工程热力学第三章热力学第一定律

• 理解膨胀（压缩）功、 轴功、技术功、流动
功的联系与区别
§3-1 热力学能和总能
一、热力学能（内能）
分子动能（移动、转动、振动） 分子位能（相互作用） 核能 化学能
说明：
注意：
•内能是状态量 对理想气体u=f (T)
• U : 广延参数 [ kJ ] u : 比参数 [kJ/kg]
• 内能总以变化量出现，内能零点人为定
二、功量
➢定义: ➢种类:
除温差以外的其它不平衡势差所引起 的系统与外界传递的能量.
1．膨胀功W： 在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。
膨胀功是热变功的源泉 单位：l J=l Nm
规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
2 轴功W: 热力系通过叶轮机械的轴端与外界交换的能量称为轴功
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外界热源
系
功
外界功源
统 随物质传递的能量
外界质源
一、热量
➢定义：
在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。 热量是除功以外另一种形式的能量传递
➢规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负 ➢单位： kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ
➢特点:
是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关
注意:
刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换
三、随物质传递的能量
1． 流动工质 本身具有的能量
E U 1 mc2 mgz 2
2． 流动功(或推动功)
为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.
推动1kg工质进、 出控制体时需功
wf p2v2 p1v1
注意: 取决于控制体进出口界面工质的热力状态 由泵风机等提供
对于1千克工质： h=u+ p v
❖焓的物理意义：
1．对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递 的总能量中，取决于热力状态的那部分能量.
2 对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合 状态参数
思考：特别的对理想气体 h= f (T)
§3-3 闭口系统能量方程式
一、闭口系统能量方程表达式
加入系统的能量总和 - 热力系统输出的能量总和 = 热力系总储存能的增量
Q U W q u w
δQ dU δW δq du δw
1）对于可逆过程
δQ dU pdV
2）对于循环
蜒 ? δQ dU δW Qnet Wnet
3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W的 “+”，“–”，大小。
du cv dT
二、理想气体热力学能变化计算
1) du cvdT
第三章 热力学第一定律
●热力学能和总能 ●系统与外界传递的能量 ●闭口系统能量方程式 ●开口系统能量方程式 ●开口系统稳态稳流能量方程 ●稳态稳流能量方程的应用
• 本章基本要求 • 本章重点
• 深刻理解热量、储存 能、功的概念，深刻 理解内能、焓的物理 意义
• 熟练应用热力学第 一定律解决具体问 题
注意：
• 对理想气体u=f (T) • 因分子间不存在相互作用力.没有内位能,故
其热力学能仅包括分子内动能
二、外储存能
系统工质与外力场的相互作用
所具有的能量 如：重力位能
组 成
Ep mgz
以外界为参考坐标的系统宏观运动 所具有的能量 如：宏观动能
Ek
1 mc2 2
注意
• C、z是独立于热力系统内部状态的外参数， 因此将系统的宏观动能和重力位能称为外 储存能。
2 p2 v2
热力系统(控制体) m2
L2 A2 2
推动功 F2L2 p2 A2L2 p2V2 m2 p2v2
注意：系统对外界作推动功时，推动功为正。
单位质量工质进、出热力系统(控制体积)对外作出的为
净流动功 = p2v2 p1v1
１
２
１
２
对推进功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
例3-1 某封闭的刚性容器装有一定量的空气,如图所示。初态时热力学能 为800kJ，容器上装有一搅拌器，通过搅拌器轴的旋转输入能量100kJ， 同时容器壁向外散热500kJ。试问此时容器内空气的热力学能是多少？ 若为维持容器内空气的热力学能不变，由搅拌器应输入多少轴功？
解 根据闭口系能量方程 Q U Wtot
由图可知 Wtot Ws
则
U2 Q U1 Ws
500 800 100 400kJ
若为维持容器内空气的热力学能不变
搅拌器需要输入轴功 Ws Q 500kJ
4)把
cv f T
代入
u
2
cv dT
进行积分
1
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 （用真实比热公式计算）
5)
n
n
U U1 U 2 U n U i miui
i 1
i 1
由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热 力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热 力学能与其质量的乘积。
2
u cv dT
1
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程
2)
u cv (T2 T1 )
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 （用定值比热计算）
3) t2 u cv dt
t2
cv dt
t1
cv dt
cvm
t2 0
t2
cvm
t1 0
t1
t1
0
0
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 （用平均比热计算）
思考：与其它功区别
推进功的表达式
推进功（流动功、推动功）
W推 = p A dl = pV p w推= pv
注意： 不是 pdv v 没有变化
A p V
dl
推动功模拟图（外界对系统作功）
１
p1v1
热力系统（控制体）
m1
L1 A1 １
推动功 F1L1 p1A1L1 p1V1 m1 p1v1
注意：外界对系统作推动功时，推动功为负。
• C、z是力学参数，处于同一热力状态的物 体可以有不同的值。
三、系统的总能
外部储存能
宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz
机械能
系统总能
E = U + Ek + Ep e = u + ek + ep
一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du
§3-2 系统与外界传递的能量
热量
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
间所传递的一种机械功，表现为流动工质进 出系统使所携带和所传递的一种能量
四、焓
❖焓的定义式：
焓=内能+流动功
对于m千克工质：H U pV