工程热力学第三章讲解

系统总能 总结：
比储存能为状态参数！
存储能以变化量出现，零点由人为设定！
对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储 存能就等于热力学能
第二节 系统与外界传递的能量
热量
系
功
统 随物质传递的能量
外界热源 外界功源 外界质源
传热和做功是能量转递的两种方式
一、热量
热量学中的定义：在温差作用下系统与 外界之间传递的能量称为热量
1. 膨胀功w（容积功）
在压力差作用下，由于系统工质容积发生变化 而传递的机械功 闭口系统膨胀功通过系统界面传递 开口系统的膨胀功仍然是热转变为功的必要 条件，可通过其它形式（如轴）传递
容积变化是做膨胀功的必要条件，而不是充分 必要条件
做膨胀功，除工质的容积变化外，还应当有功 的传递和接收机构
稳态稳流能量方程可写成
q h wt δq dh δwt wt q h (u w) (u p2v2 p1v1) w p1v1 p2v2 w wt p2v2 p1v1
膨胀功等于技术功与净流动功的代数和
对于稳态稳流的可逆过程
δwt δq dh (du pdv) d(u pv) δwt vdp
u cv (T2 T1)
定值比热容
u
t2 t1
cvdT

t2 0
cvdT

t1 0
cv
dT
cvm
t2 0
t2

cvm
tt1
01
平均比热容
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
U U1 U2
n
mu miui i 1 n
u giui i 1
δQ

(h2

1 2
c22

gz2
)δm2

(h1

1 2
c12

gz1
)δm1

δWs

dEcv
对不稳定流动和稳态稳流，可逆与不可逆过程都 适用，也能适用于闭口系统（m1= m2=0）
开口系统能量方程的其他形式
多个进口和入口
Q dECV
j


h


c
2 f
2


gz
做出，工质流动携带的能量 一旦流体跨越了界面，对已经跨越界面的这部分流体来说，
流动功这种能量形式就不复存在了，转化成了流动工质的 能流
随物质流传递的能量
E总
U

1 2
mc2

mgz

pV
(J)
开口系统
e总

u

1 2
c2

gz

pv
(J/kg
)
四、焓及其物理意义
引入新的物理量——焓
U 1 mc2 mgz pV 2
工
热程
力热
学力
第 一
学
定
律
热力学第一定律
1
热力学能和总能
2
系统与外界传递的能量
3
闭口系统能量方程
4
开口系统能量方程
5 开口系统稳态稳流能量方程
6
稳态温流能量方程的应用
热力学第一定律
热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学 上的应用，确定了热能和机械能之间相互转换的 数量关系
能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一 种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到 另一个系统，而其总量保持恒定

mout
out

i
h

c2f 2


gz

min
in
Ws
第五节 开口系统稳态稳流能量方程
一、稳态稳流能量方程表达式 系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观
运动参数都保持一定，不随时间变化——稳态 稳流工况
同一时间内进、出控制体界面及流过 系统内任何断面的质量均相等
进入控制体的能量

δQ

(h1

1 2
c12

gz1 )δm1
离开控制体的能量

δWs

(h2

1 2
c22

gz2
)δm2
控制体储存能变化 dEcv (E dE)cv Ecv
δQ

(h1

1 2
c12

gz1 )δm1

(h2

1 2
c22

gz2 )δm2

δWs

dEcv
内动能→温度
内位能→比体积
气体的热力学能是其温度和比体积的函数
u f T,v u f T, p u f p,v
理想气体热力学能只是温度的单值函数
u f T
二、外部储存能
宏观动能
Ek

1 mc2 2
重力位能
Ep mgz
z—为相对高度，重点关
注高度相对变化
Q U W
Q0 W 0
闭口系
Q
空 调
U Q W
Q W
T
门窗紧闭的房间用冰箱降温
以房间为系统
绝热闭口系
闭口系能量方程
Q U W
Q0 W 0
电
U W 0
冰
T
箱
第四节 开口系统能量方程
质量守恒原理 能量守恒原理
控制容积分析 法
分析时，认为同一截面上参数相同
对于微元过程，有：
δQ dU δW
对于单位质量工质，有：
q u w,δq du δw
各项正负号的规定：吸热和对外作功为正，
放热和外界对系统作功为负
热力系吸收 的能量
增加系统的热力学能 对外膨胀作功
热能转变为 机械能的根 本途径
热力学第一定律适用于可逆过程与不可逆过程； 理想气体和实际气体
对可逆过程
δq du pdv 微元过程
2
q u pdv
1
有限过程
闭口系统能量方程反映了热功转换的实质，是 热力学第一定律的基本方程式，在用于物质的
能量转换过程时，也适用于开口系统
二、热力学第一定律在循环过程中的应 用
q12 u2 u1 w12 q23 u3 u2 w23 q34 u4 u3 w34 q41 u1 u4 w41
同热力学能一样，理想气体的焓h仅是温 度的单值函数
焓的物理意义
1. 对于流动工质，焓=热力学能+流动 功，即焓具有能量意义，表示流动工 质向流动前方传递的总能量（共四项） 中取决于热力状态的那部分能量
2. 对于不流动工质（闭口系统），焓仅 是一个复合状态参数，没有明确的物 理意义
第三节 闭口系统能量方程
同一时间内进入控制体的能量和离开 控制体的能量相等，控制体内能量保 持一定
δm1 δm2 dEcv 0
δ一m个入口、一个出口
δQ

(h2

h1 )

1 2
(c22

c12
)

g(z2

z1
)
δm

δWs
Q

(h2

h1 )

1 2
(c22

c12
)

g(z2

z1
热量一旦经界面传入系统，就变成了系 统的储存能的一部分
热量不是状态参数，是与过程特征有关 的过程量
热量
热能
二、功量
热力学定义：系统除温差以外的其它不 平衡势差所引起的系统与外界之间传递 的能量
形式多样：电功、磁功、机械拉伸功、 弹性变形功、表面张力功和膨胀功、轴 功
膨胀功是热力学能转换为功的必要途径
流动功的说明
推动功差 wf=p2v2-p1v1 是系统为维持开口系统工质流动所 需要付出的代价，称为净流动功
作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口界面
工质的热力状态，与热力过程无关 并非工质本身的能量（如动能，位能）引起的，而由外界
能量平衡关系式：
输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储 存能量的变化
闭口系：系统与外界没有 物质交换，传递能量只有 热量和功量两种形式。在 热力过程中（如图）系统 从外界热源取得热量Q； 对外界做膨胀功W；
Q W E2 E1
对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动 能和位能均无变化，有：
Q U W
(m)
w不f 是 Wpmdfv， vpv没有变化
功的形式除了膨胀功或压缩功这类与系统的界面移动有关的 功外，还有因工质在开口系统中流动而传递的功——推动功
推动功示意图
在作推动功时，工质的状态没有改变，因此， 推动功不会来自系统的存储能－热力学能。传 递给活塞的能量从别处传来，例如在后方某处 有另外一个活塞在推动工质使它流动。
c和 z 是独立于热力系统内部状态的外参数！
三、系统的总能
系统总能(E)=内储存能(U)+外储存能(Ek+Ep)
E U Ek Ep E U 1 mc2 mgz
2 e u 1 c2 gz
2
比储存能为状态参数！ 对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储 存能就等于热力学能
u 1 c2 gz pv 2
H U pV
取决于工质热 力状态的能量
h u pv
焓是状态参数
焓是工质的状态参数
2
h12 dh h2 h1
dh 0
1
单位：J，比焓的单位J/kg
对于理想气体
h u pv u RT f (T)
n
Un Ui i 1
混合气体的热力学能是温度和气体成分的函数
思考？
工质膨胀是否一定对外作功？ 向真空膨胀，自由膨胀
定容过程是否一定不作功？
开口系，技术功 wt vdp 水轮机
定温过程是否一定不传热？
相变过程（冰融化，水汽化）
门窗紧闭的房间用空调降温
以房间为系统 闭口系能量方程
三、随物质流传递的能量
流动工质本身具有的热力学能、宏观动 能和重力位能
E U 1 mc2 mgz 2
e u 1 c2 gz 2
推动功（流动功）
为推动流体通过控制体界面而传递的机械功— —推动功
Wf pfdS pδV pvδm
Wf pvδm pvm pV
2
wt vdp
1
技术功是过程量，取决于初终状态及过程特性 如果不考虑工质动能和位能的变化，技术功等
于轴功
机械能守恒
wt vdp dc2 / 2 gdz ws
vdp 1 dc2 gdz 0 2
压力能 动能
势能
机械能守恒
dp 1 dc2 dz 0 伯努力方程
热力学第一定律：热能和机械能在转移或转换时， 能量的总量必定守恒。
热 相应量 功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备
本章教学大纲
掌握热力学第一定律的内容和实质，能 将工程实际问题建立热力学模型。
教学
目标
理解和掌握闭口系、开
借助于工质的热力性质数据、
口系和稳定流动能量方
公式、及图表，求解能量方程
δqQ δwW
循环：净热量＝净功
不消耗能量而能够连续不断地对外做功是不可能的！
三、理想气体热力学能变化计算
δqv duv cvdTv
cv


u T
v
定容过程，对外不做 膨胀功！
对理想气体
cv
du dT
du cvdT
2
u cvdT
1
膨胀功是与过程特性有关的过程量
2. 轴功ws
系统通过机械轴与外界传递的机械功
汽轮机 内燃机 风机 压气机
闭口系统
开口系统
1.刚性闭口系统不能向外界输出膨胀功：无体积膨胀！ 2.轴功可来源于能量转换，也可源于机械能的直接转递！
做功与传热
系统吸收热量为正，系统放出热量为负 系统对外做功为正，外界对系统做功为负 单位：1kCal=4.1868kJ 做功和物体的宏观位移有关，做功过程往 往伴随着能量形态的变化 热量传递不需要宏观的位移，但是需要温差
)
m

Ws
q

(h2

h1 )

1 2
(c22

c12
)

g(z2

z1
)

ws

h

1 2
c2

gz

Hale Waihona Puke Baidu
ws
δq

dh

1 2
dc2

gdz

δws
二、技术功
热力过程中可被直接利用来做功的能量
wt

1 2
c2

gz

ws
δwt

1 2
dc2

gdz

δws
技术上可以直接利用的功量，属于机械能
维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能 及电磁场作用下的电磁能等
热力学能 比热力学能
符 号：
U
u
单 位： 焦耳（J） J/kg
千焦(kJ) kJ/kg
2
U 1 dU U2 U1
u u2 u1
热力学能是工质的状态参数，完全取决于工质的 初态和终态，与过程的途径无关。
知 要 程及其常用的简化形式
根据需要解决的问题，恰
理解和掌握热力学第
识 一定律基本表达式— —基本能量方程
求 当地选取热力系统 仔细分析系统内部
掌 与外界传递的能量
点 掌握能量方程的内
在联系与共性，热 变功的实质
握 根据能量守恒定律 建立能量方程
第一节：热力学能和总能
一、热力学能（内能）
一般而言，气体内部所具有的分子动能与分子 位能的总和 分子直线运动的动能 分子旋转运动的动能 分子内部原子和电子的振动能 与温度高低有关 分子位能