第2章 热力学第一定律(中文课件)
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郭煜《工程热力学与传热学 》
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。
例题
郭煜《工程热力学与传热学 》
1. 一个装有２kg工质的闭口系统经历了如下过程：过程中 系统散热25kJ，外界对系统作功100kJ，比热力学能减少 15kJ/kg，而且整个系统被举高1000m。试确定过程中系 统动能的变化。
例题
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态1 到状态2， 气体吸热500kJ，活塞对外做功800kJ。从状态2到状态3 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 450kJ。并且已知U1=2000kJ，U3=3500kJ。 试计算2-3过程中气体体积的变化。
等量空气从相同的初态出发，分别经过可逆绝热过程A 和不可逆绝热过程B到达相同的终态，分析空气的热力学能 变化ΔUA, ΔUB的关系。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-2 热力学第一定律的实质
（The first law of thermodynamics)
2-2-1 热力学第一定律的几种表述形式
表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中， 能的总量始终不变。
or u f ( p, v)
（4） 热力学能的大小是相对的。
思考
可否找到这样一个状态点： 物质内部的一切运动都停止，热力学能为绝对零值？
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-1-2 宏观动能和宏观位能
1. 宏观动能（Kinetic energy）
由于宏观运动速度而具有的动能，用 EK 表示。
2. 宏观位能（Potential energy）
（1）内动能 物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热运动的
热运动动能。 是温度的函数。
郭煜《工程热力学与传热学 》
（2）内位能 由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，
与气体的比体积有关。 （3）化学能，原子核能，电磁能。
热力学能
内动能 + 内位能能 + 内位能
q: 微元热量 w: 微元功量 d u: 热力学能的微元变化量
Q=dU+W q=du+w
Q = U + 12 p d V q = u + 12 p d v
Q=dU+pdV q=du+pdv
2
W 1 pdV
2
w 1 pdv
（5）循环
Q W
Q net = w net
思考题
郭煜《工程热力学与传热学 》
- 进入系统 的能量
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
郭煜《工程热力学与传热学 》
推导： Q – W = U
Q = W + U = W + U2 - U1
—— 闭口系统能量方程式（热一解析式）
2-3-2 几点说明
W
（1）意义：加给工质的热量
Q
a: 一部分用于增加工质的热力学能。
u
b: 另一部分以作功的方式传递到外界。
互关系 掌握焓的含义
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-1 热力系统的储存能
热力系统的储存能： 储存于热力系统的能量。
（1）内部储存能 —— 热力学能 （2）外部储存能 —— 宏观动能，宏观位能
2-1-2 热力学能（Internal energy）
1. 热力学能
组成物质的微观粒子所具有的能量。 热力学能与物质的分子结构及微观运动形式有关。
（2）对于1kg工质 ：q = w + u
（3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程。
b: 理想气体，实际气体。 c: 工质初，终态为平衡状态。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-3-3 几种不同形式的表达式
（1）任意过程 （2）任意微元过程 （3）可逆过程 （4）可逆微元过程
Q=U+W q=u+w
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
2-3-1 闭口系统的能量方程（Energy equation）
热力系统：汽缸活塞系统中的工质
假设：
Q
1
2
工质由平衡态1变化到平衡态2 从外界吸热 Q 对外作功 W 忽略工质宏观动能，位能的变化
W
闭口系统能量守恒
依据：热力学第一定律
q=w+u
分析下面的说法是否正确
1. 系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有温度变化， 故该系统中工质不能与外界交换热量。
2. 封闭热力系内发生可逆定容过程时，系统一定不对外作 容积变化功。
3. 封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。 4. 气体膨胀时一定对外作功。 5. 工质吸热后一定会膨胀。
由于其在重力场中的位置而具有的位能，用 EP 表示。
Ek
1 2
mc
2 f
Ep mgz
2-1-3 总储存能（Stored energy）
总储存能：E= U + EK + EP 比储存能： e = u + e k+ ep
单位 J，KJ。 单位 J/kg，KJ/kg。
思考题
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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。
例题
郭煜《工程热力学与传热学 》
1. 一个装有２kg工质的闭口系统经历了如下过程：过程中 系统散热25kJ，外界对系统作功100kJ，比热力学能减少 15kJ/kg，而且整个系统被举高1000m。试确定过程中系 统动能的变化。
例题
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 一活塞汽缸中的气体经历了两个过程，从状态1 到状态2， 气体吸热500kJ，活塞对外做功800kJ。从状态2到状态3 是一个定压的压缩过程，压力为400kPa，气体向外散热 450kJ。并且已知U1=2000kJ，U3=3500kJ。 试计算2-3过程中气体体积的变化。
等量空气从相同的初态出发，分别经过可逆绝热过程A 和不可逆绝热过程B到达相同的终态，分析空气的热力学能 变化ΔUA, ΔUB的关系。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-2 热力学第一定律的实质
（The first law of thermodynamics)
2-2-1 热力学第一定律的几种表述形式
表述1：在热能和其他形式能的互相转换过程中， 能的总量始终不变。
or u f ( p, v)
（4） 热力学能的大小是相对的。
思考
可否找到这样一个状态点： 物质内部的一切运动都停止，热力学能为绝对零值？
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-1-2 宏观动能和宏观位能
1. 宏观动能（Kinetic energy）
由于宏观运动速度而具有的动能，用 EK 表示。
2. 宏观位能（Potential energy）
（1）内动能 物质内部的分子，原子等微观粒子不停地作热运动的
热运动动能。 是温度的函数。
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（2）内位能 由于分子间相互作用力的存在所具有的位能，
与气体的比体积有关。 （3）化学能，原子核能，电磁能。
热力学能
内动能 + 内位能能 + 内位能
q: 微元热量 w: 微元功量 d u: 热力学能的微元变化量
Q=dU+W q=du+w
Q = U + 12 p d V q = u + 12 p d v
Q=dU+pdV q=du+pdv
2
W 1 pdV
2
w 1 pdv
（5）循环
Q W
Q net = w net
思考题
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- 进入系统 的能量
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
郭煜《工程热力学与传热学 》
推导： Q – W = U
Q = W + U = W + U2 - U1
—— 闭口系统能量方程式（热一解析式）
2-3-2 几点说明
W
（1）意义：加给工质的热量
Q
a: 一部分用于增加工质的热力学能。
u
b: 另一部分以作功的方式传递到外界。
互关系 掌握焓的含义
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-1 热力系统的储存能
热力系统的储存能： 储存于热力系统的能量。
（1）内部储存能 —— 热力学能 （2）外部储存能 —— 宏观动能，宏观位能
2-1-2 热力学能（Internal energy）
1. 热力学能
组成物质的微观粒子所具有的能量。 热力学能与物质的分子结构及微观运动形式有关。
（2）对于1kg工质 ：q = w + u
（3）适用条件：a: 可逆过程，不可逆过程。
b: 理想气体，实际气体。 c: 工质初，终态为平衡状态。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-3-3 几种不同形式的表达式
（1）任意过程 （2）任意微元过程 （3）可逆过程 （4）可逆微元过程
Q=U+W q=u+w
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-3 闭口系统的热力学第一定律表达式
2-3-1 闭口系统的能量方程（Energy equation）
热力系统：汽缸活塞系统中的工质
假设：
Q
1
2
工质由平衡态1变化到平衡态2 从外界吸热 Q 对外作功 W 忽略工质宏观动能，位能的变化
W
闭口系统能量守恒
依据：热力学第一定律
q=w+u
分析下面的说法是否正确
1. 系统中工质经历一个可逆定温过程，由于没有温度变化， 故该系统中工质不能与外界交换热量。
2. 封闭热力系内发生可逆定容过程时，系统一定不对外作 容积变化功。
3. 封闭热力系中，不作膨胀功的过程一定是定容过程。 4. 气体膨胀时一定对外作功。 5. 工质吸热后一定会膨胀。
由于其在重力场中的位置而具有的位能，用 EP 表示。
Ek
1 2
mc
2 f
Ep mgz
2-1-3 总储存能（Stored energy）
总储存能：E= U + EK + EP 比储存能： e = u + e k+ ep
单位 J，KJ。 单位 J/kg，KJ/kg。
思考题
郭煜《工程热力学与传热学 》