工程热力学第三章 热力学第一定律
工程热力学三大定律
工程热力学三大定律
工程热力学是研究能量转化和传递的学科，其中三大定律是工程热力学的三个基本定律。
这三大定律分别是：
第一定律：能量守恒定律。
它指出，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转换为另一种形式。
在一个封闭系统中，能量的增加等于它的减少。
这一定律是热力学的基础，也是工程热力学的基础。
第二定律：熵增定律。
它指出，任何封闭系统中的熵都不会减少，只会增加或保持不变。
熵是一个系统混乱程度的度量，因此这个定律意味着所有自然过程都会使系统变得更加混乱。
这一定律在工程热力学中被广泛应用，特别是在热力学循环和能量转换中。
第三定律：绝对零度定律。
它指出，当一个物体的温度降到绝对零度时，它的熵将达到最小值。
这一定律是热力学的最终定律，也是工程热力学的一个基本定律。
它被用来确定理想气体的热力学性质，以及热力学循环的效率。
这三大定律是工程热力学的基础，它们在能源转换和利用中具有重要的应用价值。
了解这些定律可以帮助工程师设计更高效的能源系统，提高能源利用效率。
- 1 -。
工程热力学-热力学第一定律
减排措施
根据热力学第一定律，减少不必要的能量损失和排放是可行的，例如通过改进设备的保温性能和减少 散热损失来降低能耗。
环境保护
可持续发展
减少污染
热力学第一定律强调能量的有效利用和转换， 这有助于推动可持续发展，通过更环保的方 式满足人类对能源的需求。
该定律是热力学的基本定律之一，它 为能量转换和利用提供了理论基础。
内容
热力学第一定律可以表述为：在一个封闭系统中，能量总和保持不变，即能量转 换和传递过程中，输入的能量等于输出的能量加上系统内部能量变化。
该定律强调了能量守恒的概念，即能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化 为另一种形式。
符号和单位
热力平衡状态下的应用
能量转换
热力学第一定律可以用于分析能量转 换过程，如燃烧、热电转换等，以确 定转换效率。
热力设备设计
在设计和优化热力设备时，如锅炉、 发动机等，可以利用热力学第一定律 来分析设备的能量平衡，提高设备的 效率。
非平衡状态下的应用
热传导
在研究非平衡状态下的热传导过程时， 可以利用热力学第一定律来分析热量传 递的方向和大小。
VS
热辐射
在研究物体之间的热辐射传递时，可以利 用热力学第一定律来分析辐射能量的交换 。
热力过程的应用
热力循环
在分析热力循环过程，如蒸汽机、燃气轮机等，可以利用热力学第一定律来计算循环效 率。
热量回收
在热量回收过程中，如余热回收、热泵等，可以利用热力学第一定律来分析回收效率。
04 热力学第一定律的推论
熵增原理
定义
熵增原理是热力学第二定律的一个推论，它指出在一个封 闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行。
第3章 热力学第一定律讲解
A
B
解
mA
PAVA RTA
686 2.5 0.287 353
16.91kg
mB
PBVB RTB
980 1 0.287 303
11.26kg
m mA mB 28.17kg
V VA VB 3.5m3
W 0
Q U mcvT2 (mAcvTA mBcvTB )
c12
gz1)
Ws
m2
(h2
1 2
c22
gz2
)
dE CV
整理得
Q
m2 (h2
1 2
c22
gz2 ) m1(h1
1 2
c12
gz1
)
dE CV
Ws
使用范围：
开口系统与闭口系统 稳定与非稳定流动 可逆与不可逆过程
二、应用
无限大的容器（或管网）给有限大的容器充气问题
①分子动能：平动动能、转动动能、振动 动能，由系统的温度决定。
②分子位能：分子间的作用力，由气体 的比容决定。 对于理想气体，分子间无作用力，故u=f(T)。
2、外储存能 ①系统的宏观动能
E 1 mc2 k2
②系统的重力位能（相对系统外某一坐标系而言）
E mgz p
对于理想气体而言,系统的储存能为：
了储存能之外，还得到了流动功。同样，流出控制体时，除
输出了储存能之外，还输出了流动功。因此，质量为m1的工 质工质流入控制体传递给系统的能量为：
U1
1 2
m1c12
(精品)工程热力学课件：热力学第一定律
恒定流量
流过系统任何断面的质量相等
m1 m2 m
恒定参数
进入的能量与离开的能量相等
dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
稳态稳流 m1 m2 m
dEcv 0
Q
(h2
1 2
c22
gz2
)
m
(h1
( Q W ) ( Q W ) 0
1b 2
2 c1
( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
p1
b
a c
2
V
与路径无关
用dU表示
是某状态函数的全微分
热力学能的物理意义
dU = Q - W
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。
气轮机 1.5MPa 320℃
0.6m3
例题
大储气罐蒸汽状态稳定，管道
气轮机
内的蒸汽量可忽略。 绝热，忽略动、位能，没有质
1.5MPa 320℃
0.6m3
量流出。
dEcv
Q
(h1
1 2
c12
gz1) m1
(h2
1 2
c22
gz2 ) m2
Ws
2
2
2
1 dEcv 1 h1 m1 1 Ws
Q
2
可逆过程的技术功
w ( pv) wt
w d ( pv) wt
可逆过程 pdv d ( pv) wt
工程热力学 第五版(3)
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 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
Байду номын сангаас
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
q12 u2 u1 w12 q23 u3 u2 w23 q34 u4 u3 w34 q41 u1 u4 w41
q δw δQ W
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 cv dTv u cv T v
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
1 2 进入控制体的能量 δQ ( h1 c1 gz1 )δm1 2
1 2 离开控制体的能量 δWs ( h2 c2 gz2 )δm2 2
控制体储存能变化
dEcv ( E dE )cv Ecv
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
三、系统的总储存能
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 外界热源 外界功源 外界质源
03 热力学第一定律
u cv T v
对于理想气体：
第三节
采用定值比热容计算： 采用平均比热容计算：
闭口系统能量方程式
由理想气体组成的混合气体的内能等于组成气体内能之和： U U1 U 2 U n U i
i 1 n
mu mi ui
Q1 2 (U 2 U1 ) W1 2
对1kg工质，有：
Q dU pdV
Q12 (U 2 U1 ) pdV
1 2
q du w
q1 2 (u2 u1 ) w1 2
q du pdv
q12 (u2 u1 ) pdv
进入控制体的能量 1 2 Q (h1 c1 gz1 ) m1 离开控制体的能量
1 2 Ws (h2 c2 gz2 ) m2 2
2
控制体储存能变化：
dEcv ( E dE)cv Ecv
根据热力学第一定律建立能量方程
1 2 1 2 Q (h1 c1 gz1 ) m1 (h2 c2 gz2 ) m2 Ws dEcv 2 2 1 2 1 2 Q (h2 c2 gz2 ) m2 (h1 c1 gz1 ) m1 Ws dEcv 2 2
各种“功”的关系与区别
1.膨胀功（容积功）：压力作用下，工质的容积发生变化而传递的机械功
w pdv
2.流动功：推动流体通过控制界面而传递的机械功 流动净功：推动1kg工质进、出控制体所必须的功
w f p2 v2 p1v1
3.轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功
wf p v
ws
3.技术功：热力过程中可被直接利用来作功的能量，统称为技术功
工程热力学第三章热力学第一定律教案
第三章 热力学第一定律热力学第一定律是研究热力学的主要基础之一，也是分析和计算能量转化的主要依据，并且在我们以后的几章分析中也离不开它。
对其他热力学理论的建立也起着非常重要的作用。
热一律的建立1840—1851年间，迈耶、焦耳、赫尔姆霍茨建立了热力学第一定律，它指出了能量转化的数量关系，随着分子运动论的建立和发展，肯定了热能与机械能相互转化的实质是热能与机械能都是物质的运动，其相互转化就是物质由一种运动形态转变为另一种运动形态的运动且转化时能量守恒，把能量守恒定律应用于热力学，就叫做热力学第一定律，至此热力学第一定律完全建立。
本章重点：1 讨论热力学第一定律的实质。
2 能量方程的建立及工程实际中的应用。
3—1 热力学第一定律的实质实质：热一律的实质是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
能量转化守恒定律指出：在自然界中，物质都具有能量，能量有各种不同的形式，既不能创造，也不能随意消失，而只能从一种形态转化成另一种形态。
由一个系统转逆到另一个系统。
在能量转化和传递过程中，能量的总和保持不变，这个定律对任何一个系统都可写成∆⇒⇒//系统进入 离开即输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存的能量的变化量。
能量守恒定律不适从任何理论推导出来的，而是人类在长期的生产斗争和科学实验中积累的丰富经验的总结，并为无数实践所证实。
它是自然界中最普遍、最基本的规律之一。
普遍适用于机械的、热能的、电磁的、原子的、化学的等多变过程。
物理学中的功能原理、工程力学中的机械能守恒定律等。
其实质都是能量守恒与转化定律，热一律就是能量转化与守恒定律在热现象上的应用。
这个定律指出，热能与其它形式的能量相互转化和总能量守恒。
机械能 热能 化学能 电磁能在本课程范围内主要是热能与机械能的相互转化，因此：热一律也可表示为：热→功，功→热。
一定量热消失时，必产生与之数量相当的功。
消耗一定量的功时，必产生相当数量的热。
用数学形式表示：Q AW = 1427kcalA kg m =⋅W TQ = 1kg m J kcal A⋅=Q W = kJ这一关系表明，热一律确立了热与机械能相互转化时，热量与功量在数量上的关系。
工程热力学与传热学3)热力学第一定律
工质的总储存能E（简称总能）= 内部储存能+外部储存能=热力学能+宏观运动 动能+位能
E =U+Ek+Ep
内部储存能 外部储存能
（3.1）
• •
dE=dU+dEk+dEp ΔE=ΔU+ΔEk+ΔEp
（3.2） （3.3）
E =U+Ek+Ep
Ek=(mcf2)/2 Ep=mgz （3.4）
1 2 E U mcf mgz 2
例题3.2附图
（1）首先计算状态1及2的参数：
p1=p0+F1/A=771×133.32+195×9.81/0.01=2.941×105 (Pa) V1=h×A=0.1×0.01=10-3 (m2) p2=p0+F2/A=771×133.32+95×9.81/0.01=1.960×105 (Pa)
3.3.2 功量
功源的不同形式
电功 磁功 机械拉伸功 弹性变形功 表面张力功 膨胀功 轴功
（1）膨胀功（容积功） 与系统的界面移动有关 • 定义：热力系统在压力差作用下因工质容 积发生变化而传递的机械功。
• 热量转换为功量→工质容积发生膨胀→产 生膨胀功 • 闭口系统膨胀功：通过热力系统边界传递 开口系统膨胀功：通过其他形式传递
• 热力学第一定律解析式：热力学第一定律 应用于闭口系统而得的能量方程式，是最 基本的能量方程式 • Q = ∆U + W
一部分用于增加 工质的热力学能 储存于工质内部
一部分以作功的方 式传递至环境
• 热力学第一定律解析式的微分形式： • • • δQ＝dU+δW （3.10） • 对于1kg工质： q＝Δu+w δq＝du+δw （3.11） （3.12）
工程热力学第三章热力学第一定律作业
第3章 热力学第一定律3-1 一辆汽车 1 小时消耗汽油 34.1 升，已知汽油发热量为 44000kJ/kg ，汽油密度 0.75g/cm3 。
测得该车通过车轮出的功率为 64kW ，试求汽车通过排气，水箱散热等各种途径所放出的热量。
解： 汽油总发热量Q = 34.1×10-3m3 ×750kg/m3 ×44000kJ/kg =1125300kJ汽车散发热量Qout = Q-W ×3600 = (1125300-64×3600)kJ/h = 894900kJ/h3-2 气体某一过程中吸收了 50J 的热量，同时，热力学能增加 84J ，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外作功是多少 J ？解 取气体为系统，据闭口系能量方程式 Q = ΔU +WW = Q -ΔU = 50J -84J = -34J所以过程是压缩过程，外界对气体作功 34J 。
3-3 1kg 氧气置于图 3-1 所示气缸内，缸壁能充分导热，且活塞与缸壁无磨擦。
初始时氧气压力为 0.5MPa ，温度为 27℃，若气缸长度 2l ，活塞质量为 10kg 。
试计算拔除钉后，活塞可能达到最大速度。
解：由于可逆过程对外界作功最大，故按可逆定温膨胀计算：w = RgT ln V2/ V1 = 0.26kJ/(kg •K)×(273.15+ 27)K图3-1 图3-2×ln（A×2h）/ （A×h）= 54.09kJ/kgW =W0 + m'/2*Δc 2 = p0(V2 -V1)+ m'/2*Δc 2 （a ）V1 =m1RgT1/ p1=1kg×260J/(kg•K)×300.15K /0.5×106Pa = 0.1561m3 V2 = 2V1 = 0.3122m3代入(a)c2 = （2×(54.09J/kg×1kg×103-0.1×106Pa×0.1561m3)/10kg）1/2= 87.7m/s3-4 有一飞机的弹射装置，如图 3-2，在气缸内装有压缩空气，初始体积为 0.28m3 ，终了体积为0.99m3，飞机的发射速度为61m/s ，活塞、连 杆和飞机的总质量为 2722kg 。
工程热力学的公式大全
工程热力学的公式大全1.热力学第一定律：ΔU=Q-W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统所吸收的热量，W表示系统所做的功。
2.理想气体状态方程：PV=nRT其中，P表示气体的压力，V表示气体的体积，n表示气体的物质的分子数，R表示气体常数，T表示气体的温度。
3.等温过程：Q=W在等温过程中，系统所吸收的热量等于所做的功。
4.绝热过程：P1V1^γ=P2V2^γ在绝热过程中，气体的压强与体积之积的γ次方是一个常数，γ为气体的绝热指数。
5.等容过程：ΔU=Qv在等容过程中，系统内能的变化等于吸收的热量。
6.等压过程：Q=ΔH在等压过程中，系统所吸收的热量等于焓的变化。
7.等焓过程：ΔH=Qp在等焓过程中，焓的变化等于吸收的热量。
8.热机效率：η=1-，Qc，/，Qh热机效率表示热机从高温热源吸收的热量减去放出的低温热量占高温热量的比例。
9.士温定理：η=1-(Tc/Th)士温定理是热力学第二定律的一种表述，表示热机效率与高温热源温度和低温热源温度的比值有关。
10.开尔文恒等式：η=1-(Tc/Th)=1-(，Qc，/，Qh，)开尔文恒等式是士温定理的另一种形式，表示任何热机的效率都不可能达到100%。
11.准静态过程：ΔS=∫(dQ/T)准静态过程中，系统的熵变等于系统吸收的微小热量除以系统的温度积分得到。
12.绝热可逆过程：ΔS=0在绝热可逆过程中，系统的熵不发生变化。
13.熵的增加原理：ΔS总=ΔS系统+ΔS环境≥0根据熵的增加原理，系统与环境的熵的变化之和大于等于0。
14.卡诺循环效率：η=1-(Tc/Th)卡诺循环是理想热机，其效率由高温热源温度和低温热源温度决定。
15.等温膨胀系数：β=(1/V)*(∂V/∂T)p等温膨胀系数表示单位温度升高时体积的变化与体积的比值。
16.等压热容量：Cp=(∂Q/∂T)p等压热容量表示在等压条件下单位温度升高吸收的热量与温度的比值。
17.等容热容量：Cv=(∂Q/∂T)v等容热容量表示在等容条件下单位温度升高吸收的热量与温度的比值。
工程热力学-第三章热力学第一定律-能量方程
最终形式
Qபைடு நூலகம் E
2 1
ejδmj
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能和位能的变化量
E U
δmi 0 δmj 0
δq du δw q u w δQ dU δW Q U W
第一定律第一解析式
02
2.2 开口系统稳态稳流能量方程
g z2 z1
（C）
热能转变 成功部分
流动功
机械能增量
02
第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
q
h2
h1
1 2
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
q h wt δq dh δwt
2
q h 1 vdp
稳定流动特征 1）各截面上参数不随时间变化。
推导过程
流入系统的能量:
qm1
u1
p1v1
cf21 2
gz1
2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0···
流出系统的能量:
Ps
qm2
u2
p2v2
1 2
cf22
gz2
系统内部储能增量: ΔECV
流出：δW δmjej
δQ
d 内部贮能的增量：dE
δQ dE ejδmj eiδmi δWtot
Q E
工程热力学第三章课件
四、焓（ Enthalpy ）及其物理意义
1 2 流动工质传递的总能量为：U mc mgz pV ( J ) 2 1 2 或 u c gz pv （J/kg） 2
焓的定义：h = u + pv H = U + pV
对理想气体：
( J/kg ) (J)
h = u + pv = u + RT＝f(T)
表面张力功、膨胀功和轴功等。 1.膨胀功（容积功）
无论是开口系统还是闭口系统，都有膨胀功；
闭口系统膨胀功通过系统界面传递，开口系统的膨胀 功是技术功的一部分，可通过其它形式（如轴）传递。 系统容积变化是做膨胀功的必要条件，但容积变化不 一定有膨胀功的输出。
2.轴功
系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
第三节 闭口系统能量方程
一、闭口系统能量方程表达式 Q = dU + W (J)
Q = U + W (J)
Q W
q = du + w (J/kg)
q = u + w (J/kg)
对闭口系统而言，系统储存 能中的宏观动能和宏观位能 均不发生变化，因此系统总 储存能的变化就等于系统内 能的变化。即 ΔE= ΔU=U2-U1
p
3 4
2
1
v
对整个循环：∑∆u=0 或
du 0
因而q12 ＋ q23 ＋ q34 ＋ q41 ＝ w12 ＋ w23 ＋ w34 ＋ w41
即
q w
三、理想气体热力学能变化计算
对于定容过程， w = 0，于是能量方程为：
q v = duv=cvdTv
u cV ( )V T
1 2 1 2 Q (h2 c2 gz 2 )m2 (h1 c1 gz1 )m1 Ws dECV 2 2
工程热力学热力学第一定律
注意：工程热力学中只考虑内动能和内位能。
所以有：
u=f(T,v)
9
3.热力学能特性：
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数； 其变化量与过程无关，只与初终状态有关；
p
U1a 2 U1b 2 U 2 U1 U1a 2b1 0
0
1
b
a
2
v
10
二、外部储存能
需要用在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。 宏观动能： 1 2
解：(1)不计汽轮机散热时：
根据稳定流动的能量方程式可得，蒸汽每小时在汽轮机中所做的轴功为 Ws=qm(h1－h2)=40×103×(3263－2232)=4.14×107kJ/h 则汽轮机的功率为：
(2)考虑汽轮机散热时： Ws′=qm(h1－h2)+Q=40×103×(3263－2232)－4×105=4.1×107kJ/h 此时汽轮机的功率变为：
22
一、稳定流动的能量方程式
如图所示，在单位时间内： c1 1kg工质带入系统的能量： （1）焓h1 （2）宏观动能1/2c12 （3）重力位能gz1 1kg工质带出系统的能量： z1 （1）焓h2 （2）宏观动能1/2c22 （3）重力位能gz2 同时，在单位时间内，外界 加入热量q，系统对外输 出轴功wS
1 2 所以： w ( pv ) c gZ ws pv wt 2
1 2 wt c gz ws ws 2
不计动能和位能变化时
比较：在闭口系中，工质的体积变化功直接表现为对外膨胀 做功；而在开口稳流系统中，工质的体积变化功表现为：维持 工质流动所必须支付的流动净功、工质本身动能和位能的增加、 对外输出的轴功。 （两个能量方程的本质是相同的）
工程热力学第六版素材第三章 热力学第一定律
第三章 热力学第一定律本章要求：掌握储存能、热力学能、焓的物理意义，掌握膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别，熟练选取热力系统，应用热力学第一定律解决具体问题。
1.基本概念热力学第一定律: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，这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律。
把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程，即为热力学第一定律。
第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机，称为第一类永动机。
热力学能：热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和。
外储存能：也是系统储存能的一部分，取决于系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。
这两种能量统称为外储存能。
轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
流动功（或推动功）：当工质在流进和流出控制体界面时，后面的流体推开前面的流体而前进，这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。
因此，流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。
焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。
对于流动工质，焓=内能+流动功，即焓具有能量意义；对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数。
稳态稳流工况：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，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，称稳态稳流工况。
技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。
动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。
压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。
节流：流体在管道内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象。
2.常用公式外储存能：1．宏观动能：221mc E k =2．重力位能：mgz E p =式中g —重力加速度。
工程热力学-第三章热力学第一定律-焓
CONTENTS
01. 焓之缘起 02. 焓之表达 03. 焓之特性
01. 焓之缘起
随物质流传递的能量 01
储存能
流动功
流动工质本身所具有的 内能、宏观动能、重力位 能，随工质流进（出）控 制体而带进（出）控制体。
E =U+mc2/2+mgz J e=u+ c2/2+gz J/Kg
带的、取决于热力状态的 能量。
03. 焓之特性
03
特性
焓是状态量
H为广延参数 对流动工质，焓
H=U+pV = m(u+pv) = mh
h为比参数
代表能量(内能+ 推进功) 对静止工质，焓 不代表能量
THANK YOU
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
02. 焓之表达
02
焓 e=u+ c2/2+gz+pvu+pv 单位：J（kJ） J/kg（kJ/kg）
物理意义： 属于引进或排出工质而输
入或排出系统的能量。 开口系中随工质流动而携
系统引进或排出工质传递 的功量。
pAH pv
01 净流动功：系统维持 流动所花费的代价。
p2v2 p1v1( [ pv])
流动功在p-v图上的表 示
01
对流动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、wf＝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（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量
工程热力学热力学第一定律
第三章热力学第一定律第一节 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律。
能量守恒与转换定律的核心内容就是：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，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。
量守恒与转换定律是人类对长期实践经验和科学实验的总结，是自然界的一个基本规律。
将能量守恒与转换定律应用于热力学所研究的与热能相关的能量传递与转换，得到的就是热力学第一定律。
热力学第一定律有许多种表述方法。
历史上，最早的表述为：“热可以变为功，功也可以变为热。
消失一定量的热时，必产生数量相当的功；消耗一定量的功时，亦必出现相应数量的热”。
当初所以这样表述，是因为在热力学第一定律提出之前，对于热的认识还很模糊，热量的单位与功的单位也不统一，导致表述比较繁杂。
最早的另外一种表述为：“第一类永动机是不可能制造成功的”。
所谓第一类永动机是一种不花费能量就可以产生动力的机器。
历史上，有人曾幻想要制造这种机器，但由于违反了热力学第一定律能量守恒的原则，结果总是失败。
这种表述是从反面说明要得到机械能必须花费热能或其它能量。
热力学第一定律可以简单地表述为：在热能与其它形式的能量互相转换时，能的总量保持守恒。
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。
用热力学第一定律分析一个发生能量传递与转换的热力过程时，首先需要分析列出参与过程的各种能量，依据热力学第一定律能量守恒的原则，建立能量平衡方程式。
对于任何一个具体的热力系所经历的任何热力过程，热力学第一定律能量平衡方程式都可以一般地表示为：进入系统的能量一离开系统的能量 =系统储存能的变化（3-1）（3-1）式是一种以热力系为对象，用方程式的形式对热力学第一定律的表述。
它的成立，并不依赖系统某种工质或某个热力过程的个别属性，所依据的仅是热力学第一定律能量守恒的原则。
工程热力学第三章习题参考答案
第三章 热力学第一定律 习题参考答案思考题3-1门窗紧闭的房间……答：按题意，以房间（空气+冰箱）为对象，可看成绝热闭口系统，与外界无热量交换，Q=0电冰箱运转时，有电功输入，即W 为负值，按闭口系统能量方程：WU +Δ=0 或即热力学能增加，温度上升。
0>−=ΔW U 3-6 下列各式，适用于何种条件？ 答：答案列于下表公式适用条件w du q δδ+= 闭口系统，任何工质，任何过程，不论可逆与不可逆 pdv du q +=δ 闭口系统，任何工质，可逆过程 pdv dT c q v +=δ闭口系统，理想气体，可逆过程dh q =δ 闭口系统，定压过程； 或开口系统与环境无技术功交换。
vdp dT c q v −=δ开口系统，理想气体，稳态稳流，可逆过程3-10 说明以下结论是否正确： （提示：采用推理原则，否定原则） ⑴ 气体吸热后一定膨胀，热力学能一定增加。
答：错误，如等容过程吸热后不膨胀；如不是等容过程吸热后热力学能也不一定增加，当对外净输出功量大于吸热量时，则热力学能不增加。
⑵ 气体膨胀一定对外作功。
答：错误，如气体向真空膨胀则不作功，另外气体膨胀对外作膨胀功的充要条件是：气体膨胀和要有功的传递和接受机构。
⑶ 气体压缩时，一定消耗外功。
答：错误，如处于冷却过程的简单可压缩系统，则会自发收缩（相当于被压缩），并不消耗外功。
⑷ 应设法利用烟气离开锅炉时带走的热量。
答：错误不应说设法利用烟气离开锅炉时带走的热量。
因为热量是过程量，不发生则不存在。
应该说设法利用烟气离开锅炉时带走的热能（或热焓）。
习 题3-1 已知：min 202000/400===time N hkJ q 人人求：?=ΔU 解：依题意可将礼堂看作绝热系统，思路：1、如何选取系统？2、如何建立能量方程？ ⑴ 依题意，选取礼堂空气为系统，人看作环境，依热力学第一定律，建立能量方程：kJ time N q Q U W W Q U 51067.2602020004000×=××=⋅⋅==Δ∴=−=Δ人Q⑵ 如选“人+空气”作系统， 依据热力学第一定律：W Q U −=Δ0,0,0=Δ∴==U Q W Q如何解释空气温度升高：该系统包括“人+空气”两个子系统 ，人散热给空气，热力学能降低，空气吸热，能内升高，二者热力学能代数和为零。
工程热力学第三版课后习题答案
工程热力学第三版课后习题答案工程热力学是工程学科中的重要分支，它研究能量转化和传递的原理及其应用。
在学习过程中，课后习题是巩固知识、提高能力的重要途径。
然而，由于工程热力学的内容较为复杂，课后习题往往令人感到困惑。
为了帮助学习者更好地掌握工程热力学，下面将给出《工程热力学第三版》课后习题的答案。
第一章：基本概念和能量转化原理1. 答案略。
2. 根据能量守恒定律，系统的内能增加等于吸收的热量减去对外做功的量。
因此，ΔU = Q - W。
3. 根据能量守恒定律，系统的内能增加等于吸收的热量减去对外做功的量。
因此，ΔU = Q - W。
4. 答案略。
5. 答案略。
第二章：气体的状态方程和热力学性质1. 对于理想气体，状态方程为PV = nRT，其中P为气体的压力，V为气体的体积，n为气体的摩尔数，R为气体常数，T为气体的温度。
2. 对于理想气体，内能只与温度有关，与体积和压力无关。
3. 对于理想气体，焓的变化等于吸收的热量。
4. 对于理想气体，熵的变化等于吸收的热量除以温度。
5. 答案略。
第三章：能量转化和热力学第一定律1. 根据热力学第一定律，系统的内能增加等于吸收的热量减去对外做功的量。
因此，ΔU = Q - W。
2. 根据热力学第一定律，系统的内能增加等于吸收的热量减去对外做功的量。
因此，ΔU = Q - W。
3. 根据热力学第一定律，系统的内能增加等于吸收的热量减去对外做功的量。
因此，ΔU = Q - W。
4. 答案略。
5. 答案略。
第四章：热力学第二定律和熵1. 答案略。
2. 答案略。
3. 答案略。
4. 答案略。
5. 答案略。
通过以上对《工程热力学第三版》课后习题的答案解析，相信读者对工程热力学的相关知识有了更深入的了解。
掌握热力学的基本概念和原理，对于工程学科的学习和实践具有重要意义。
希望读者能够通过课后习题的解答，提高自己的热力学能力，并将其应用于工程实践中，为社会发展做出贡献。
热力学第一定律
功和热量工程热力学中主要研究能量的传递和转化，通过工质的状态变化，进行某个热力过程，与外界进行能量交换。
热力学系统与外界进行能量交换的形式很多，在这里我们主要研究两种，做功和传热。
做功是在压差下进行的，传热是在温差下进行的。
一、功1.功的定义我们先看一下高中时力学中所涉及的功：力学中把力和力的方向上位移的乘积定义为力所做的功，即：W=Fx这是在整个过程中力的大小恒定不变时可以这样计算，若力F 是随位置而发生变化的，那我们需要微分的来看：最初时，力的大小为F ，并且物体在力F1的作用下移动了微小的距离dx 1，则这一段的功11W=F dx δ⋅，然后力变为F2，并在F2的作用下移动了微小距离dx 2，则又做功22W=F dx δ⋅，如此反复，物体在力F(x)作用下从1点移动到2点，则整个过程中，力所做的功为：211221W=n n F dx F dx F dx Fdx ⋅+⋅+⋅⋅⋅+⋅=⎰ 这是在力学中定义的功，那么我们在热力学中，研究范围较广，功也有更广义的定义。
热力学中，功是热力系通过边界而传递的能量，其全部效果可表现为举起重物（即可做机械功，被利用）。
这里“举起重物”是指过程产生的效果相当于举起重物，并不要求真的举起重物。
功的正负：热力系中规定，系统对外界做功，功为正；外界对系统做功，功为负。
功的单位：功的国际单位为焦耳，符号J ，有时也用kJ 。
2.容积功的计算下面我们看一下热力系的功怎么计算：热力学中所涉及的功有很多种，我们将在学习过程中一个一个的介绍，我们这一节先学第一种功，容积变化功，顾名思义，就是由于容积变化所做的功，它包括两种，容积变大，为膨胀功，容积变小为压缩功。
比如活塞气缸的例子。
实际情况中，气体工质膨胀做功时，功可以分为两部分，一部分用于克服摩擦（即耗散），另一部分用来反抗外力（如环境的压力或连接的飞轮的阻力），那么这两部分能量中，第一部分是无法利用的耗散热，而第二部分功就是有意义的，是我们可以利用的，可做机械能，举起重物等），这部分功就是气态工质进行膨胀时反抗外力所做的功，可储存为飞轮的动能，这第二部分功就称为膨胀功或容积功。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
进入控制体的能量Q(h11 2c12gz1)m1
离开控制体的能量W s(h21 2c2 2gz2)m 2
控制体储存能变化： dE cv(EdE )cvE cv 根据热力学第一定律建立能量方程
Q(h11 2c1 2gz1)m 1(h21 2c2 2gz2)m 2W sdEcv Q(h21 2c2 2gz2)m 2(h11 2c1 2gz1)m 1W sdEcv
可逆过程能量方程
可逆过程能量方程 以下二式仅适用可逆过程：
q du pdv
2
q u pdv 1
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，其热量、内能和膨 胀功三者之间的关系也适用于开口系统
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
h g i hi i 1
n
H n H i i 1
只有当混合气体的组成成分一定时，混合气体 单位质量的焓才是温度的单值函数
第六节 稳态稳流能量方程的应用
一、动力机
利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备
由q
(h2
h1)
1 2
(c22
c12
)
g(z2
z1)
ws
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
pv
对 移 动 1kg工 质 进 、 出 控 制 净 流 动 功
w
＝
f
p 2 v 2－
p1v1
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
四、焓及其物理意义
是工质的状态参数 H U pV h u pv
对于理想气体
h u p v ＝ u R T f(T )
理想气体的焓和内能仅是温度的单值函数
对于微元热力过程：
wt
1 2
dc2
gdz
ws
稳态稳流能量方程可写成
qhwt
qdhwt
wt qh(uw)(up2v2p1v1)wp1v1p2v2
技 术 功 等 于 膨 胀 功 与 流 动 功 的 代 数 和
稳态稳流可逆过程
wt q dh (du pdv) d(u pv) wt vdp
可逆过程1－2的技术功为：
2
wt vdp 1
技术功是过程量，其值取决于初、终态及过程特征 若不考虑工质动能和位能的变化，技术功等于轴功
三、理想气体的焓变计算
对于定压过程
wt 0 q p dhp cpdTp
cp
对理想气体
h T
p
cp
dh dT
d h c pd T
2
h c pd T
一、热量 热力学定义：对于没有物质流的系统，系统
与外界之间只有热和功的交换，热量是除功 以外另一种形式的能量传递 热量学定义：在温差作用下系统与外界传递 的能量 热量与内能原则的区别：热量只是与过程特 性有关的过程量，不能说系统具有多少热量
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
c12
)
0
q0
得到式：ws h1 h2所作的轴功等于工质的焓降
二、压气机
消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
c12)
0
q0
得到：ws h2 h1 绝热压缩消耗的轴功等于压缩气体焓的增加
三、热交换器
由
q
Δ
h
1Δ 2
c2
gΔ
z
ws
ws 0
g (z2 z1) 0
形式：多种多样如 膨胀功、轴功等
1、膨胀功
热转换为功的必要途径 定义：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 开口系统的膨胀功是技术功的一部分，通过其
它形式（如轴）传递
容积变化是作膨胀功的必要条件非充要条件
2、轴功
定义：系统通过机ss 械轴与外界传递的机械功
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）
Q＝dE＋W
闭口系统工质的动能和位能没有变化dE＝dU， 故得：
Q＝ dU＋ W
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
稳态稳流工况：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。
流体在管道内流动，遇到突然变窄的界面， 由于存在阻力使流体压力降低的现象
h 1 h 2 绝 热 节 流 前 、 后 焓 相 等 ， 即 能 量 数 量 相 等
第三章 热力学第一定律
引入：能量守恒与转换定律
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
－第一类永动机不可能实现的原因
第一节 系统储存能
内能（内储存能）：取决于系统本身（内部） 的状态，它与系统内工质的分子结构及微观 运动形式有关
v
理想气体内能计算式
cv
du dT
ducvdT
2
ucvdT该式适用于计算理想气体一切过程内能变化
1
而实际气体该式只适用计算定容过程内能变化
采用定值比热计算时：
ucv(T2T1)
采用平均比热计算时：
u
t2 t1
cvdT
t2 0
cvdT
t1 0
cvdT
cvm
t2 0
t2 cvm
tt1
01
焓的物理意义
U 1 mc2 mgz pV 2
H U pV
u 1 c2 gz pv
h u pv
2
对于流动工质，焓=内能+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
对于不流动工质，焓仅是一个复合状态参数
第三节 闭口系统能量方程
c
2 1
)
g (z2
z
1
)
mWsQ来自(h2
h1 )
1 2
(
c
2 2
c
2 1
)
g (z2
z
1
)
m
Ws
q
(
h
2
h1 )
1 2
(
c
2 2
c
2 1
)
g
(z2
z
1
)
ws
h
1 2
c2
gz
ws
微元热力过程：
q
dh
1 2
c2
gdz
ws
二、技术功
定义：热力过程中可被直接利用来做功的能量
wt
1 2
c2
gz
ws
b图为开口系统与外界传递的轴功Ws ，内燃机就 是靠机械轴传递机械功的。
轴功符号 w s ：单位质量工质的轴功
正功与负功 规定：系统输出轴功为正功 系统输入轴功为负功
三、随物质流传递的能量
开口系统与外界随物质流传递的能量包括两部分：
1、流动工质本身具有的内能、宏观动能和重力 位能
E U 1 mc2 mgz 2
外储存能：取决于系统工质与外力场的相互 作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的 系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）
气体的内能是其温度和比容的函数
u f T ,v
u f T , p u f p,v
因为p、v、T存在一定关系
理想气体内能只是温度的单值函数
u f T
二、外储存能
稳态稳流工况特征： 1、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
δ m1=δ m2=· · · · · · ＝ δ m
2、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 dEcv 0
开口系统稳态稳流能量方程表达式：
Q
(
h
2
h1 )
1 2
(
c
2 2
1 2
(
c
2 2
c
2 1
)
0
得 ： q h2 h1
工质所吸收的热量等于
焓的增加
四、喷管
一种使气流加速的设备
ws 0 gz 0
q0
得
1 2
(
c
1 2
c
2 1
)
h1
h2
喷管中气流动能增量
等于工质的焓降
五、流体的混合
m 1 h 1 m 2 h 2 ( m 1 m 2 ) h 3
六、绝热节流
1
对实际气体只适用于计 算定压过程焓的变化
实际工程中求焓的方法
按定值定压比热计算： hcp(T2T1)
按平均定压比热计算：
hcpm
t2 0
t2cpmt01t1
按真实定压比热计算：
T2
H a0a1Ta2T2a3T3dT T1
理想气体组成的混合气体焓值的计算
H H1 H2
n
m h mihi i 1 n
1、宏观动能
Ek
1 2
mc2
2、重力位能
Ep mgz
三、系统总储存能
E为内储存能与外储存能之和。
E U Ek Ep 或 ： E U 1 mc2 mgz
2
对1kg质量物体总储存能为：
e u 1 c2 gz 2
特例：无宏观运动且高度为零
E＝U或e＝u
第二节 系统与外界传递的能量