第二章 热力学第一定律剖析

第二章 热力学第一定律

一、目的及要求：

掌握热力学第一定律在闭口系统及开口系统的表达式，掌握状态参数热力学能U 及焓H 的含义，掌握各种功（流动功、推动功、容积变化功、技术功等）的含义。

二、内容：

2.1

热力学第一定律的实质 2.2

热力学能和总能 2.3

能量的传递与转化 2.4

焓及热力学第一定律的基本能量方程式 2.5 开口系统的能量方程式及能量方程式的应用

三、重点及难点：

2.1 深入理解热力学第一定律的实质，熟练掌握热力学第一定律及其表达式。能够正确、灵

活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。

2.2 掌握能量、储存能、热力学能、总能的概念。

2.3 掌握体积变化功、推动功、轴功和技术功的要领及计算式。

2.4 注意焓的引出及其定义式。

四、主要外语词汇：

enthalpy, first law of thermodynamics,

五、本章节采用多媒体课件

六、复习思考题及作业：

思考题：

1、热力学第一定律的实质是什么？

2、闭口系热力学第一定律的两个数学表达式q du w δδ=+和t q dh w δδ=+的适用范围有何不同？

3、工质进行膨胀时是否必须对工质加热？工质吸热后热力学能是否一定增加？对工质加热其温度反而降低是否有可能？

4、膨胀功、推动功、轴功和技术功四者之间有何联系和区别？

5、为什么推动功出现在开口系能量方程式中，而不出现在闭口系能量方程式中？

6、什么是焓？它的物理意义是什么？为什么说它是工质的状态参数？

7、如图中过程1-2与过程1-a-2，有相同的初态和终态，试比较两过程的功谁大谁小？热量谁大谁小？热力学能的变化量谁大谁小？

8、如图所示一内壁绝热的容器，中间用隔板分为两部分，A 中存有高压空气，B 中保持高度真空。如果将隔板抽出，容器中空气的热力学能如何变化？为什么？

作业：

2－3，2－5,2－6,2－8,2－9,2－11，2－12

第二章热力学第一定律

热力学第一定律是热力学的基本定律之一，它给出了系统与外界相互作用过程中，系统能量变化与其它形式能量之间的数量关系。根据这条定律建立起来的能量方程，是对热力学系统进行能量分析和计算的基础，通过本章应着重培养以下能力：①正确识别各种不同形式能量的能力；②根据实际问题建立具体能量方程的能力；③应用基本概念及能量方程进行分析的能力。

§2－1 热力学第一定律的实质

热力学第一定律是能量转换与守恒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应用。

能量转换及守恒定律是19世纪自然科学的三大发现（另两个发现是细胞学说和进化论）之一，是自然界中的一条重要的基本规律。它指出：“自然界一切物质都具有能量，能量既不能被创造，也不能被消灭，而只能从一种形式转换为另一种形式，在转换中，能量的总量恒定不变。”

而早在热力学第一定律建立之前，人们已经认识了能量守恒原理。例如，在力学中人们认识了功量、动能、重力位能及弹性势能等机械能，相应地建立了保守力场中的功能原理，后来扩展到包括非保守力场在内的各种功量下的功能原理；在流体力学中人们认识了压力势能，出现了伯努力方程；在电磁学中人们认识了电能及磁能，相应地建立了电磁守恒原理，等等。人们在认识各种个别的、特殊的能量形式的基础上，通过对大量的能量转换的物理现象的观察和总结，逐步认识了能量守恒原理，即“能量既不能被创造，也不能被消灭，而只能从一种形式转换为另一种形式，在转换过程中能量总量保持不变。”

热力学第一定律的建立过程之前的这些守恒原理都没有涉及热能，而热能与所有能量形式都有联系，热现象不是个独立的现象，其它形式的能量都能最终地转换成热能。热力学第一定律的建立过程，实质上就是人们正确认识温度、热量及内能的过程。热力学第一定律可表述为：“热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们间的比值是一定的。”那种企图不消耗能量而获取机械动力的“第一类永动机”都不可避免地归于失败，因而热力学第一定律也常表述为“第一类永动机是不可能制成

的”。

§2－2 热力学能和总能

1、热力学能

能量是物质运动的量度，运动有各种不同形式，相应的应有各种不同的能量，系统储存的能量称为储存能，它有内部储存能和外部储存能。而储存在系统内部的能量叫做内能，它与系统内工质粒子的运动和粒子空间位置有关，是下列各种能量的总和： ①分子热运动形成的内动能，它是温度的函数；

②分子间相互作用形成的内位能，它是比体积的函数；

③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。

在无化学变化及原子核反应的过程中，第③项就可以不考虑，因此热力学能的变化只是内动能及内位能的变化。

热力学能用符号U 表示，我国法定的热力学能计量单位是焦耳（J ），Kg 1物质的热力学能称为比热力学能，用符号u 表示，单位Kg J /。

热力学能是工质内部储存能，在一定的热力学状态下，分子有一定的均方根速度和平均速度，应有一定的热力学能，而与达到这一状态的路径无关，因而热力学能是状态函数，可表示为两独立状态参数的函数，为：

),(v p u u = ),(T p u u = ),(T v u u =

热力学能具有以下特点：

①热力学能是一状态参数，具有状态的所有通性。热力学能是一广延量，具有可加性，

而比热力学能u （m

U ）是一强度量，du 沿一封闭曲线积分为零（系统经历一个循环后其热力学能变化为零），U 只与状态有关，比热力学能是平衡态的单值函数，不同平衡状态可以有相同数值的比热力学能，而不同的比热力学能一定代表不同的平衡状态。 ②热力学能是个不可测量的状态参数，其绝对值是无法确定的。

③只有借助外因都能使系统热力学能发生变化。

④系统的热力学能变化是可以计算的。（Δu 是可以计算的）

**而比热力学能状态相等，其所处状态是同一热力状态，这种说法是错误的。

在热力学中主要是研究各种热力过程，因此我们感兴趣的是系统状态变化过程中热力学能的变化，而不是某一状态下的热力学能的值，可利用热力学函数关系，根据可测参数（T v p ,,）的变化情况来计算系统热力学能的变化。

2、外部储存能

工质除了由于本身的一些粒子微观运动等引起的热力学能外，由于外界作用等引起的宏观运动的动能及重力位能等统称外部储存能。若工质质量为m ，速度为f c ，在