教学目标使学生深入理解并熟练掌握热力学第一定律的内.
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问题: 能量是否还有其它的传递方式?
观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。 问题：过程可逆的条件是什么？
气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
(273
20)
0.3
106 (20 4 0.8) 106 0.1106 20106
1019.64K
所以： E U mu m0.707T
又： 所以：
m p1V1 2.38 10 5 kg RgT1
E U mu 2.38 105 0.707 726 .64(kJ) 12.2J
U Uk Up J
Ek
mc2 2
J
Ep mgz J
E U mc2 mgz 2
2-3 能量的传递与转化
一、作功与传热
作功和传热是能量传递的两种方式，因此功 量与热量都是系统与外界所传递的能量，其 值并不由系统的状态确定，而是与传递时所 经历的具体过程有关。所以，功量和热量不 是系统的状态参数，而是与过程特征有关的 过程量，称为迁移能。
1
右止点
2
2
w 1 pdv
v
p 1
2
2
w 1 pdv
v
强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功
2. dv 0有 w 0 w 称为膨胀功 dv 0 有 w 0 w 称为压缩功 dv 0 有 w 0
可
逆
ｐ
过 程
│
中
ｖ容
图积
上功
的在
表
示
三、推动功和流动功
工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面 作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功 （也是系统为维持工质流动所需的功）。
汽轮机简单模型
Wf p2V2 p1V1 ( pV )
wf p2v2 p1v1 ( pv)
工质从进口到出口，从状 态1膨胀到状态2，膨胀功 为w ，在不计工质的动能 与位能变化时，开系与外 界交换的功量应为膨胀功 与流动功之差w - ( pv )
德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环 保等相关的可持续发展观念的教育。
重 点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系 统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件， 在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过 程的计算。
难 点：热力学第一定律及其应用是本课程的重 点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢 固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件， 并能将理论与工程实际相联系。
宏观动能：
Ek
1 2
mc2f
重力位能： Ep mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 U
宏观动能
Ek
宏观位能
EP
系统的储存能 E
即 E U Ek EP
或
E
U
1 2
mc
2 f
mgz
1kg工质的总能为比总能：
e
u
1 2
c
2 f
gz
内能 宏观动能 宏观位能 储存能
得到：
Q E W 12.84J
2-6 开口系统能量方程式
实际热力设备中实施的能量转换往往是工 质在热力装置中循环不断地流经各相互衔 接的热力设备，完成不同的热力过程后才 能实现能量转换。因此分析这类热力设备 时，常采用开口系即控制容积的分析方法。
工质在设备内流动时，在同一截面上参数 近似地看作是均匀的。并认为同一截面上 各点流速一致。
解: 取汽缸内的空气为热力系，这是一个闭口系。
Pb
Pk
l
热力系
根据:
Q E W
(1)
E U Ek Ep (2)
根据题意: Ek 0, E p 0 (3)
所以:
E U mu (4)
W
Wb
Wk
pb
ห้องสมุดไป่ตู้
A l
1 k l2
此式就是闭口系的能量方程式。
对于控制质量闭口系来说，常见的情况在状态变 化过程中，系统的宏观动能与位能的变化为零，或 可以忽略不计，因此更见的闭口系的能量方程是：
Q U W
若闭口系经过一个微元过程，则能量方程为微分 形式：
Q dU W
对于1kg工质，能量方程式为：
有限过程: q u w
2-4 焓 一、焓的定义：
H U pV h u pv
焓的单位：J，比焓的单位：J/kg
二、焓是状态参数
h f ( p, v), h f ( p,T ), h f (T , v)
2
h1a2 h1b2 1 dh h2 h1 dh 0
解:
根据:
Q E W
(1)
E U Ek Ep (2)
将(2)代入(1),得:
Ek Q U Ep W
(3)
将已知条件代入(3),得:
Ek 25 (15 2) (2 9.81000 ) /1000 (100 ) Ek 85.4kJ
第二章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练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。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能 量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。
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
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
2
U
dU
1
U2 U1
dU 0
u u u2 u1
du 0
二、外部储存能
需要用系统外的参考坐标系测量的参数来 表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的 宏观动能和重力位能：
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
问题：左图中 阴影部分的面 积代表什么？
工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。
pAl pV mpv
在作推动功时，工质的状态 没有改变（如图中的C点）， 因此推动功不会来自系统的 储存能－热力学能，而是系 统以外的物质，这样的物质 称为外部功源。
工质在传递推动功时只是单 纯地传递能量，像传输带一 样，能量的形态不发生变化。
微元过程: q du w
对于循环：
Q dU W Q W
dU 0
闭系能量方程总结：
Q U W Q dU W
q u w q du w
m kg工质经过有限过程
m kg工质经过微元过程 1 kg工质经过有限过程 1 kg工质经过微元过程
热
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
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，又称为内能。
下面的热力学系统具有哪些方面的能量?
cf
外部动能
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。
2-5 热力学第一定律的基本能量方程式
热力学第一定律的能量方程式就是系统 变化过程中的能量平衡方程式，任何系 统、任何过程均可根据以下原则建立能 量方程式：
• 例题2－2 如图所示活塞面积A为4cm2，体积为 20cm3的气缸内充满压力为0.1MPa、温度20C的空气， 弹簧刚度系数k为100N/cm，初始时弹簧未变形。缓 慢地对空气加热，求当空气压力增加到表压力为 0.2MPa时共需加入多少热量。
（大气压力p0=0.1MPa ，u=0.707 T KJ/Kg，且满足状 态方程PV=mRgT, Rg=287J/(kg·K) ）
注意上述方程的使用前提:系统无宏观动能和宏观势能变化!
以上各能量方程式适用于闭系各种过程 （可逆或不可逆）及各种工质（理想气 体、实际气体或液体）
二、闭口系能量方程的应用
• 例题2－1 一个装有2kg工质的闭口系经历 了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界 对系统做功100KJ，比热力学能减小 15KJ/kg，并且整个系统被举高1000m。试 确定过程中系统动能的变化。
进入系统 － 离开系统 ＝ 系统中储存
的能量
的能量
能量的增加
一、闭口系统的能量方程
闭口系统的能量方程是热力学第一定律在 控制质量系统中的具体应用，是热力学第一定 律的基本能量方程式。
设闭系中工质从外界吸热Q后，从状态1变 化到状态2，同时对外作功W，则：
Q W E2 E1 E
Q E W
作功： 借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。 作功过程中往往伴随着能量形态的变化。
气缸
飞
轮
热 源
传热：
左止点
借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。
传热是相互接触的物体间存在温差时发生的 能量传递过程。
二、容积功
气缸
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
2-1 热力学第一定律的实质
能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能 量。能量既不可能创造，也不能消灭，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 换中，能量的总量恒定不变。
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 间的相互转换的数量关系。
热力学第一定律：热能和机械能在转移 和转换的过程中，能量的总量必定守恒。
一、开口系能量方程
图中的开口系在 dt 时间内进行了一个微元过程：
有m1的微元工质流入进 口截面1－1，有m2的微
元工质流出出口截面2－2
系统从外界接受热量Q 系统对机器作内部功Wi
Wi表示工质在机器内部对机器所作的功，而轴功Ws为Wi的 有用功部分，两者的差为机器各部分的摩擦损失。
进入系统的能量
离开系统的能量
控制容积系统储 存能量的增加量
dE1 p1dV1 Q dE2 p2dV2 Wi
dECV
进入系统 的能量
－
离开系统 的能量
＝
系统储存能量 的增加量
(dE1 p1dV1 Q) (dE2 p2dV2 Wi ) dECV
热力系
内部能量
z 外部势能
一、热力学能(内能)
热力学能是储存在系统内部的能量， 它与系统内工质的内部粒子的微观运动和 粒子的空间位置有关，是下列各种能量的 总和：
分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
分子间相互作用形成的内位能。它是比体积 和温度的函数。
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。
2
(5)
而又: k l 0.2MPa 4 10 4 m2 80 N
(6)
所以: l 0.80cm W 0.64J
根据气体状态方程:
p1V1 mRgT1 p2V2 mRgT2
p1V1 mRgT1 T1 p2V2 mRgT2 T2
T2
T1
P2V2 P1V1
Wi
此式为开口系能量方程的一般表达式
开口系能量方程的其他形式：
进、出系统的工质有若干股，则方程为：
Q dECV
j
h
c
2 f
2
Q dECV (dE2 p2dV2 ) (dE1 p1dV1) Wi
E me, V mv,
e
u
1 2
c
2 f
gz,
h u pv
Q
dECV
h2
c
2 f
2
2
gz2
m2
h1
c
2 f1
2
gz1 m1
观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。 问题：过程可逆的条件是什么？
气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
(273
20)
0.3
106 (20 4 0.8) 106 0.1106 20106
1019.64K
所以： E U mu m0.707T
又： 所以：
m p1V1 2.38 10 5 kg RgT1
E U mu 2.38 105 0.707 726 .64(kJ) 12.2J
U Uk Up J
Ek
mc2 2
J
Ep mgz J
E U mc2 mgz 2
2-3 能量的传递与转化
一、作功与传热
作功和传热是能量传递的两种方式，因此功 量与热量都是系统与外界所传递的能量，其 值并不由系统的状态确定，而是与传递时所 经历的具体过程有关。所以，功量和热量不 是系统的状态参数，而是与过程特征有关的 过程量，称为迁移能。
1
右止点
2
2
w 1 pdv
v
p 1
2
2
w 1 pdv
v
强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功
2. dv 0有 w 0 w 称为膨胀功 dv 0 有 w 0 w 称为压缩功 dv 0 有 w 0
可
逆
ｐ
过 程
│
中
ｖ容
图积
上功
的在
表
示
三、推动功和流动功
工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面 作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功 （也是系统为维持工质流动所需的功）。
汽轮机简单模型
Wf p2V2 p1V1 ( pV )
wf p2v2 p1v1 ( pv)
工质从进口到出口，从状 态1膨胀到状态2，膨胀功 为w ，在不计工质的动能 与位能变化时，开系与外 界交换的功量应为膨胀功 与流动功之差w - ( pv )
德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环 保等相关的可持续发展观念的教育。
重 点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系 统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件， 在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过 程的计算。
难 点：热力学第一定律及其应用是本课程的重 点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢 固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件， 并能将理论与工程实际相联系。
宏观动能：
Ek
1 2
mc2f
重力位能： Ep mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 U
宏观动能
Ek
宏观位能
EP
系统的储存能 E
即 E U Ek EP
或
E
U
1 2
mc
2 f
mgz
1kg工质的总能为比总能：
e
u
1 2
c
2 f
gz
内能 宏观动能 宏观位能 储存能
得到：
Q E W 12.84J
2-6 开口系统能量方程式
实际热力设备中实施的能量转换往往是工 质在热力装置中循环不断地流经各相互衔 接的热力设备，完成不同的热力过程后才 能实现能量转换。因此分析这类热力设备 时，常采用开口系即控制容积的分析方法。
工质在设备内流动时，在同一截面上参数 近似地看作是均匀的。并认为同一截面上 各点流速一致。
解: 取汽缸内的空气为热力系，这是一个闭口系。
Pb
Pk
l
热力系
根据:
Q E W
(1)
E U Ek Ep (2)
根据题意: Ek 0, E p 0 (3)
所以:
E U mu (4)
W
Wb
Wk
pb
ห้องสมุดไป่ตู้
A l
1 k l2
此式就是闭口系的能量方程式。
对于控制质量闭口系来说，常见的情况在状态变 化过程中，系统的宏观动能与位能的变化为零，或 可以忽略不计，因此更见的闭口系的能量方程是：
Q U W
若闭口系经过一个微元过程，则能量方程为微分 形式：
Q dU W
对于1kg工质，能量方程式为：
有限过程: q u w
2-4 焓 一、焓的定义：
H U pV h u pv
焓的单位：J，比焓的单位：J/kg
二、焓是状态参数
h f ( p, v), h f ( p,T ), h f (T , v)
2
h1a2 h1b2 1 dh h2 h1 dh 0
解:
根据:
Q E W
(1)
E U Ek Ep (2)
将(2)代入(1),得:
Ek Q U Ep W
(3)
将已知条件代入(3),得:
Ek 25 (15 2) (2 9.81000 ) /1000 (100 ) Ek 85.4kJ
第二章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练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。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；理解和掌握闭口系、开口系和稳定流动能 量方程及其常用的简化形式；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。
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
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
2
U
dU
1
U2 U1
dU 0
u u u2 u1
du 0
二、外部储存能
需要用系统外的参考坐标系测量的参数来 表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的 宏观动能和重力位能：
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
问题：左图中 阴影部分的面 积代表什么？
工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。
pAl pV mpv
在作推动功时，工质的状态 没有改变（如图中的C点）， 因此推动功不会来自系统的 储存能－热力学能，而是系 统以外的物质，这样的物质 称为外部功源。
工质在传递推动功时只是单 纯地传递能量，像传输带一 样，能量的形态不发生变化。
微元过程: q du w
对于循环：
Q dU W Q W
dU 0
闭系能量方程总结：
Q U W Q dU W
q u w q du w
m kg工质经过有限过程
m kg工质经过微元过程 1 kg工质经过有限过程 1 kg工质经过微元过程
热
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
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，又称为内能。
下面的热力学系统具有哪些方面的能量?
cf
外部动能
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。
2-5 热力学第一定律的基本能量方程式
热力学第一定律的能量方程式就是系统 变化过程中的能量平衡方程式，任何系 统、任何过程均可根据以下原则建立能 量方程式：
• 例题2－2 如图所示活塞面积A为4cm2，体积为 20cm3的气缸内充满压力为0.1MPa、温度20C的空气， 弹簧刚度系数k为100N/cm，初始时弹簧未变形。缓 慢地对空气加热，求当空气压力增加到表压力为 0.2MPa时共需加入多少热量。
（大气压力p0=0.1MPa ，u=0.707 T KJ/Kg，且满足状 态方程PV=mRgT, Rg=287J/(kg·K) ）
注意上述方程的使用前提:系统无宏观动能和宏观势能变化!
以上各能量方程式适用于闭系各种过程 （可逆或不可逆）及各种工质（理想气 体、实际气体或液体）
二、闭口系能量方程的应用
• 例题2－1 一个装有2kg工质的闭口系经历 了如下过程：过程中系统散热25kJ，外界 对系统做功100KJ，比热力学能减小 15KJ/kg，并且整个系统被举高1000m。试 确定过程中系统动能的变化。
进入系统 － 离开系统 ＝ 系统中储存
的能量
的能量
能量的增加
一、闭口系统的能量方程
闭口系统的能量方程是热力学第一定律在 控制质量系统中的具体应用，是热力学第一定 律的基本能量方程式。
设闭系中工质从外界吸热Q后，从状态1变 化到状态2，同时对外作功W，则：
Q W E2 E1 E
Q E W
作功： 借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。 作功过程中往往伴随着能量形态的变化。
气缸
飞
轮
热 源
传热：
左止点
借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。
传热是相互接触的物体间存在温差时发生的 能量传递过程。
二、容积功
气缸
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
2-1 热力学第一定律的实质
能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能 量。能量既不可能创造，也不能消灭，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 换中，能量的总量恒定不变。
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 间的相互转换的数量关系。
热力学第一定律：热能和机械能在转移 和转换的过程中，能量的总量必定守恒。
一、开口系能量方程
图中的开口系在 dt 时间内进行了一个微元过程：
有m1的微元工质流入进 口截面1－1，有m2的微
元工质流出出口截面2－2
系统从外界接受热量Q 系统对机器作内部功Wi
Wi表示工质在机器内部对机器所作的功，而轴功Ws为Wi的 有用功部分，两者的差为机器各部分的摩擦损失。
进入系统的能量
离开系统的能量
控制容积系统储 存能量的增加量
dE1 p1dV1 Q dE2 p2dV2 Wi
dECV
进入系统 的能量
－
离开系统 的能量
＝
系统储存能量 的增加量
(dE1 p1dV1 Q) (dE2 p2dV2 Wi ) dECV
热力系
内部能量
z 外部势能
一、热力学能(内能)
热力学能是储存在系统内部的能量， 它与系统内工质的内部粒子的微观运动和 粒子的空间位置有关，是下列各种能量的 总和：
分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
分子间相互作用形成的内位能。它是比体积 和温度的函数。
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。
2
(5)
而又: k l 0.2MPa 4 10 4 m2 80 N
(6)
所以: l 0.80cm W 0.64J
根据气体状态方程:
p1V1 mRgT1 p2V2 mRgT2
p1V1 mRgT1 T1 p2V2 mRgT2 T2
T2
T1
P2V2 P1V1
Wi
此式为开口系能量方程的一般表达式
开口系能量方程的其他形式：
进、出系统的工质有若干股，则方程为：
Q dECV
j
h
c
2 f
2
Q dECV (dE2 p2dV2 ) (dE1 p1dV1) Wi
E me, V mv,
e
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