工程热力学课件第二章
《工程热力学》教学课件——第2章
3
●热力学第三定律（即能斯特热定理） 不可能用有限个手段和程序使一个物体 冷却到绝对温度零度。 有效地解决了热力系统中平衡常数计算 问题和许多热动力工业生产难题。
4
第二章 热力学第一定律
First law of thermodynamics
不花费能量就可以产生功的第一类永动机是 不可能制造成功的。
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2–2 热力学能和总能
一、热力学能：微观粒子热运动能量总和
Uch－化学能
U
Unu－原子核能 平移动能
Uth
Uk
转动动能 振动动能
f1 T
U U (T, v)
Up— 内位能 f 2 T , v
在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能和原子 核能都不变化，可以不考虑，热力学能的变化只是内位能 和内动能的变化。
δq dh δwt
对于开口系统的稳定流动过程，系统内各点的状 态都不随时间而变化，所以可以将质量为 m 的工质 作为闭口系统来研究。
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可以假定质量为m的工质从进口截面处的状态1变 化到出口截面处的状态2，从外界吸收了热量Q,作了 膨胀功W 。
根据闭口系统的热力学第一定律表达式
对比式：
可得
膨胀功 技术功
注意：
（1）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数； （2）对于流动工质，推动功等于pv，比焓表示单位质量工质沿流动 方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分 ； （3）对于不流动工质，不存在推动功，比焓也不表示能量，仅是状 态参数。 （4）工程上一般只需要计算工质经历某一过程后焓的变化量，而不是 其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定。
第二章——工程热力学课件PPT
100 U1A2 60 Q2B1 U 2B1 40
Q2B1 80
第二章 讨论课
2、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。
Q E W
第二章 讨论课
空
Q
调
Q W
T
第二章 讨论课
➢ 计算题
1、对某种理想气体加热100KJ，使其由状 态1沿途径A可逆变化到状态2，同时对外做 功60KJ。若外界对该气体做功40KJ，迫使 它沿途径B可逆返回状态1。问返回过程中该 气体是吸热还是放热？热量是多少？
Q1A2 U1A2 W1A2 Q2B1 U 2B1 W2B1
V
1b 2
2c1
状态参数 ( Q W ) ( Q W )
1a 2
1b 2
热力学能及闭口系热一律表达式
定义 dU = Q - W 热力学能U 状态函数
Q = dU + W Q=U+W
闭口系热一律表达式
！！！两种特例 绝功系 Q = dU 绝热系 W = - dU
热力学能U 的物理意义
不可能制成的”
§2-2 热一律的推论热力学能
热力学能的导出 闭口系循环
Q W
( Q W ) 0
热力学能的导出
( Q W ) 0 对于循环1a2c1
p1
( Q W ) ( Q W ) 0
b
1a 2
2c1
a
c
对于循环1b2c1
2
( Q W ) ( Q W ) 0
• u : 比参数 [kJ/kg] • 热力学能总以变化量出现，热力学能零点人 为定
工程热力学 第二章 图文
思考
宏观动能和内动能的区别？
§2-3 热力学第一定律导出
热力学第一定律基本表达式
加入系统的能量总和—热力系统输出的能量总和 = 热力系总储存能的增量
加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和
= 热力系总储存能的增量
δW
δ mi ei
E
δm jej
E+dE
δQ
d
如果是闭口系，如何简化？
闭口系统的热一律基本表达式
来源：
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世 纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
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。
能量转换与守恒定律
认识个别、特殊能量 机械能、电能、磁能等有序能的守恒 热现象不是一个独立的现象，
其它形式的能量都最终转化为热能
热力学第一定律的本质
本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用
18世纪初，工业革命，热效率只有1% 1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有
引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性
系统的能量
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
§2-2 热力学能（内能）
Internal energy
定义
系统内部各种形式能量的总和称为系 统的热力学能，简称为内能 U。单位质量 的热力学能称为比内能 u。
闭口系， δmi 0 δm j 0 忽略宏观动能Uk和位能Up， E U
工程热力学第二章气体的热力性质..
u cv ( )v ( ) v dT T
q
h cp ( ) p ( ) p dT T
q
• 定容比热：在定容情况下，单位物量的物体， 温度变化1K（1℃）所吸收或放出的热量，称 为该物体的定容比热。 • 定压比热：在定压情况下，单位物量的物体， 温度变化1K（1℃）所吸收或放出的热量，称 为该物体的定压比热。
第二章 气体的热力性质
●理想气体与实际气体 ●理想气体比热容 ●混合气体的性质 ●实际气体状态方程 ●对比态定律与压缩因子图
本章基本要求
1 掌握理想气体状态方程的各种表述形式，
并应用理想气体状态方程及理想气体定值 比热进行各种热力计算
2掌握理想气体平均比热的概念和计算方法
3理解混合气体性质
4掌握混合气体分压力、分容积的概念
ni R0 R0 nR0 R i 0 M m m
n
mi
i 1
n
R0 Mi
m
gi Ri
i 1
n
２ 、若已知各组成气体的容积成分及气体常数．
R R0 R0 M r1M1 r2 M 2 rn M n 1 r1 r2 R1 R2 rn Rn 1 ri i 1 Ri
t1 t2
c c2
2 A 1
q c t (t2 t1 )
1
t2
c=f (t)
q ct 1 (t2 t1 )
t2
ct
t1
t2
1
B
c1
D
0
q cdt cdt cdt
t1 0
t2
t2
q
F E
q D2E 0D D1F 0D
工程热力学第二章lm——工程热力学课件PPT
h是状态量，设 h f (T , p)
dh
( h T
)p
dT
h (p )T
dp
q
( h T
)p
dT
h [(p )T
v]dp
定压 dp=0
cp
( q
dT
)p
( h T
)p
定压比热与定容比热的关系
定容过程： qv cvdT 定压过程： qp cpdT
qp qv [ pdv]p d ( pv) p
V=1m3的容器有N2，温度为20 ℃ ，压力表读数 1000mmHg，pb=1atm，求N2质量。
m
pVM
(1000 1) 1.013105 1.0 28
760
2.658kg
RmT
8.31431000 293.15
状态方程的应用
求平衡状态下的参数
n kmol : pV nRmT
m kg : pV mRT
cpdT cvdT RdT cp cv R
cp cv 0R
cp,m cv,m MR Rm
比热比k：定压比热与定 容比热的比值。
k cp cp cp,m cv cv cv,m
cv
R k 1
kR cp k 1
定值比热，真实比热和平均比热
定值比热：根据分子运动论得出各理想气体的摩尔比 热均相等，称为定值比热。
阿伏伽德罗定律：相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔 容积Vm相同
在标准状况下
p0 1.01325 105 Pa T0 273.15K
Vm0 22.414 m3 kmol
代入理想气体状态 方程，可求得：
Rm 8.3143 [ kJ kmol K]
工程热力学多媒体课建2章13923张.ppt
热能工程教研室
图2-2 推动功
二、推动功和流动功
1、推动功(flow work; flow energy)
p
p1
1
o
v1
v
推动功：
工质在开口系统中流动而传递的功叫推动功。 pAH pv
热能工程教研室
对推动功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推动功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
在 只有单股流体进出时：
q m1 = q m2 = q m
热能工程教研室
min
u1
2
in
ci2n
gzin
Q
Wi
mout
uout 1
2
c2 out
gzout
稳定流动能量方程
q m1 = q m2 = q m
将以上条件代入式（2-20），并用qm 除式（2-20），有
q
h
1 2
c2
f
gz
wsi
（2-21）
——因而统计系统的总能时，不考虑系统整体的外观能量，但要计算 流体的流动动能，重力位能以及热力学能。
假定系统除与外界有物质流交换，在没有质量流穿越的边界
上，还可以有传热和作功的相互作用。
假定进口、出口截面上存在局部平衡条件。
假定流动为一元流动
——仅在沿流动的方向上才有参数的变化。
热能工程教研室
一、开口系的能量方程
q u w w ( pv) wt
c2/2
wi
做功的根源w
wt g△z △(pv) wi
热能工程教研室
【例2-2】
已知新蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3232kJ/kg，流速 cf1=50m/s，乏汽流出汽轮机时的焓h2=2302kJ/kg，流速 cf2=120m/s。忽略热损失和位能差。若蒸汽流量q m 为 10 t/h，试求：
工程热力学(高教社第四版)第2章课件
第二章 热力学第一定律2-1 热力学第一定律的实质实质：能量守恒及转换定律在热现象中的应用能量守恒和转换定律—能量是可以相互转 换的，且转换前后的总量保持不变。
热力学第一定律—热能与机械能是可以相 互转换的，且转换前后的总量保持不变。
焦耳实验1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T ↑ 2、绝热去掉，气 体 T ↓，放出 热给水，T 恢复 原温。
焦耳实验水温升高可测得热量， 重物下降可测得功 热功当量 1 cal = 4.1868 J热力学第一定律热可以变为功，功也可以变为 热，一定量的热消失时，必产生与之 数量相当的功；消耗一定量的功时必 出现与之对应的一定量的热。
闭口系循环的热一律表达式系统经历一个热力循环后，它所接受的 净热量转换为对外所作的净功。
即：δQ = ∫ δW ∫要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”关于永动机问题的思考 各种永动机问题长期困扰着科技界与社会 第一类永动机—不消耗能量而能对外连续作功的 机器。
第二类永动机—从单一热源取热，并将其全部转 变机械功的机器（或：热效率等于100%的机器）[有 关问题在第五章中将详细讨论]。
长期以来一直有人在追求、研究各种形式的永动 机，无一有所收获。
希望同学们树立正确的思想方法，不要误入歧途。
大气机压气机 从大气中取气压力容器pw取回部分功量 驱动压气机某人的永动机构思？？机水分解装置 H2 w 氢气发动机水取回部分功量驱动水分 解装置2-2 热力学能（内能）和总能一、热力学能(internal energy) UUch Unu Uth 平移动能 旋转动能 振动动能UkEf1(T)U=U(T,v)UpE f2(T，v) — 二、总(储存)能(total stored energy of system)热力学能，内部储存能E=U+EK+Ep总能宏观动能 宏观位能 外部储存能e=u+ek+ep热力学能的性质分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）核能化学能•U :•u :√√系统总能宏观动能Ek= mc2/2宏观位能Ep = mgz机械能E U E k E p e u e k e p2-3 能量的传递和转化作功，传热能量转换的热力学过程单纯机械能过程热一律的文字表达式热一律:进入能量离开能量内部储存能量变化热力学能U 的物理意义δWδQd U 微热量微功量系统内部能量定义d U δQ δW热力学能U 状态函数δQ =d U +δW Q =∆U +W闭口系2-5 闭口系能量方程δWδQδQ= d U+δWQ= ∆U+Wδq=d u+δw单位工质q=∆u+w）任何工质2) 任何过程准平衡和可逆闭口系能量方程准平衡过程δw p d vδq=d u+p d vq∆u p d v可逆过程T d s= d u+ p d vT d s∆u p d v门窗紧闭房间用电冰箱降温系统Q U W=∆+Q=0 U W∆=−>0W<电冰箱门窗紧闭房间用空调降温系统闭口系Q U W=∆+Q<U Q W ∆=−0W<空调Q W>开口系统能量方程式δW i δQδm δm out u in u out gz ingz out212in c 212o u t c 能量守恒原则进入能量离开能量储存能量变化推动功的引入iδm out12c2o u tinδm out u c2/2gzδW i d E cv推动功的表达式推动功推动工质流入、流出pAp V△lv v W 推p △l pV对推动功的说明1、流动2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w＝pv状态量推4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：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时所携带和所传递的一种能量开口系能量方程的推导δW iδQpv inδm out u inu out gz ingz out 212in c 212o u tc δQ δm in (u +c 2/2+gz )in δm out (u +c 2/2+ gz )-δW i =d E cvδm inpv out开口系能量方程微分式δQ δm in u pv c 2/2gz δW iδm out u pv c 2/2gz d E cv工程上常用流率热流率质流率内部功率τδd Q=Φτδd m q outm =τδd W P ii =iin m in outm out cvP q gz cpv u q gz c pv u d dE ++++−++++=Φ,2,2)2()2(τ∑∑+++−+++++=Φiinm in jout m out icvq gz c pv u q gz c pv u P d dE ,2,2)2()2(τ开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在∑∑+++−+++++=Φiinm in jout m out icvq gz c pv u q gz c pv u P d dE,2,2)2()2(τ焓的引入定义：焓h u pvh h 开口系能量方程焓（Enthalpy)定义：h u pv（比焓）H U pV[ kJ ]1、焓2、H H U pV m u pv= m hh3、焓热力学能推动功焓能量4、流动而携带能量稳定流动能量方程Steady State Steady Flow(SSSF)稳定流动条件δW i δQδm in δm out u inu outgz ingz out212in c 212o u t c 1、2、3、4、m out m in m q q q ==,,Const =ΦConstP i =0/,=τd dE V C∑∑++−++++=Φiinm in joutm out i cv q gz ch q gz c h P d dE ,2,2)2()2(τm q m q 0iw z g c h q +∆+∆+∆=221上式除以q m mq稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程iw z g c h q +∆+∆+∆=221iwz g ch q +∆+∆+∆=221if w z mg c m H Q +∆+∆+∆=221技术功动能内部功机械能位能tW tw tQ m h W =∆+tq h w =∆+单位质量工质的开口与闭口w iqtq h w =∆+q u w=∆+体积变化功等价技术功uq w ∆−=iwz g ch q +∆+∆+∆=221ti w w z g c pv w =+∆+∆=∆−221)(则)(1122v p v p w w t −−=vdpw t −=δ稳定流动能量方程式tq h w =∆+tw dh q δδ+=tW dH Q δδ+=∫−∆=21vdph q vdpdh q −=δ∫−∆=21VdpH Q VdpdH Q −=δ微元过程若过程可逆稳流开口与闭口的能量方程tq h w =∆+w w t q u w=∆+w i pv对功的小结2、内部功w i3、1、体积变化功ww i w tw w t△(pv)△c2/2g△z做功的根源w i例1：动力机械（动力机）火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 蒸汽轮机燃气轮机动力机械(动力机）q = ∆h + wi1) 体积不大 2）流量大 3）保温层q≈0输出的轴功是靠焓降转变的wi = -△h = wt = h1 - h2>0例2：压缩机械（压气机）火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 制冷 空调 水泵压气机压缩机压缩机械（压气机）q = ∆h + wi1) 体积不大 2）流量大输入的轴功转变为焓升wi = -△h+q = -wt h1 - h2<0例3：换热设备（换热器）火力发电： 锅炉、凝汽器 核电： 制冷 空调 热交换器、凝汽器 蒸发器、冷凝器换热设备（换热器）h1热流体 冷流体h2q = ∆h + wi没有作功部件wi = 0h1’ h2’ q = ∆ h = h2 − h1焓变热流体放热量： q = ∆ h = h2 − h1 < 0 冷流体吸热量： q = ∆ h = h − h > 0' ' 2 ' 1例4：绝热节流管道阀门 制冷 空调 膨胀阀、毛细管绝热节流h1 h2q = ∆h + wi没有作功部件 wi = 0 绝热 q = 0 ∆h = 0 h1 = h2例5：喷管和扩压管火力发电 核电 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 蒸汽轮机静叶压气机静叶喷管和扩压管喷管目的： 压力降低，速度提高 扩压管目的： 速度降低，压力升高1 q = ∆h + ∆c 22+ g∆z + wi动能参与转换，不能忽略 喷管wi = 0q = 0 g ∆z = 0扩压管1 2 ∆c = −∆h 2 动能与焓变相互转换。
工程热力学第二章课件
要二者相等，函数fAC、fBC须取以下形式：
fAC= ( XC ) A ( X A,YA ) ( XC )
(2-7)
fBC= ( X C ) B ( X B ,YB ) ( X C )
将式（2-7）与（2-8）代入式（2-6），得
(2-8)
A( X A,YA ) B ( X B ,YB )
2. 温度测量－－温度计与温标
我们已得到了热力学第零定律的一个重要推论——状态参数温度存在。
现将温度这一性质定量化。若要判断两个系统温度是否相等，根据 热力学第零定律，可用第三个系统分别与它们接触，如果都是处于热平 衡的，即没有热的相互作用，则这两个系统也处于热平衡，它们的温度 相等。如果第三个系统和其中一个热平衡而和另一个有热的相互作用， 则这两系统温度不等。对于一般第三个系统和它们可能均达不成热平衡 的情况，我们进一步推想，若选的第三个系统的热容相对很小，它与其 它系统接触时，即使有热的相互作用，对它们的状态也几乎没有影响， 而自己的状态却有明显的改变，那么当其与第一个系统达成热平衡处于 某一状态后，若与第二个系统达不成热平衡，状态继续变化，则这两系 统温度不等。这里比较两个系统的温度，它们无须接触，第三个系统状 态参数的变化可指示温度的异同。因此，我们得到了热力学第零定律的 另一个重要推论－－温度计存在。
二是选定一种温度的数值表示法——温标。它又包括两部分：基准点和分度
方法。我们最常见的是摄氏温标（℃）。它将标准大气压下纯水的冰点和汽点分
（2-11）
上述证明很易推广到任意多个系统处于热平衡且每个系统有任意独立
变量个数的情况。
这一结果表明：任何系统均有一个状态函数存在，它对于所有相互处于 热平衡的系统数值相同。我们将这个状态函数定义为温度，作为判断 一个系统与其它系统是否处于热平衡的宏观性质。一切处于热平衡的 系统，其温度均相等。
工程热力学课件
§ 2—7 能量方程式的应用
一、动力机 工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低， 工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降低， 对机器作功；进出口速度相差不多，动能改变很小， 对机器作功；进出口速度相差不多，动能改变很小，可忽 对外界略有散热， 为负的 数量很小，可不计。 为负的， 略；对外界略有散热，q为负的，数量很小，可不计。
准静态和可逆闭口系能量方程
简单可压缩系准静态过程 简单可压缩系准静态过程 δw = pdv δq = du + pdv 热一律解析式之一 q = ∆ u + ∫ pdv 简单可压缩系可逆过程 简单可压缩系可逆过程 δ q = Tds Tds = du + pdv 热力学恒等式 ∫ Tds = ∆ u + ∫ pdv
2-16~2-17为不同形式的稳定能量方程式，对有无扰 为不同形式的稳定能量方程式， 为不同形式的稳定能量方程式 动和摩擦均能用。 动和摩擦均能用。
三、稳定流动能量方程式的分析
1 2 q − ∆u = ∆c f + g∆z + ∆( pv) + wi 2
工质对机 器作功
技术功w 技术功 t wt = wi + 1 (c 2 2 − c 2 1 ) + g ( z 2 − z1 ) f f 2 q − ∆u = w
1 2 q = ∆h + ∆c f + g∆z + wi 2
1kg工质对机器所作的功 工质对机器所作的功
工程热力学课件第2章
相对误差=
煤气表上读得煤气消耗量是68.37m3，使用 例 煤气表上读得煤气消耗量是 期间煤气表的平均表压力是44mmH2O，平均温 期间煤气表的平均表压力是 ， 度为17℃ 大气平均压力为751.4mmHg，求： 度为 ℃，大气平均压力为 ， 消耗多少标准 的煤气。 消耗多少标准m3的煤气。 标准
4、实际气体 、
如果气体的状态处于很高的压力或很低的温度， 如果气体的状态处于很高的压力或很低的温度， 很高的压力 气体有很高的密度， 气体有很高的密度，以致分子本身的体积及分 子间的相互作用力不能忽略不计时， 子间的相互作用力不能忽略不计时，就不能当 作理想气体看待了，这样的气体称为实际气体。 作理想气体看待了，这样的气体称为实际气体。 实际气体 实际气体不能用简单的式子描述， 实际气体不能用简单的式子描述，是真实的工 不能用简单的式子描述 如火力发电的水和水蒸气、 质。如火力发电的水和水蒸气、制冷空调中制 冷工质等。 冷工质等。
夏天， ， 夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶 答：夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶 夏天 为何容易引起轮胎爆破？ 时，为何容易引起轮胎爆破？ 轮胎内的气体（空气）被加热，温度升高， 时，轮胎内的气体（空气）被加热，温度升高， 而轮胎的体积几乎不变， 而轮胎的体积几乎不变，所以气体容积保持不 轮胎内气体的质量为定值， 变，轮胎内气体的质量为定值，其可视为理想 气体， 可知， 气体，根据理想气体状态方程式 可知， pV = mRT 轮胎内气体的压力升高， 轮胎内气体的压力升高，即气体作用在轮胎上 的力增加，故轮胎就容易爆破。 的力增加，故轮胎就容易爆破。
Mc c' = = cρ0 22.4
二、定容比热容和定压比热容
一定量的物质在吸收或放出热量时， 一定量的物质在吸收或放出热量时，其温度 变化的大小取决于工质的性质、 变化的大小取决于工质的性质、数量和所经 历的过程。 历的过程。 经验表明，同一种气体在不同条件下，如在 经验表明，同一种气体在不同条件下， 保存容积不变 压力不变的条件下加热 容积不变或 的条件下加热， 保存容积不变或压力不变的条件下加热，同 样温度升高1K所需的热量是不同的 所需的热量是不同 样温度升高 所需的热量是不同的。
工程热力学课件 2
Change in
= the total energy of the system
闭口系循环的热一律表达式
Q W
要想得到功，必须花费热能或其它能量 热一律又可表述为“第一类永动机是
不可能制成的” Perpetual –motion machine of the first kind
§2－2 热力学能和总能
化学能 chemical energy
核能 nuclear energy
热力学能/内能：
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：
2
U 1 dU U2 U1 dU 0
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：Ek
1 2
mc
2 f
重力位能：Ep mgz
机械能
三、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：
E
U
1 2
mc2f
mgz
1kg工质的总能为比总能：
e
u
1 2
c
2 f
gz
内能U 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。
➢ 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。
第2章 热力学第一定律(中文课件)
工程热力学与传热学
工程热力学 第二章 热力学第一定律
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第二章 热力学第一定律
内容要求:
掌握热力学能，储存能的含义 深刻理解热力学第一定律的实质 掌握热力学第一定律在闭口系统，开口系统中
能量方程式的形式 掌握体积变化功，流动功，技术功的含义及相
可忽略
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 对热力学能的几点说明
（1）热力学能的单位和符号：单位：焦耳 J，符号 U。 （2）比热力学能：单位质量物质的热力学能。 u, J / kg。
（3）热力学能是状态参数，是工质温度和比体积的函数。
u f (T , v), or u f (T , p),
2
u 1 du u2 u1 du 0
表述2：不花费能量就可以产生功的第一类永动机
（Perpetual motion machine of the first kind）
是永远不可能制造出来的。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-2-2 方程表达式
对于任意热力系统（开口，闭口），热力过程：
- 进入系统 的能量
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
功量，热量， 工质的储存能
热力学能，宏观动能， 宏观位能的变化。
热力学第一定律是人类在实践中积累的 经验的总结，不能用数学或其他理论证明。
思考题
郭煜《工程热力学与传热学 》
分析下面的说法是否正确
1. 自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守恒定律。 2. 遵守能量守恒与转换定律的一切过程都可以自发进行。 3. 热力学第一定律可用于任意系统，任意工质，任意过程。
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热力学能，内部储存能
E U Ek Ep
总能 宏观动能 宏观位能 外部储存能 宏观动能与内动能的区别
e u ek ep
6
二、热力学能 (internal energy)
Disorganized form of energy ( Sensible Heat, Related to T)
1）改写式（B）：从控制质量角度来理解
1 2 q (u2 u1 ) ( p2v2 p1v1 ) cf 2 cf21 g z2 z1 ws 2
1 2 q u ws p2v2 p1v1 cf 2 cf21 g z2 z1 （C） 2
2–4 开口系能量方程
一、推动功和流动功
p
p1
.1
v1
o
v
活塞和大气被移动，作功
？
作功主体
外部功源
推动功：系统引进或排除工质传递的功量。
W pAH w pv
单位质量
推动功是伴随着工质的“流动”的，否则没有意义
流动功：系统维持流动 所花费的代价。
p2v2 p1v1 ( [ pv])
4
第2次课程教学内容
焓及推动功、流动功、轴功、技术功； 稳定流动及稳定流动的能量方程。
本次课程学习目标
区分推动功、流动功、轴功、技术功，指出物理意义及在压容 图上表示它们； 说明焓的定义和物理意义； 指出稳态稳流系统参数的特征； 写出常用设备稳定流动工况的能量方程，并求解。 5
2–1 热力学能（内能）和总能
1 2 u2 cf 2 gz2 p2 v2 2
内增： 0
1 2 p u cf gz 0 2
如果考虑摩擦损失的功 耗的话，是否仍然成立 ？
对于液态水，考虑到不计温度变化，密度几乎不变，则
3. 热力学能单位 4. 工程中关心
J kJ
U
2–2 热力学第一定律
一、第一定律的表述
热能是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能 时，他们之间的变化值（“量”）是一定的。 或 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失 时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与
之相应量的热。
二、第一定律的实质
或
Wtot Q E e δ m e δ m j j i i 1
2
dE Ptot Σ e q Σ e q j mj i mi d
2–3 闭口系基本能量方程式
Wtot Q E e δ m e δ m j j i i 1
1 1 qm1 h2 cf22 gz2 qm2 h4 cf24 gz4 2 2
若忽略动能差、位能差
h4 h3
qm1 qm2
h1 h2
4. 管内流动
流入： 流出：
1 2 u1 cf 1 gz1 p1v1 2
流动功在p - v图上：
.
1
流动功和过程无关
.
2
和过程是否可逆无关
二、焓 (enthalpy)
定义：H = U + pV h = u + pv
单位：J（kJ）
焓是状态参数。
J/kg（kJ/kg）
物理意义：
引进或排出工质而输入或排出系统的总能量。
三、稳定流动能量方程 (steady-flow energy equation)
1. 热力学能的组成
uch
u
unu uth
Uk
平移动能 转动动能 振动动能
f1 T
up
f 2 T , v
u u (T , v)
2. 热力学能的组成是状态参数
dU 0
p U U dU dT dV cV dT T p dV T V V T T V
1 2 – 单位时间流出系统的能量: Ps qm 2 u2 p2 v2 cf2 gz2 2
= 系统内部储能增量: ΔECV 稳流特征： ΔECV = 0 qm1 = qm2 = qm; 及 h = u + pv
2 2 cf2 cf1 qQ qm h2 h1 qm qm g z2 z1 PS 2 2 1 2 q h2 h1 cf2 cf21 g z2 z1 ws 2
第二章
热力学第一定律
First law of thermodynamics
本章学习目标
能描述热力学第一定律，并指出其实质； 列举物质热力学能和总能的组成，说明焓的定义和物理意义， 指出微观动能和宏观动能的本质差异； 利用热力学第一定律的基本能量方程式讨论和计算闭口系
能量（热力学能、功、热）转换。
区分推动功、流动功、轴功、技术功，指出物理意义及在压容 图上表示它们； 能写出常用设备稳定流动工况的能量方程，并求解。
3. 换热器（锅炉、加热器等） (heat exchanger: boiler、heater etc.)
26
直接混合的换热 器，如何建立能 量守恒方程？
流入： 流出： 内增： 0
1 2 1 2 qm1 h1 cf 1 gz1 qm2 h3 cf 3 gz3 2 2
1 2 q h2 h1 cf 2 cf21 g z2 z1 ws 2
( B)
2 1
q h wt δq dh δwt
可逆
q h vdp δq dh vdp
4）两个解析式的关系 可逆
δq dh vdp d u pv vdp du pdv
能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
三、 热力学第一定律基本表达式
加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和 =
热力系总储存能的增量
δWtot
δmi ei
δQ
加入： δQ
E
δm j e j
E&# δmi ei (δWtot δm j e j ) dE
δQ dU pdV
2）循环
δQ dU δW Q
net
Wnet
3）对于定量工质吸热与升温关系，
还取决于W 的“+”、“–”、数值大小。
例 自由膨胀
如图， 抽去隔板，
刚性绝热
U
?
解
取全部气体为热力系
闭口系 ？开口系？
Q U W
Q0
W 0
?
U 0 U1 U 2
A p1 T1 p2 T2 B 真空
功是通过边界传递的能量 例A4302661
例A4303771
归纳热力学解题规律 1）取好热力系; 2）计算初、终态; 3）两种解题思路 从已知条件逐步推向目标 从目标反过来缺什么补什么 4）不可逆过程的功可尝试从外部参数着手。
习题: 2-1、2-2、2-3、2-7
h1 h2 ws wt
24
2. 压气机(compressor) ，水泵类 (pump)
流入
c h1 , gz1 , ws 2
2 f1
流出
cf22 h2 , gz2 , q 2
内部储能增量
0
25
wC wt h2 h1 q
wt w p1v1 p2v2
.
1
δwt δw d pv
可逆过程
.
δwt pdv d pv vdp
wt vdp
1 2
.
2
可逆过程技术功可用过程线与 p 轴包围的面积表示
3) 第一定律第二解析式
1 2 wt ws cf g z 2
▲ 局部平衡概念
▲ 稳定流动特征：
1）各截面上参数不随时间变化。 2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0ּ· · · 注意：区分各截面间参数可不同。
▲ 稳定流动能量方程 单位时间流入系统的能量:
2 cf1 qQ qm1 u1 p1v1 gz1 2
2
本章教学内容
2-1 热力学能（内能）和总能 2–2 热力学第一定律
2–4 闭口系基本能量方程式
2–5 开口系能量方程
教学参考资料：工程热力学第4版第2章 pp.36~60。
第1次课程教学内容
热力学第一定律
物体热力学能和总能
利用热力学第一定律的基本能量方程式。
本次课程学习目标
描述热力学第一定律并指出其实质； 列举物质热力学能和总能的组成，指出微观动能和宏观动能 的本质差异； 利用热力学第一定律的基本能量方程式讨论和计算闭口系 能量（热力学能、功、热）转换。
2
简单可压缩系 闭口系，
δmi 0
δm j 0
E U
忽略宏观动能和位能
Q U W q u w
第一定律第一解析式— 热
δQ dU δW δq du δw
功的基本表达式
讨论：
Q U W q u w
1）可逆过程
δQ dU δW δq du δw
du δw
总之： ∆ 通过膨胀，由热能
功，w = q –Δu
∆ 第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中 能量方程才用焓。
四、稳定流动能量方程式的应用
1.蒸汽轮机、气轮机 (steam turbine、gas turbine)
流进系统：