工程热力学课件第二章
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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
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
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：
u1 p1v1 h1
流出系统： u2 p2 v2 h2 , ws 内部储能增量： 0
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 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
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
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
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
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
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])
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
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
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。
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)
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
( A)
( B)
cf22 cf21 qQ qm h2 h1 qm qm g z2 z1 PS 2 2 1 2 q h2 h1 cf 2 cf21 g z2 z1 ws 2
讨论：
( A) ( B)
一、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 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)
热能转变 为“功”部分
轴功
流动功
机械能增量
2）技术功 (technical work) — 技术上可资利用的功 wt
代入式（C）
1 2 wt ws cf g z 2
w
1 2 q u ws p2v2 p1v1 cf 2 cf21 g z2 z1 2 q u wt p2v2 p1v1 ( D)
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+dE
i i
d
δQ δmi ei (δWtot δm j e j ) dE
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
▲ 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
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
– translational energy: molecules move around
– rotational energy: individual atoms rotate about the axis forming the molecular bond – vibration energy: individual atoms vibrate about the center of mass of the molecular bond – electronic energy: electrons in an atom or molecule are bound in particular configurations Intermolecular force induced energy ( “Potential Energy”, Latent Heat) Chemical energy: binding energy between atoms that make up the molecules Nuclear energy: binding energy between protons and neutrons, nuclear spin
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）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
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。
输出： δWHale Waihona Puke Baiduot
δm e δm e
j
j
内部储能增量：dE
δWtot
δQ δmi ei (δWtot δm j e j ) dE
E
δmi ei
δQ
δm j e j
E+dE
d
δQ dE e δ m e δ m i i δWtot j j
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
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
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：
u1 p1v1 h1
流出系统： u2 p2 v2 h2 , ws 内部储能增量： 0
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 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
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
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
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
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
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])
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
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
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。
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)
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
( A)
( B)
cf22 cf21 qQ qm h2 h1 qm qm g z2 z1 PS 2 2 1 2 q h2 h1 cf 2 cf21 g z2 z1 ws 2
讨论：
( A) ( B)
一、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 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)
热能转变 为“功”部分
轴功
流动功
机械能增量
2）技术功 (technical work) — 技术上可资利用的功 wt
代入式（C）
1 2 wt ws cf g z 2
w
1 2 q u ws p2v2 p1v1 cf 2 cf21 g z2 z1 2 q u wt p2v2 p1v1 ( D)
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+dE
i i
d
δQ δmi ei (δWtot δm j e j ) dE
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
▲ 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
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
– translational energy: molecules move around
– rotational energy: individual atoms rotate about the axis forming the molecular bond – vibration energy: individual atoms vibrate about the center of mass of the molecular bond – electronic energy: electrons in an atom or molecule are bound in particular configurations Intermolecular force induced energy ( “Potential Energy”, Latent Heat) Chemical energy: binding energy between atoms that make up the molecules Nuclear energy: binding energy between protons and neutrons, nuclear spin
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）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
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。
输出： δWHale Waihona Puke Baiduot
δm e δm e
j
j
内部储能增量：dE
δWtot
δQ δmi ei (δWtot δm j e j ) dE
E
δmi ei
δQ
δm j e j
E+dE
d
δQ dE e δ m e δ m i i δWtot j j