，与系统内工质粒子的微 储存于系统内部的能量 观运动和粒子的空间位置有关。 观运动和粒子的空间位置有关。 分子动能（ 分子动能（移动、 移动、转动、 转动、振动） 振动）T 分子位能（ 分子位能（相互作用） 相互作用）V 核能 化学能
对推进功的说明
1、与宏观流动 与宏观流动有关 流动有关， 有关，流动停止， 流动停止，推进功不存在 2、作用过程中， 作用过程中，工质仅发生位置 工质仅发生位置变化 位置变化， 变化，无状 态变化 3、w推＝p v与所处状态有关， 与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（ 并非工质本身的能量（动能、 动能、位能） 位能）变化引 起，而由外界做出， 而由外界做出，流动工质所携带的能量 流动工质所携带的能量 可解为： 可理解为：由于工质的进出， 由于工质的进出，外界与系统之间 所传递的一种机械功 所传递的一种机械功， 机械功，表现为流动工质进出系 统使所携带 统使所携带和所 携带和所传递 和所传递的一种 传递的一种能量 的一种能量
15 16
三、焓
内能+流动功 焓的定义式 焓的定义式： 定义式：焓=内能+ 对于m 对于m千克工质： 千克工质： H = U + pV 对于1 对于1千克工质： 千克工质： h=u+ p v 焓的物理意义： 焓的物理意义： --对 --对流动工质 流动工质( 工质(开口系统 开口系统) 系统)，表示沿流动方向传递 的总能量中， 的总能量中，取决于热力状态 取决于热力状态的那部分能量 热力状态的那部分能量. 的那部分能量. --对 --对不流动工质 不流动工质( 闭口系统) 焓只是一个复合状 工质(闭口系统 系统)，焓只是一个复合状 态参数 思考： 思考：特别的对理想气体 h=f(T h=f(T) f(T) 17
8
∫ pdv
q = ∫ Tds
条件
7
准静态或可逆
4、示功图与示热图 p W T Q
二、储存能
1、内部储存能——热力学能 储存于系统内部的能量， ，与系统内工质粒子的微 储存于系统内部的能量 观运动和粒子的空间位置有关。 观运动和粒子的空间位置有关。 分子动能（ 分子动能（移动、 移动、转动、 转动、振动） 振动）T 分子位能（ 分子位能（相互作用） 相互作用）V 核能 化学能
对推进功的说明
1、与宏观流动 与宏观流动有关 流动有关， 有关，流动停止， 流动停止，推进功不存在 2、作用过程中， 作用过程中，工质仅发生位置 工质仅发生位置变化 位置变化， 变化，无状 态变化 3、w推＝p v与所处状态有关， 与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（ 并非工质本身的能量（动能、 动能、位能） 位能）变化引 起，而由外界做出， 而由外界做出，流动工质所携带的能量 流动工质所携带的能量 可解为： 可理解为：由于工质的进出， 由于工质的进出，外界与系统之间 所传递的一种机械功 所传递的一种机械功， 机械功，表现为流动工质进出系 统使所携带 统使所携带和所 携带和所传递 和所传递的一种 传递的一种能量 的一种能量
15 16
三、焓
内能+流动功 焓的定义式 焓的定义式： 定义式：焓=内能+ 对于m 对于m千克工质： 千克工质： H = U + pV 对于1 对于1千克工质： 千克工质： h=u+ p v 焓的物理意义： 焓的物理意义： --对 --对流动工质 流动工质( 工质(开口系统 开口系统) 系统)，表示沿流动方向传递 的总能量中， 的总能量中，取决于热力状态 取决于热力状态的那部分能量 热力状态的那部分能量. 的那部分能量. --对 --对不流动工质 不流动工质( 闭口系统) 焓只是一个复合状 工质(闭口系统 系统)，焓只是一个复合状 态参数 思考： 思考：特别的对理想气体 h=f(T h=f(T) f(T) 17
工程热力学-第二章热力学第一定律
2016/11/10
15
开口系能量方程的推导
uin pvin gzin Wnet mout uout pvout 1 2 c gzout 2 out min 1 2 cin 2
Q
Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wnet = dEcv
2016/11/10
4
内能U 的物理意义
dU = Q - W
dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功 量两者之差值，也即系统内部能量的变化。
U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、 热力学能）
Q
W
2016/11/10
5
内能的性质
内能
分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用产生，对气体是温度和比容的函数） 核能（不考虑） 化学能（不考虑）
2
1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg
q h ws
2016/11/10 31
例1：透平(Turbine)机械
火力发电
核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站
蒸汽轮机
燃气轮机
2016/11/10
32
火力发电装置
汽轮机
过热器
ws
2016/11/10
做功的根源
w
wt
△(pv)
g△ z ws
27
准静态下的技术功
w ( pv) wt
准静态
w d ( pv) wt
pdv d ( pv) wt
工程热力学 二热力学第一定律
从上式可以看出在工质流动过程中，工 质作出的膨胀功除去补偿流动功及宏观 动能和宏观位能的差额即为轴功。
⑵技术功与轴功、膨胀功、流动功 由式 ｗt=ｗs+1/2(wg22－wg12 )+ｇ(ｚ2－ｚ1) =(ｑ－△ｕ)－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) =ｗ－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) 可以看出当忽略工质进出口处宏观动能和宏观 位能的变化，技术功就是轴功；且技术功等于 膨胀功与流动功之差。
即：ｈ1＝ｈ2。
稳态稳流过程在工程中广泛地存在。例如热 工设备的正常运行条件下，但其启动和关闭 情况除外。 其能量方程式如下： Q＝（H2-H1)＋m(wg2２-wg1２)/2 +mg(z2-z1）+Ws J q=△h+△wg２/2+g△z+ws J/Kg
一、换热器（Heat Exchanger）
实现冷、热流体热量 交换的设备。 因ws＝０，△wg２/2 ＝０，g△z＝０，所 以有： q＝h2-h1 说明工质吸收 ( 放热 ) 的热量等于其焓升 (降) 。
二、喷管（Nozzle）和扩压管
喷管实现流体压力降低、 流速增加的设备。 扩压管是流速降低，压 力增加的管道。 因ｑ＝０，ws＝０， g△z＝０，所以有： (wg2２-wg1２)/2＝h1-h2 说明气体流动动能的增加 等于其焓降。
三、气轮机（ Engine ）
利用工质在机器中膨胀而获得机械 功的设备。 因ｑ=０，△wg２/2=０，g△z＝０， 所以有： ws＝h1-h2 说明工质对外所作轴功等于其焓降。
对于可逆过程有 wt=∫21pdv－p2v2+p1v1 =∫21pdv－∫21ｄ(pv) =－∫21vdp 在Ｐ－ｖ图上是右图中的阴影面积。 注意：ｑ＝△ｈ＋ｗｔ及ｑ＝△ｕ＋ｗ对 于开口系统和闭口系统均适用，只不过 前者仅对开口系统稳态稳流过程、后者 仅对闭口系统有实在的物理意义。
工程热力学-02热力学第一定律
由可逆过程 δq du pdv， h u pv ，有 δq d(h-pv) pdv dh d( pv) pdv
即 δq dh vdp 可逆过程中热力学第一定律另一主要形式。
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
15
2-5 轴功
由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
10
2-3 开口系统能量方程式
质量守恒： dm δm1 δm2
dm
d
δm1
d
δm2
d
qm1 qm2
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质量流量之差。
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
11
推动功: 在进出口边界上推动工质流入或流出系统所消耗的功量。
z1)
ws
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
14
焓 h u pv H U pV 状态参数
对1kg流动工质，其稳定状态稳定流动能量方程式:
q
(h2
h1)
1 2
(cf22
cf21)
g
(
z2
z1)
ws
• 焓并不能看作是工质储存的能量，可近似看成随工质 流动一起转移的能量。
• 热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。
自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一 种能量形态转换为另一种能量形态，转换中能量的总量守恒。
对任何系统，各项能量之间的平衡关系一般可表示为： 进入系统的能量 - 离开系统的能量 =系统储存能量的变化
热力学第一定律： 热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转
工程热力学 第二章 热力学第一定律
pv p2v2 p1v1
是系统为维持工质流动所需的功
对推动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量
可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间
The work depends on the process path
作功的说明
“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边
界的能量交换。
功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束
就再无所谓功。
机械能与机械功、电能与电功等同吗？
系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。 功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。
实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用
• 18世纪初，工业革命，热效率只有1% • 1842年，J.R. Mayer阐述热力学第一定律， 但没有引起重视
• 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热力学第一定律，于1850年发表并得 到公认
热力学第一定律的普遍表达式
第一定律的表述： 热是能的一种，机械能变热能，或热能 变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时 必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相 应量的热。
系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不
应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓 “功”。
功是有序能量传递。
传热
系统与外界之间的另一种相互作 用，是系统与外界之间依靠温差进行 的一种能量传递现象，所传递的能量 称放热为负
是系统为维持工质流动所需的功
对推动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起， 而由外界做出，流动工质所携带的能量
可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间
The work depends on the process path
作功的说明
“作功”是系统与外界间的一种相互作用，是越过系统边
界的能量交换。
功是指作功过程中在传递着的能量的总称，过程一旦结束
就再无所谓功。
机械能与机械功、电能与电功等同吗？
系统可以拥有电能，机械能，但决不会拥有电功、机械功之类的功。 功只不过是特定条件下在过程中传递着的能量。
实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用
• 18世纪初，工业革命，热效率只有1% • 1842年，J.R. Mayer阐述热力学第一定律， 但没有引起重视
• 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热力学第一定律，于1850年发表并得 到公认
热力学第一定律的普遍表达式
第一定律的表述： 热是能的一种，机械能变热能，或热能 变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时 必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相 应量的热。
系统是否作功应以过程在外界所引起的效果来判断，而不
应从系统的内部去寻找依据，对系统的内部来说无所谓 “功”。
功是有序能量传递。
传热
系统与外界之间的另一种相互作 用，是系统与外界之间依靠温差进行 的一种能量传递现象，所传递的能量 称放热为负
《工程热力学》第二章 热力学第一定律
热力学第一定律是热力学的基本定律，是热 力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。它 普遍适用于任何工质、任何过程。
6
2-2 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
Q U W
Q 0 W ? 0 U 0 即U1 U2
强调：功是通过边界传递的能量。
30
h1 a 2
h1 b 2
2
dh
1
h2 h1
dh 0
21
三、焓的意义：
焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学 能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。
焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系 统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存 在。
焓是随着质量交换而交换的一种“转移能”， 只有在质量跨越边界的前提下，焓的物理意义 及其能量属性才能体现出来。
第二章 热力学第一定律
1
本章基本要求
深刻理解热能、储存能、功的概念，深刻理解内 能、焓的物理意义；
理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的 联系与区别；
本章重点
熟练应用热力学第一定律解决具体问题
2
2-1 热力学第一定律的实质
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪 三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的 总量始终不变。
不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不 可能制造成功的。
4
5
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系 统储存能量的变化
在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机 械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定 律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热， 在相互转变时能的总量是不变的。
6
2-2 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
Q U W
Q 0 W ? 0 U 0 即U1 U2
强调：功是通过边界传递的能量。
30
h1 a 2
h1 b 2
2
dh
1
h2 h1
dh 0
21
三、焓的意义：
焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力学 能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。
焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系 统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存 在。
焓是随着质量交换而交换的一种“转移能”， 只有在质量跨越边界的前提下，焓的物理意义 及其能量属性才能体现出来。
第二章 热力学第一定律
1
本章基本要求
深刻理解热能、储存能、功的概念，深刻理解内 能、焓的物理意义；
理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的 联系与区别；
本章重点
熟练应用热力学第一定律解决具体问题
2
2-1 热力学第一定律的实质
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪 三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的 总量始终不变。
不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不 可能制造成功的。
4
5
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系 统储存能量的变化
在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机 械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定 律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热， 在相互转变时能的总量是不变的。
工程热力学第二章热力学第一定律
Macroscopic energy---kinetic energy potential energy
They are related to some outside reference frame。
Kinetic energy is the energy a system possesses as a result of its motion relative to some reference frame. It is denoted as Eke.
移动 translation 分子动能 转动 rotation 振动 vibration 分子位能 binding forces
热力学能
化学能 chemical energy
核能 nuclear energy
（1）Kinetic and potential energies of the molecules
分子的动能和势能
Internal Energy＝
internal kinetic energy＋internal potential energy
热力学能＝内动能＋内位能
T
T, v
u is a function of the state of the system. u = u (p, T), or u = u (p, v), or u = u(v,T).
mc E U E ke E p U mgz 2
On a unit mass basis
2
1 2 e u eke e p u c gz 2
§2.2 Energy transfer by Heat, Work and Mass (热量、功量及质量引起的能量传递------传递中的能量）
They are related to some outside reference frame。
Kinetic energy is the energy a system possesses as a result of its motion relative to some reference frame. It is denoted as Eke.
移动 translation 分子动能 转动 rotation 振动 vibration 分子位能 binding forces
热力学能
化学能 chemical energy
核能 nuclear energy
（1）Kinetic and potential energies of the molecules
分子的动能和势能
Internal Energy＝
internal kinetic energy＋internal potential energy
热力学能＝内动能＋内位能
T
T, v
u is a function of the state of the system. u = u (p, T), or u = u (p, v), or u = u(v,T).
mc E U E ke E p U mgz 2
On a unit mass basis
2
1 2 e u eke e p u c gz 2
§2.2 Energy transfer by Heat, Work and Mass (热量、功量及质量引起的能量传递------传递中的能量）
工程热力学与传热学(中文) 第2章 热力学第一定律
H = f (T , v ) ∆ H 1− 2 =
∫
2
1
dH = H 2 − H 1
∫ dH
=0
什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”？ 什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”
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） ）
dm 2
2. 表示
入口处： δ W f 1 = p1 A1dx1 = p1dV1 = p1v1dm1 入口处： 出口处： 出口处： δ W f 2 = p 2 A2 dx 2 = p 2 dV 2 = p 2 v 2 dm 2 单位质量工质： 单位质量工质： w f 1 =
δW f 1
dm1
= p1v1
例 题
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态 到状态 ， 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 到状态3 气体吸热 ，活塞对外做功800kJ。从状态 到状态 。从状态2到状态 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 是一个定压的压缩过程，压力为 ， 450kJ。并且已知 1=2000kJ，U3=3500kJ。 。并且已知U ， 。 试计算2-3过程中气体体积的变化 过程中气体体积的变化。 试计算 过程中气体体积的变化。
Q
W
a: 一部分用于增加工质的热力学能。 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。 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。 ）适用条件： 可逆过程，不可逆过程。
∫
2
1
dH = H 2 − H 1
∫ dH
=0
什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”？ 什么条件下，热力学能和焓值可以同时为零”
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） ）
dm 2
2. 表示
入口处： δ W f 1 = p1 A1dx1 = p1dV1 = p1v1dm1 入口处： 出口处： 出口处： δ W f 2 = p 2 A2 dx 2 = p 2 dV 2 = p 2 v 2 dm 2 单位质量工质： 单位质量工质： w f 1 =
δW f 1
dm1
= p1v1
例 题
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态 到状态 ， 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 到状态3 气体吸热 ，活塞对外做功800kJ。从状态 到状态 。从状态2到状态 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 是一个定压的压缩过程，压力为 ， 450kJ。并且已知 1=2000kJ，U3=3500kJ。 。并且已知U ， 。 试计算2-3过程中气体体积的变化 过程中气体体积的变化。 试计算 过程中气体体积的变化。
Q
W
a: 一部分用于增加工质的热力学能。 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。 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。 ）适用条件： 可逆过程，不可逆过程。
工程热力学-热力学第一定律
q w
对于可逆过程
du 0
上面得到的闭口系能量方程适用于任何工质、任何过程。
q du pdv
q u pdv
例题１
过 程 1—2 2—3 3—4 4—1
Q U W U Q W
热量 Q/ kJ 210 -210 功 W/ kJ 180 200 -300 内能变化量
上面的能量方程可写成
q h wt
多股物流进出系统时的稳定流动能量方程为
3. 稳定流动能量方程 稳定流动条件 τ时间内，系统内总能量的变化量
稳定流动条件
2
1
dE E2 E1 0
τ时间内，进入或离开控制体的质量
m m m
1
m2 常量
τ时间内，传入控制体的热量
2
1
Q Q 常量
τ时间内，控制体向外界输出的功
2
1
Wnet Wnet 常量
3. 稳定流动能量方程
稳定流动能量方程
2 c2 c12 Q (h2 gz2 )m (h1 gz1 )m Wnet 2 2
或整理成
2 c2 c12 Q (h2 h1 )m ( )m ( z2 z1 ) gm Wnet 2
1kg质量工质
2 c2 c12 q h g z wnet 2
2 c2 c12 Q (h2 h1 )m ( )m ( z2 z1 ) gm Wsh 2 2 c2 c12 q (h2 h1 ) ( ) ( z2 z1 ) g wsh 2
技术功
2 c2 c12 Wt ( )m ( z2 z1 ) gm Wsh 2 2 c2 c12 wt ( ) ( z2 z1 ) g wsh 2
工程传热学-第二章 热力学第一定律
传递或转换过程中能量的总量守恒。
第一类永动机是不可能制成的。
2.1.3 热力循环的热力学第一定律：
热力循环：封闭的热力过程。是指系统从某一
状态出发经历一系列状态变化后，又回到原来状态
的过程。
Q W
q w
2.2 闭口系统能量方程式
The energy equation for Control Mass
燃气轮机装置功率为
N qm w2 5 260 1300kW
可见，两种解法所取系统虽不同，但结果却一致。
例2－4
如图2-10所示，有一储气罐，
初始时其内部为真空，现
连接于输气管道进行充气。 假设输气管内空气的状态 始终保持稳定，其焓为h。 经过∆τ时间的充气后，储
气罐内空气的质量达到m0，
N qm ws 5 260 1300kW
（2）对所取的压气机热力系统有
1 2 2 q ( h2 h1 ) (c f 2 c f 1 ) g( z2 z1 ) wc 2 若进出口动、位能的变化忽略，则轴功为
同样，对所取的燃气轮机热力系统有
wc h1 h2 290 580 290kJ / kg
2 pdv w q ( u2 u1 ) 1
对可逆过程轴功：（由稳态稳流能量方程） 2 1 2 w s pdv ( p2 v 2 p1v 2 ) (c f 2 c 2 ) g( z 2 z1 ) f 1 1 2 1 2 技术功： w t (c f 2 c 2 f 1 ) g ( z 2 z1 ) w s
在涡轮机中依靠工质的焓降而 输出轴功，反之压气机中消 耗轴功使工质的焓增加
工程热力学第二章
解：根据公式Q = U + W 因此 W Q U 60 70 130kJ W<0，说明外界对空气作功，即空气被 压缩。 提示：热量的正负值及功的正负值的物理 意义要记住.
符号规定
系统吸热Q为正，放热Q为负； 系统对外作功W为正，反之为负； 系统热力学能增大ΔU为正，反之为负。
δq du δw
δQ dU pdV
q u w
Q U pdV
1 2
3.对于可逆过程：
4. 对于单位质量工质可逆过程： 5. 动能位能变化不能忽略时：
δq du pdv
Ek 0 Ep 0
q u pdv
1
2
Q E W
34
q e w
e u ek ep
外部储存能
比总能e还可写成：
28
宏观动能与内动能的区别
3.热力学第一定律的一般表达式
热是能的一种，机械能变热能，或热能变 机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量 的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量 的功时，必出现与之相应量的热。
能量不能产生，也不能消灭；不同形式能 量之间可以相互转换，但能的总量不变 热力学第一定律实质上就是能量守恒和转换定律对热 现象的应用
⑵ 热力学第一定律的普遍表达方式
对任何系统的任何过程都应有如下能量平衡关系： 进入系统的能量 = 离开系统的能量 + 系统能量贮存的增量
2014-9-27
22
热力学第一定律的实质
功的正负规定
系统对外界作功为正；外界对系统作功为负
2014-9-27
10
准静态过程中功的计算
工程热力学第二章热力学第一定律
*
压气机
01
燃烧室
02
பைடு நூலகம்
燃烧室出口焓值：
涡轮
02
喷管
某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的比焓h1为290kJ/kg。经压缩后空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处空气和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3‘，h3’=800kJ/kg，流速增加到cf3’，此燃气进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度cf4=100m/s，求： 若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？ 若燃气发热值qB=43960kJ/kg，燃料耗量为多少？ 燃气喷管出口处的流速是多少？ 燃气轮机的功率为多少？ 燃气轮机装置的总功率为多少？
第二章 热力学第一定律
添加副标题
汇报人姓名
答案：(39.2m/s)
3、压力为10bar、容积为0.085m3的空气，由一质量为90Kg、直径为60cm的无摩擦活塞封闭在一垂直放置的气缸内。若突然释放活塞向上运动。试确定当活塞上升1.2m时的速度及气缸内空气的压力。设空气按pV1.35=定值的规律膨胀，空气的速度可以忽略不计，作用在活塞上的大气压力P0=760mmHg。
压气机
01
燃烧室
02
பைடு நூலகம்
燃烧室出口焓值：
涡轮
02
喷管
某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的比焓h1为290kJ/kg。经压缩后空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处空气和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3‘，h3’=800kJ/kg，流速增加到cf3’，此燃气进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度cf4=100m/s，求： 若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？ 若燃气发热值qB=43960kJ/kg，燃料耗量为多少？ 燃气喷管出口处的流速是多少？ 燃气轮机的功率为多少？ 燃气轮机装置的总功率为多少？
第二章 热力学第一定律
添加副标题
汇报人姓名
答案：(39.2m/s)
3、压力为10bar、容积为0.085m3的空气，由一质量为90Kg、直径为60cm的无摩擦活塞封闭在一垂直放置的气缸内。若突然释放活塞向上运动。试确定当活塞上升1.2m时的速度及气缸内空气的压力。设空气按pV1.35=定值的规律膨胀，空气的速度可以忽略不计，作用在活塞上的大气压力P0=760mmHg。
工程热力学 第2章 热力学第一定律
6
可逆膨胀过程：
系统内部准静→系统的压力与外界压力相差只是无穷小 →可看作过程中P=Ps→微元过程中系统对外界所作的膨 胀功可完全用系统内部参数表示：
W PdV
对1kg工质的微元过程 对1→2的有限过程
m kg工质：
w Pdv
1 kg工质：
以上公式适用于任何简单可压缩物质可逆过程
2020/1/10
• 系统温度的变化与传热并无必然的联系 • 热能是微观粒子无序紊乱运动的能量；传热是微观粒
子间无序运动能量的传递
2020/1/10
12
⑵ 可逆过程的热量计算
①利用熵参数进行热量计算
热力学状态参数熵的定义
经历可逆的微元过程时，系统的熵变 量dS等于该微元过程中系统所吸入的热 量đQ与吸热当时的热源温度T之比
这时
E=U
2020/1/10
20
§2.5 控制质量(CM)能量分析
⑴热力学第一定律基本表达式
控制质量 热力过程中吸入热量Q， 对外界作功W，热力学能增加∆U 根据热力学第一定律
Q = ∆E + W W——广义功
输入能量 贮能增量 输出能量
若系统固定不动，U=E，则
Q = ∆U + W
对于微元能
⑴状态参数热力学能
物质内部拥有的能量统称为热力学能（内能）
分子平移运动、转动和振动的动能（内动能） 分子间因存在作用力而相应拥有的位能(内位能) 维持一定分子结构的化学能、分子的结合能 U 电偶极子和磁偶极子的偶极矩能 原子核能（原子能） ……（电子的运动能量等）
第2章 热力学第一定律
( The First Law of Thermodynamics )
主要内容
工程热力学热力学第一定律
代入开口系能量方程，得到
q
h
பைடு நூலகம்
1 2
c
2 f
gz
wi
或
q
dh
1 2
dc2f
gdz
wi
当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程可写 作
Q
H
1 2
mc
2 f
mgz
Wi
或
Q
dH
1 2
mdc2f
mgdz Wi
▪ 稳定流动能量方程式是根据能量守恒与转换定律导 出的，除流动必须稳定外无任何附加条件
➢ 稳定流动能量方程式的分析
▪ 热能变机械能的过程：一是能量转换的热力学过 程，二是单纯的机械过程
➢ 推动功和流动功
▪ 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功 推动功 = pV = mpv
▪ 工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也不 会有能量形态的变化
▪ 推动功只有在工质移动位置时才起作用 ▪ 流动功：推动功差Δ(pv)=p2v2-p1v1是系统为维
▪ 稳定流动能量方程式改写为
q
u
1 2
c
2 f
gz
pv
wi
▪ 工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能
总等于膨胀功
▪ 技术功：工质的动能、位能与工质对机器作的功 之和是技术上可资利用的功，称之为技术功
wt
1 wi 2
c
2 f
2
c
2 f1
g
z2 z1
由于 q u w ，则
wt w pv w p2v2 p1v1
持工质流动所需的功，称为流动功 ▪ 开口系与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差
w-(p2v2-p1v1) ▪ 热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压
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进入系统的总能量 — 离开系统的总能量 系统储存能量的变化量
一 热力学第一定律的实质
2 热力学第一定律的表述
作用：热力学第一定律是热力学的基本定律， 作用：热力学第一定律是热力学的基本定律，是 热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。 热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。 它普遍适用于任何工质、任何过程。 它普遍适用于任何工质、任何过程。 意义：确定了能量传递与转换的数量关系 能量传递与转换的数量关系， 意义：确定了能量传递与转换的数量关系，肯定 了热能与其它能量之间所存在的共同性质， 了热能与其它能量之间所存在的共同性质，即热 也是一种能量，也是一种物质运动的形式。 也是一种能量，也是一种物质运动的形式。
三 开口系统稳定流动能量方程
4 稳定流q = u + w
q u = w
热变功通过体积膨胀， 热变功通过体积膨胀， 做膨胀功（体积功） 做膨胀功（体积功）
c2 q = u + + gz + ( pv) + wS 22 c q u = + gz + ( pv ) + wS 2 1 2 w = ( pv ) + c + gz + wS 2
1 2 (c2 c12 ) = h1 h2 2
2状态 状态 出气口
出口扩压器
1状态 状态 进气口
扩压管
出口动能减小
1 2 2 h = ( c 1 c 2 ) 2
叶 轮 蜗壳
四 稳定流动能量方程的应用
4 绝热节流
工质流过阀门时，流动截面突然收缩， 工质流过阀门时，流动截面突然收缩，由于存在 流动阻力会造成流体压力降低的现象。 流动阻力会造成流体压力降低的现象。 节流是不可逆过程。 节流是不可逆过程。离阀门不远的两个截面的流 动可用稳定流动的能量方程式。 动可用稳定流动的能量方程式。流动可以看作是 绝热的q＝ ，不对外作功w 绝热的 ＝0，不对外作功 s＝0，忽略动、位能 ，忽略动、 变化， 变化，分析得
H = 0
m 2 h 2出 h 2 入 = m1 (h1入 h1出 )
(
)
2状态 状态
过热器 炉墙
1kg蒸汽的吸热量 蒸汽的吸热量
来自水泵 1状态 状态
蒸发管
q = h2 h1
状态1 状态 热流体进口
冷流体进口
冷流体出口
热流体出口
状态2 状态
1kg蒸汽的放热量 蒸汽的放热量
q = h2 h1
h1 = h 2
现 场 流 量 测 量 装 置
1
2
3
二 闭口系统能量方程
3 方程式的应用
2）定性分析 ） 绝热的房屋， 例：绝热的房屋，内有一 转动的电风扇， 转动的电风扇，问室内温度 的变化 解题要点： 解题要点： 绝热Q＝ ，耗功W<0 ①绝热 ＝0，耗功 ②U=－W >0→T提高 － 提高 W
Q
三 开口系统稳定流动能量方程
1 稳定流动
各种热力设备在正常运行时， 各种热力设备在正常运行时，工质的流动 基本上都是稳定的。 基本上都是稳定的。
三 开口系统稳定流动能量方程
2 稳定流动能量方程 输
入 能 量 输 出 能 量
c 12 E1 = m1 u 1 + + gz 1 2
Q
p 1 A1 l 1 = m 1 p 1 v 1
2 c2 E2 = m2 u2 + + gz 2 2
Ws
p 2 A2 l 2 = m 2 p 2 v 2
一 热力学第一定律的实质
2 热力学第一定律的表述
实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的 实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的 能量传递与转换中的应用 中的应用。 能量传递与转换中的应用。 表述：在热能与其它形式的能量互相转换时， 表述：在热能与其它形式的能量互相转换时，能 量的总量保持守恒。 量的总量保持守恒。
工程热力学
Engineering Thermodynamics
第二章
Second Chapter
内容提要
一 热力学第一定律的实质 二 闭口系能量方程 三 开口系稳定流动能量方程 四 稳定流动能量方程式的应用
第二章 热力学第一定律
一 热力学第一定律的实质
1 能量转换与守恒定律
自然界中一切物质都具有能量， 自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被 创造，也不可能被消灭， 创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变 为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。 为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。
静叶
动叶
汽缸 轴
1kg蒸汽做功量 蒸汽做功量
w s = h1 h 2
2状态 乏汽
状态2 出水 状态
状态1 进水 状态 状态2 出风 状态
水泵
状态1 进风 状态
1kg工质耗功量 工质耗功量
w s = h1 h 2
风机
四 稳定流动能量方程的应用
3 喷管和扩压管
喷管是通过流体的膨胀而获得高速流体的一种设 备，扩压管是利用流体的动能降低来获得高压流 体的一种设备。 体的一种设备。 进出口的动能变化大，轴功w 进出口的动能变化大，轴功 s=0。又由于气流高 。 速通过，因而与外界交换的热量q=0，同时工质 速通过，因而与外界交换的热量 ， 相对高度基本不变，位能差为零。 相对高度基本不变，位能差为零。
1 换热器
冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换， 冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换， 忽略宏观动能和位能的变化： 忽略宏观动能和位能的变化： 单独对冷流体或热流体分析可得： 单独对冷流体或热流体分析可得：
q = h2 h1
对系统总体分析（忽略向外界的散热） 对系统总体分析（忽略向外界的散热）
四 稳定流动能量方程的应用
2 做功或耗功设备
与外界存在功量交换。有散热， 为负 为负， 与外界存在功量交换。有散热，q为负，相对于功 量散热量≈0。宏观动能和位能的变化可忽略： 量散热量 。宏观动能和位能的变化可忽略： 分析可得： 分析可得：
w s = h1 h 2
1状态
蒸汽 （来自锅炉） 调速器
c 2 q = h + + gz + wS 2
三 开口系统稳定流动能量方程
3 焓－h
流动过程中的能量转换时 焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时， 焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时， 热力学能u与压力和比体积的乘积 与压力和比体积的乘积pv两项经常同 热力学能 与压力和比体积的乘积 两项经常同 时出现，于是定义一个复合的状态参数焓，h＝u 时出现，于是定义一个复合的状态参数焓， ＝ ＋pv 焓的物理意义： 焓的物理意义：流动工质携带的决定于热力状态 的能量 焓的重要性：分析蒸汽动力循环时， 焓的重要性：分析蒸汽动力循环时，其吸热量或 做功量往往等于焓的变化量
1
2
wt =
∫ pdv + p v
1
2
1 1
p2 v2
4 稳定流动能量方程的分析
2）技术功 ）
p p1 1
wt =
∫ pdv + p v
1
2
1 1
p2 v2
p1v1
w t = ∫ vdp
1
2
∫
p2 0
2
1
pdv
2
p2p22v2 v
v1 v2
q = h ∫ vdp
1
2
v
四 稳定流动能量方程的应用
u = f (T, v)
一 热力学第一定律的实质
4 储存能
外部储存能 宏观位能 内动能 内部储存能 热力学能 内位能 宏观动能
1 2 E = U + mc + mgz 2
1 2 e = u + c + gz 2
二 闭口系统能量方程
1 方程式的推导
U Q W
Q = U + W
注意
式中各项均为代数值 适用于闭口系统各 式中各项均为代数值，适用于闭口系统各 代数 种能量交换过程 过程。 种能量交换过程。 对于任意过程 可逆过程或不可逆过程)、 任意过程(可逆过程或不可逆过程 对于任意过程 可逆过程或不可逆过程 、任 意工质都适用 意工质都适用
一 热力学第一定律的实质
3 热力学能－u
热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形 热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形 分子结构以及分子运动 式有关的微观能量，统称为热力学能，单位J 式有关的微观能量，统称为热力学能，单位 组成：内动能（分子的移动动能、 组成：内动能（分子的移动动能、转动动能和分 子内部原子的振动动能） 子内部原子的振动动能） 内位能（分子间相互作用力产生的能量） 内位能（分子间相互作用力产生的能量）
三 开口系统稳定流动能量方程
2 稳定流动能量方程
输入能量－输出的能量＝储存能变化＝ 输入能量－输出的能量＝储存能变化＝0 ？？？ 稳定流动中各点参数不随时间变化→状 稳定流动中各点参数不随时间变化 状 态不变→储存能不变 输入能量＝ 储存能不变→输入能量 态不变 储存能不变 输入能量＝输出能量
c12 c22 Q + m u1 + + gz1 + p1V1 = m u 2 + + gz 2 + p2V2 + WS 2 2
膨胀功＝ 膨胀功 ＝ 推动功差 额 ＋ 宏观动能和宏 观位能增量＋ 轴功。 观位能增量 ＋ 轴功 。
4 稳定流动能量方程的分析
2）技术功 ） 1 2 wt = c + gz + wS 2 wt = w ( pv )
技术功＝ 技术功＝体积功克服 进出口的流动阻力后所 得的净功
可逆条件
q u =
一 热力学第一定律的实质
2 热力学第一定律的表述
作用：热力学第一定律是热力学的基本定律， 作用：热力学第一定律是热力学的基本定律，是 热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。 热力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。 它普遍适用于任何工质、任何过程。 它普遍适用于任何工质、任何过程。 意义：确定了能量传递与转换的数量关系 能量传递与转换的数量关系， 意义：确定了能量传递与转换的数量关系，肯定 了热能与其它能量之间所存在的共同性质， 了热能与其它能量之间所存在的共同性质，即热 也是一种能量，也是一种物质运动的形式。 也是一种能量，也是一种物质运动的形式。
三 开口系统稳定流动能量方程
4 稳定流q = u + w
q u = w
热变功通过体积膨胀， 热变功通过体积膨胀， 做膨胀功（体积功） 做膨胀功（体积功）
c2 q = u + + gz + ( pv) + wS 22 c q u = + gz + ( pv ) + wS 2 1 2 w = ( pv ) + c + gz + wS 2
1 2 (c2 c12 ) = h1 h2 2
2状态 状态 出气口
出口扩压器
1状态 状态 进气口
扩压管
出口动能减小
1 2 2 h = ( c 1 c 2 ) 2
叶 轮 蜗壳
四 稳定流动能量方程的应用
4 绝热节流
工质流过阀门时，流动截面突然收缩， 工质流过阀门时，流动截面突然收缩，由于存在 流动阻力会造成流体压力降低的现象。 流动阻力会造成流体压力降低的现象。 节流是不可逆过程。 节流是不可逆过程。离阀门不远的两个截面的流 动可用稳定流动的能量方程式。 动可用稳定流动的能量方程式。流动可以看作是 绝热的q＝ ，不对外作功w 绝热的 ＝0，不对外作功 s＝0，忽略动、位能 ，忽略动、 变化， 变化，分析得
H = 0
m 2 h 2出 h 2 入 = m1 (h1入 h1出 )
(
)
2状态 状态
过热器 炉墙
1kg蒸汽的吸热量 蒸汽的吸热量
来自水泵 1状态 状态
蒸发管
q = h2 h1
状态1 状态 热流体进口
冷流体进口
冷流体出口
热流体出口
状态2 状态
1kg蒸汽的放热量 蒸汽的放热量
q = h2 h1
h1 = h 2
现 场 流 量 测 量 装 置
1
2
3
二 闭口系统能量方程
3 方程式的应用
2）定性分析 ） 绝热的房屋， 例：绝热的房屋，内有一 转动的电风扇， 转动的电风扇，问室内温度 的变化 解题要点： 解题要点： 绝热Q＝ ，耗功W<0 ①绝热 ＝0，耗功 ②U=－W >0→T提高 － 提高 W
Q
三 开口系统稳定流动能量方程
1 稳定流动
各种热力设备在正常运行时， 各种热力设备在正常运行时，工质的流动 基本上都是稳定的。 基本上都是稳定的。
三 开口系统稳定流动能量方程
2 稳定流动能量方程 输
入 能 量 输 出 能 量
c 12 E1 = m1 u 1 + + gz 1 2
Q
p 1 A1 l 1 = m 1 p 1 v 1
2 c2 E2 = m2 u2 + + gz 2 2
Ws
p 2 A2 l 2 = m 2 p 2 v 2
一 热力学第一定律的实质
2 热力学第一定律的表述
实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的 实质：能量守恒与转换定律在研究与热能相关的 能量传递与转换中的应用 中的应用。 能量传递与转换中的应用。 表述：在热能与其它形式的能量互相转换时， 表述：在热能与其它形式的能量互相转换时，能 量的总量保持守恒。 量的总量保持守恒。
工程热力学
Engineering Thermodynamics
第二章
Second Chapter
内容提要
一 热力学第一定律的实质 二 闭口系能量方程 三 开口系稳定流动能量方程 四 稳定流动能量方程式的应用
第二章 热力学第一定律
一 热力学第一定律的实质
1 能量转换与守恒定律
自然界中一切物质都具有能量， 自然界中一切物质都具有能量，能量既不可能被 创造，也不可能被消灭， 创造，也不可能被消灭，而只能从一种形式转变 为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。 为另一种形式，在转换中能量的总量恒定不变。
静叶
动叶
汽缸 轴
1kg蒸汽做功量 蒸汽做功量
w s = h1 h 2
2状态 乏汽
状态2 出水 状态
状态1 进水 状态 状态2 出风 状态
水泵
状态1 进风 状态
1kg工质耗功量 工质耗功量
w s = h1 h 2
风机
四 稳定流动能量方程的应用
3 喷管和扩压管
喷管是通过流体的膨胀而获得高速流体的一种设 备，扩压管是利用流体的动能降低来获得高压流 体的一种设备。 体的一种设备。 进出口的动能变化大，轴功w 进出口的动能变化大，轴功 s=0。又由于气流高 。 速通过，因而与外界交换的热量q=0，同时工质 速通过，因而与外界交换的热量 ， 相对高度基本不变，位能差为零。 相对高度基本不变，位能差为零。
1 换热器
冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换， 冷热流体的热量交换，仅交换热量而无功量交换， 忽略宏观动能和位能的变化： 忽略宏观动能和位能的变化： 单独对冷流体或热流体分析可得： 单独对冷流体或热流体分析可得：
q = h2 h1
对系统总体分析（忽略向外界的散热） 对系统总体分析（忽略向外界的散热）
四 稳定流动能量方程的应用
2 做功或耗功设备
与外界存在功量交换。有散热， 为负 为负， 与外界存在功量交换。有散热，q为负，相对于功 量散热量≈0。宏观动能和位能的变化可忽略： 量散热量 。宏观动能和位能的变化可忽略： 分析可得： 分析可得：
w s = h1 h 2
1状态
蒸汽 （来自锅炉） 调速器
c 2 q = h + + gz + wS 2
三 开口系统稳定流动能量方程
3 焓－h
流动过程中的能量转换时 焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时， 焓的定义：分析工质流动过程中的能量转换时， 热力学能u与压力和比体积的乘积 与压力和比体积的乘积pv两项经常同 热力学能 与压力和比体积的乘积 两项经常同 时出现，于是定义一个复合的状态参数焓，h＝u 时出现，于是定义一个复合的状态参数焓， ＝ ＋pv 焓的物理意义： 焓的物理意义：流动工质携带的决定于热力状态 的能量 焓的重要性：分析蒸汽动力循环时， 焓的重要性：分析蒸汽动力循环时，其吸热量或 做功量往往等于焓的变化量
1
2
wt =
∫ pdv + p v
1
2
1 1
p2 v2
4 稳定流动能量方程的分析
2）技术功 ）
p p1 1
wt =
∫ pdv + p v
1
2
1 1
p2 v2
p1v1
w t = ∫ vdp
1
2
∫
p2 0
2
1
pdv
2
p2p22v2 v
v1 v2
q = h ∫ vdp
1
2
v
四 稳定流动能量方程的应用
u = f (T, v)
一 热力学第一定律的实质
4 储存能
外部储存能 宏观位能 内动能 内部储存能 热力学能 内位能 宏观动能
1 2 E = U + mc + mgz 2
1 2 e = u + c + gz 2
二 闭口系统能量方程
1 方程式的推导
U Q W
Q = U + W
注意
式中各项均为代数值 适用于闭口系统各 式中各项均为代数值，适用于闭口系统各 代数 种能量交换过程 过程。 种能量交换过程。 对于任意过程 可逆过程或不可逆过程)、 任意过程(可逆过程或不可逆过程 对于任意过程 可逆过程或不可逆过程 、任 意工质都适用 意工质都适用
一 热力学第一定律的实质
3 热力学能－u
热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形 热力系统中与物质内部分子结构以及分子运动形 分子结构以及分子运动 式有关的微观能量，统称为热力学能，单位J 式有关的微观能量，统称为热力学能，单位 组成：内动能（分子的移动动能、 组成：内动能（分子的移动动能、转动动能和分 子内部原子的振动动能） 子内部原子的振动动能） 内位能（分子间相互作用力产生的能量） 内位能（分子间相互作用力产生的能量）
三 开口系统稳定流动能量方程
2 稳定流动能量方程
输入能量－输出的能量＝储存能变化＝ 输入能量－输出的能量＝储存能变化＝0 ？？？ 稳定流动中各点参数不随时间变化→状 稳定流动中各点参数不随时间变化 状 态不变→储存能不变 输入能量＝ 储存能不变→输入能量 态不变 储存能不变 输入能量＝输出能量
c12 c22 Q + m u1 + + gz1 + p1V1 = m u 2 + + gz 2 + p2V2 + WS 2 2
膨胀功＝ 膨胀功 ＝ 推动功差 额 ＋ 宏观动能和宏 观位能增量＋ 轴功。 观位能增量 ＋ 轴功 。
4 稳定流动能量方程的分析
2）技术功 ） 1 2 wt = c + gz + wS 2 wt = w ( pv )
技术功＝ 技术功＝体积功克服 进出口的流动阻力后所 得的净功
可逆条件
q u =