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1、第二章 热力学第一定律Firstlawofthermodynamics1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律n 第一定律的实质：第一定律的实质：F 能量守恒与转换定律在能量守恒与转换定律在热现象热现象中的应用。中的应用。22-1热力系统的储存能热力系统的储存能一、一、热力学能热力学能UUch化学能化学能Unu原子能原子能U UkEkEU UpEpE平移动能平移动能转动动能转动动能振动振动f f1 1(t t)f f2 2(t t,v v)U=UU=U(t t,v v)Uthl UkE 内动能内动能lUpE 内位能内位能3气体工质的比热力学能可表示为气
2、体工质的比热力学能可表示为u比热力学能比热力学能 单位质量工质的热力学能单位质量工质的热力学能。符号符号：u；单位：单位：J/kg或或kJ/kg4二、宏观动能与宏观位能二、宏观动能与宏观位能宏观位能：宏观位能：Ep，单位为单位为 J或或 kJ宏观动能宏观动能：Ek，单位为单位为J或或kJ5E=U+Ek+Ep三、储存（总）能：三、储存（总）能：单位为单位为 J或或 kJ E 储存储存能能U 热力学能热力学能Ek 宏观动能宏观动能Ep 宏观位能宏观位能外部储存外部储存能能 比储存能比储存能：e，单位为单位为 J/kg或或 kJ/kg6F热力学能是状态参数热力学能是状态参数U=U(t,v)u=u(t
3、,v)7四、工程中所关心的是四、工程中所关心的是U 热力学能的基准点可以人为地选定，通常热力学能的基准点可以人为地选定，通常取取0K0K或或00的气体的热力学能为零。的气体的热力学能为零。82-2热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 热力学第一定律实质就是热力过程中的热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律能量守恒和转换定律 ，可表述为，可表述为 ：在在热热能能与与其其它它形形式式能能的的互互相相转转换换过过程程中中，能的总量始终不变。能的总量始终不变。不不花花费费能能量量就就可可以以产产生生功功的的第第一一类类永永动动机机是不可能制造成功的是不可能制造成功的。9u进进入入系系
4、统统的的能能量量离离开开系系统统的的能能量量 =系统储存能量的变化系统储存能量的变化 10闭口系统：闭口系统：进入的能量：进入的能量：热量热量离开的能量：离开的能量：功功增加的能量：增加的能量：UQ QWWUF Q W=U23闭口系统的热力学第一定律表达式闭口系统的热力学第一定律表达式进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量 =系统储存能量的变化系统储存能量的变化系统储存能量的变化系统储存能量的变化 11热力学第一定律基本能量方程式（热力学第一定律基本能量方程式（闭口系统）闭口系统）1.mkg的能量方程式的能量方程式:Q
5、W=U 或或Q=U+W2.1kg的能量方程式的能量方程式:q=u+w3.微元形式的能量方程式微元形式的能量方程式:124.对于可逆过程有对于可逆过程有:所以有所以有:135.对于循环有对于循环有:而而:所以所以:闭口系统完成了一个循环后，在循环中与外界交换闭口系统完成了一个循环后，在循环中与外界交换的净热量等于与外界交换的净功量。的净热量等于与外界交换的净功量。1426开口系统的稳定流动能量方程式开口系统的稳定流动能量方程式一、稳定流动与流动功一、稳定流动与流动功（1）稳定流动稳定流动 流流动动状状况况不不随随时时间间而而改改变变的的流流动动。即即任任一一流流通通截截面面上上工工质质的的状状态
6、态都都不不随随时时间间而而改改变变。(热热力力参参数数和和运动参数运动参数都不随时间改变都不随时间改变)稳定流动的实现条件：稳定流动的实现条件：1）系系统统和和外外界界交交换换的的能能量量（功功量量和和热热量量）与质量不随时间而变与质量不随时间而变；2）进、出口截面的状态参数不随时间而变）进、出口截面的状态参数不随时间而变。15（2）流动功流动功(推进功推进功)Wf流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前流动功是由泵或风机加给被输送工质并随工质流动向前传递的一种能量，非工质本身具有的能量。传
7、递的一种能量，非工质本身具有的能量。传递的一种能量，非工质本身具有的能量。传递的一种能量，非工质本身具有的能量。流动功：流动功：1kg工质流动功：工质流动功：对于开口系统的计算一定要考虑流动功。对于开口系统的计算一定要考虑流动功。活塞面积活塞面积A记住记住16二、开口系统的稳定流动能量方程二、开口系统的稳定流动能量方程l时间内：时间内：17焓焓F焓是热力学能和流动焓是热力学能和流动功之和，是随着工质移功之和，是随着工质移动而转移的能量。动而转移的能量。1122U1,p1V1U2,p2V2u焓是状态参数焓是状态参数18注意注意：（1 1）无无论论对对于于流流动动工工质质还还是是不不流流动动工工质
8、，质，比焓比焓都是都是状态参数状态参数；（2 2）对对于于流流动动工工质质，流流动动功功等等于于pv，比比焓焓表表示示单单位位质质量量工工质质沿沿流流动动方方向向向向前前传传递递的的总能量中取决于热力状态的部分总能量中取决于热力状态的部分 ；（3 3）对对于于不不流流动动工工质质，不不存存在在流流动动功功，比焓比焓也不表示能量，仅是也不表示能量，仅是状态参数状态参数。（4 4）工工程程上上一一般般只只需需要要计计算算工工质质经经历历某某一一过过程程后后焓焓的的变变化化量量，而而不不是是其其绝绝对对值值，所所以焓值的零点可人为地规定。以焓值的零点可人为地规定。19三、三、技术功技术功 定定义义：
9、在在工工程程热热力力学学中中，将将工工程程技技术术上上可可以以直直接接利利用用的的动动能能差差、位位能能差差及及轴轴功功三三项项之之和和称称为为技技术术功，用功，用Wt表示表示 对于单位质量工质对于单位质量工质，20四、稳定流动能量方程式解析四、稳定流动能量方程式解析热能转变成热能转变成功的部分功的部分w机械能增量机械能增量轴轴功功流流动动功功差差技术功技术功wt21可用面积可用面积51265表示表示可用画斜线的微元面积表示可用画斜线的微元面积表示p技术功技术功wt的符号的符号:当当dp为为负负时时，压压力力下下降降，wt为为正正，工工质质对对机机器器作作功功；反反之之机机器器对对工工质质作作
10、功功，wt为为负负。l 对于可逆过程：对于可逆过程：对于可逆过程：对于可逆过程：22稳定流动开口系统能量方程式：稳定流动开口系统能量方程式：当引入技术功当引入技术功 后公式变为：后公式变为：1 1kgkg：m kgm kg：微元形式：微元形式：微元形式：微元形式：u重点重点需熟记需熟记23对于可逆过程：对于可逆过程：u重点重点需熟记需熟记24稳定流动开口系统能量方程式的另外一种导出方法：稳定流动开口系统能量方程式的另外一种导出方法：热力学第一定律方程式形式不同，实质是热力学第一定律方程式形式不同，实质是一致的，只是应用于不同的场合。一致的，只是应用于不同的场合。25热力学第一定律基本能量方程式
11、热力学第一定律基本能量方程式(总结总结)闭口系统闭口系统l1.mkg的能量方程式的能量方程式:Q=U+Wl2.1kg的能量方程式的能量方程式:q=u+wl3.微元形式的能量方程式微元形式的能量方程式:l4.对于可逆过程对于可逆过程26稳定流动开口系统能量方程式：稳定流动开口系统能量方程式：当引入技术功当引入技术功wt后公式变为：后公式变为：1 1kgkg：m kgm kg：微元形式：微元形式：微元形式：微元形式：对于可逆过程：对于可逆过程：2725稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用 工程上，除了喷管、扩压管外，常见热工设工程上，除了喷管、扩压管外，常见热工设备的进出口动、位能的变
12、化一般都可以忽略不计。备的进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计。28一、热交换器（散热器、加热器、冷凝器等）一、热交换器（散热器、加热器、冷凝器等）29一、热交换器一、热交换器30二、动力机械二、动力机械(蒸汽轮机、气轮机、内燃机蒸汽轮机、气轮机、内燃机)31二、动力机械二、动力机械q32三、绝热节流三、绝热节流(q=0,ws=0)注意：注意：绝热节流过程不是绝热节流过程不是定焓过程定焓过程。331、一闭口系统从状态、一闭口系统从状态1沿沿123途径到途径到达状态达状态3，传递给外界的热量为，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为，而系统对外作功为30kJ。若沿若沿143途径变化时
13、，系统对外作途径变化时，系统对外作功功15kJ，求过程中系统与外界传递的，求过程中系统与外界传递的热量？热量？pv1432若系统从状态若系统从状态3沿图示曲线到达状态沿图示曲线到达状态1，外界对系统作，外界对系统作功功6kJ，求过程中系统与外界传递的热量？，求过程中系统与外界传递的热量？若若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程，求过程23传递的热量及状传递的热量及状态态1的热力学能？的热力学能？一、闭口系统能量方程式应用一、闭口系统能量方程式应用342、一活塞气缸装置中的气体经历了、一活塞气缸装置中的气体经历了2个过程。个过程。从状态从状态1到状态到状态2气体吸热气体吸热500kJ，活
14、塞对外，活塞对外作功作功800kJ。从状态。从状态2到状态到状态3是个定压过程，是个定压过程，压力为压力为400kp，气体向外散热，气体向外散热450kJ。已知。已知U1=2000kJ，U3=3500kJ。计算。计算23过程过程中气体的体积变化。中气体的体积变化。35二、开口系统能量方程式应用二、开口系统能量方程式应用1、已知新蒸汽流入汽轮机时的、已知新蒸汽流入汽轮机时的h1=3232kJ/kg，流速，流速cf1=50m/s；乏汽流出汽轮机时的；乏汽流出汽轮机时的h2=2303kJ/kg，流速，流速cf2=120m/s。散热损。散热损失和位能差略去不计。求每千克蒸汽流经失和位能差略去不计。求每
15、千克蒸汽流经汽轮机时对外界所作的功。若蒸汽的流量汽轮机时对外界所作的功。若蒸汽的流量为为10t/h，求汽轮机的功率。，求汽轮机的功率。362、空气在压气机中被压缩。压缩前空气参数为、空气在压气机中被压缩。压缩前空气参数为p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后参数为；压缩后参数为p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg。设在压缩过程中每。设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加千克空气的热力学能增加146.5kJ，同时向外放热，同时向外放热50kJ。压气机每分钟压缩空气。压气机每分钟压缩空气10kg。求：求：压缩过程中对每千克空气作的压缩功；压缩过程中对每千克空气作的压缩功；每生产每生产1kg压缩空气所需要的轴功；压缩空气所需要的轴功；带动压气机所用电动机的功率（带动压气机所用电动机的功率（KW）。）。P30：2-837第二章小结第二章小结重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（1）热力学第一定律的实质；）热力学第一定律的实质；（2）热力学第一定律表达式及其适用范围；）热力学第一定律表达式及其适用范围；（3）运用第一定律求解工程上的能量转换问题。）运用第一定律求解工程上的能量转换问题。38