热力学第一定律

闭口系：系统与外界没有物质交 量的变化 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
2.3 开口系统的热力学第一定律表达式 （稳定流动能量方程式）
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。 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。
工质流动而作的功称为推动功，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）Leabharlann Baidu 如图所示，当质量为m的工质在外力的推 动下克服压力p移动距离h，进入截面积为 A的气缸时，则外界所作的推动功为
pAh pV mpv
推动功示意图
流动功（也是系统为维持工质流动所需的功）： 流动功是由泵或风机加载给被输送的工质并随着工质的 流动而向前传递的一种能量。 工质从进口到出口，从状态1膨胀
－
离开系统的 能量
＝
系统储存能量的 增加量
1 Q H mc 2 mg z Ws 2
1 q h c 2 g z ws 2
此方程为流过开口系1kg流体的稳定流动的能量方程。 稳定流动能量方程式的分析
此三项为机械能，是技术上可资利用的功，称为技术
功，用
wt 表示
到状态2，膨胀为为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 )
W f p2V2 p1V1 ( pV ) w f p2v2 p1v1 ( pv)
稳定流动能量方程 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 系统工质通过机器轴输出功Ws为轴功
（2）汽轮机进出口动能的变化占其作功量的百分数为
1 (1202 502 ) 103 2 100% 0.64% 926.05
轴功的0.64%，故动能变化在一般情况下均可忽略不计.
（3）汽轮机发出的功率为
926.05 104 P ws qm 2572.36kW 3600
图2－1 功热转换示意图
2.2 闭口系的热力学第一定律表达式
一. 热力学能
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。
热力学能：
0，且动能、重力势能的变化可以忽略，故根据式(2-14)
可计算每千克工质在锅炉中所吸收的热量，为
Q mq 2000 2558 5.116 106kJ / h
每小时吸热量为
q h2 h1 (2768 210) 2558kJ / kg
于是锅炉的耗煤量为
5.116 106 318kg / h 23000 0.70
q h wt
wt q h q u ( pv) w ( pv)
对于可逆过程：
wt

2
1 2
pdv ( pv) pdv d ( pv)
1 2
1 2
1
vdp
微分形式：
wt vdp
图 技术功式示意图
以技术功的形式表达稳定流能量方程 一般形式 过程可逆
符号：U
法定计量单位：焦耳（J）
比热力学能：（1kg物质的热力学能） 符号：u 单位：J/kg 热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数。


U

2
1
dU U 2 U1
dU
0
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： 重力位能：
第二章 热力学第一定律
第二章 热力学第一定律
2.1 循环过程、热力学第一定律 2.2 闭口系的热力学第一定律表达式 2.3 开口系统的热力学第一定律表达式
2.1
循环过程、热力学第一定律
一. 热力学第一定律的实质
能量转换与守恒定律定律指出： 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。
例题2-3
已知新蒸汽进入汽轮机时的焓为 h1 3232kJ / kg
流速 c1 50m / s ，作功后的乏汽流出汽轮机时的焓
h2 2300kJ / kg，流速 c2 120m / s ，散热损失及重力势
能变化可略去不计。求：
（1）每千克蒸汽流经汽轮机时对外作的功；
（2）汽轮机进、出口功能的变化占其作功量的百分数； （3）蒸汽流量为104kg/h时，汽轮机发出的功率。
完
1 2 Ek mc 2
E p mgz
系统的总储存能（简称总能） 系统的总储存能为系统的内部储存能与外部储存 能之和，用E表示：
1 E U mc 2 mgz 2
1kg工质的总能为比总能：
1 2 e u c gz 2
二. 闭口系统的热力学第一定律表达式
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
解：（1）蒸汽流经汽轮机也是开口系统稳定流动的例 子。由式（2-14）并结合题意q=0，z2-z1=0，于是，每千
克蒸汽所作的轴功为
1 2 2 ws (h1 h2 ) (c2 c1 ) 2 1 (3232 2300) (1202 502 ) 103 2 926.05kJ / kg
为18.8m水柱，水泵效率η =理想功率/实际功率=80%，问
此水泵需配备多大功率的电机？
解：
若将泵壁及进、出口截面选作系统边界，则这是一个开
口系统。由于水的不可压缩性，可认为水泵进、出口水
的体积不变，且 进、出口水的功能和重力势能变化都很小
根据教材式（2-25），每千克水在定容流动过程中对外作
的技术功为 水泵的实际功率为
焓等于热力学能与推动功之和。
h u pv
焓的物理意义表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能
量中取决于热力状态的那部分。
1 2 进入1-1截面的总能量为： h1 c1 gz1 2
1 2 流出2-2截面的总能量为： h2 c2 gz2 2
此外，通过边界进入开口系统的能量有q，离开开口 系统的能量有ws,而稳定流动的系统本身能量的变化为0 进入系统的 能量
的电动机。
例题2-2
一台供热用锅炉，蒸发量为2t/h，给水进入锅
炉时的焓 h1 210kJ / kg ，水蒸气离开锅炉时的焓
h2 2768kJ / kg 。已知煤的发热量为23000kJ/kg，锅炉的
效率为70%，试计算每小时用煤量。 解：以锅炉进出口截面为系统边界，这是一开口系统的稳
定流动，工质流过该设备时与外界无功量交换，即轴功为
wt vdp v( p2 p1 )
1
2
P
mwt


V ( p2 p1 )

45 .0 (18 .8 1000 9.81) 2.88 k W 3600 0.8
技术功为负值，说明外界对系统作功。为水泵所配电动机
的功率应大于水泵功率。查产品目录，可选功率为4.0kW
热力学第一定律实质是：能量守恒与转换定律在 热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数 量上的相互关系。
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。
根据热力学第一定律，为了获得机械能，则必须 花费热能或其他形式能量，第一类永动机是不可能实 现的。
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：
进入系统 的能量
－
离开系统 的能量
系统中储存 ＝ 能量的增加
二.
循环过程热力学第一定律：
Q dU W
Q W
dU 0
q h wt
q dh wt
Q H Wt
q h vdp
1
2
q dh vdp
Q H Vdp
1 2
Q dH Wt
Q dH Vdp
例题2-1
一台JN型农用深井水泵，水的体积流率
qv 45m3 / h 水泵扬程（即水泵进出口的压差）p2 p1
一. 稳定流动与流动功
工程上实施的能量转换过程一般都是在工质不 断流过热工设备时进行的。常用的热工设备除了起 动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在外界影 响不变的条件下稳定运行的。这种流动状况称为稳 定流动，即开口系统内各点流体的热力状态和流动 情况都不随时间变化。
推动功 工质在流过热工设备时，必须受外力推动，这种推动