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1、第二章第二章热力学第一定律热力学第一定律The First Law of Thermodynamics2-1 热力学第一定律的本质热力学第一定律的本质 1909年，年，C.Caratheodory最后完善热一律最后完善热一律本质：本质：能量能量转换转换及及守恒守恒定律定律在热过程中的应用在热过程中的应用 18世纪初，工业革命，热效率只有世纪初，工业革命，热效率只有1%1842年，年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有阐述热一律，但没有 引起重视引起重视 1840-1849年年，Joule用多种实验的一致性用多种实验的一致性 证明热一律，于证明热一律，于1850年发表并得到公认年发表并得到公认
2、焦耳实验焦耳实验1、重物下降，输重物下降，输 入功，绝热容入功，绝热容 器内气体器内气体 T 2、绝热去掉，气绝热去掉，气 体体 T ，放出放出 热给水热给水，T 恢复恢复 原温。原温。焦耳实验焦耳实验水温升高可测得水温升高可测得热量热量，重物下降可测得重物下降可测得功功热功当量热功当量1 cal=4.1868 kJ工质经历循环工质经历循环:Mechanical equivalent of heat Q=W闭口系循环的热一律表达式闭口系循环的热一律表达式要想得到要想得到功功，必须化费，必须化费热能热能或或其它能量其它能量热一律热一律又可表述为又可表述为“第一类永动机第一类永动机是是 不可能制成
3、的不可能制成的”Perpetual motion machine of the first kind Q=WQPerpetual motion machine of the first kind锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQout电电加加热热器器2-2 2-2 热一律的推论热一律的推论内能内能内能内能的导出的导出闭口系循环闭口系循环Internal energy Q=W(Q-W)=0 内能的导出内能的导出对于循环对于循环1a2c1对于循环对于循环1b2c1状态参数状态参数pV12abc(Q-W)=0 内能及闭口内能及闭口系热一律表达式系热一律表达式定义定义
4、dU=Q-W 内能内能U 状态函数状态函数 Q=dU+WQ=U+W闭口系闭口系热一律表达式热一律表达式！两种特例两种特例 绝功系绝功系 Q=dU 绝热系绝热系 W=-dU内能内能U 的的物理意义物理意义dU=Q-W W Q dU 代表某微元过程中系统通过边界代表某微元过程中系统通过边界交换的交换的微热量微热量与与微功量微功量两者之差值，也两者之差值，也即即系统内部能量系统内部能量的变化。的变化。U 代表储存于系统代表储存于系统内部的能量内部的能量 内储存能内储存能（内能内能、热力学能热力学能）内能的微观组成内能的微观组成分子动能分子动能分子位能分子位能 binding forces化学能化学能
5、 chemical energy核能核能 nuclear energy内能内能microscopic forms of internal energy 移动移动 translation转动转动 rotation振动振动 vibration系统总能系统总能 total energy外部储存能外部储存能macroscopic forms of energy宏观动能宏观动能 kinetic Ek=mc2/2宏观位能宏观位能 potential Ep=mgz机械能机械能系统总能系统总能E=U+Ek+Epe=u+ek+ep一般与系统同坐标，常用一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du内能的说明内能的说明
6、 内能内能是状态量是状态量 state property U:广延参数广延参数 kJ u :比参数比参数 kJ/kg 内能内能总以变化量出现，总以变化量出现，内能内能零点人为定零点人为定热一律的文字表达式热一律的文字表达式热一律热一律:能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-Total energy entering the systemTotal energy leaving the systemChange in the total energy of the system=-2-3 闭口系
7、能量方程闭口系能量方程 W Q一般式一般式 Q=dU+W Q=U+W q=du+w q=u+w单位工质单位工质适用条件：适用条件：1）任何工质）任何工质 2)任何过程任何过程Energy balance for closed systemPoint function-Exact differentials-dPath function-Inexact differentials-闭口系能量方程中的功闭口系能量方程中的功功功（w）是广义功是广义功Generalized Work 闭口系与外界交换的功量闭口系与外界交换的功量 q=du+w准静态容积变化功准静态容积变化功 pdv拉伸功拉伸功 w拉伸
8、拉伸=-dl表面张力功表面张力功 w表面张力表面张力=-dA w=pdv-dl-dA+.闭口系能量方程的通式闭口系能量方程的通式 q=du+w若在地球上研究飞行器若在地球上研究飞行器 q=de+w=du+dek+dep+w 工程热力学用此式较少工程热力学用此式较少准静态和可逆闭口系能量方程准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系简单可压缩系准静态过程准静态过程 w=pdv简单可压缩系简单可压缩系可逆过程可逆过程 q=Tds q=du+pdv q=u+pdv热一律解析式之一热一律解析式之一Tds=du+pdv Tds=u+pdv热力学恒等式热力学恒等式门窗紧闭房间用电冰箱降温门窗紧闭房间用电冰箱降
9、温以房间为以房间为系统系统 绝热闭口系绝热闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T电电冰冰箱箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用空调降温门窗紧闭房间用空调降温以房间为以房间为系统系统 闭口系闭口系闭口系能量方程闭口系能量方程T空空调调 QAir-conditioner 2-4 开口系能量方程开口系能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout能量守恒原则能量守恒原则进入进入系统的系统的能量能量 -离开离开系统的系统的能量能量 =系统系统储存能量储存能量的的变化变化Energy balance for open system开口系能量方程的推导开口系能量方程
10、的推导 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out -Wnet=dEcv这个结果与实验这个结果与实验不符不符少了少了推进功推进功推进功的表达式推进功的表达式推进功推进功（流动功、推动功）（流动功、推动功）pApVdl W推推=p A dl=pV w推推=pv注意：注意：不是不是 pdv v 没有变化没有变化Flow work对推进功的说明对推进功的说明1 1、与宏观与宏观流动流动有关，流动停止，推进功不存在有关，流动停止，推进功不存在2 2、作用过程中，工质仅发生作用过程中，工质仅发生位置位置变化，
11、无状态变化变化，无状态变化3 3、w推推pv与所处状态有关，是与所处状态有关，是状态量状态量4 4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量携带的能量可理解为：可理解为：由于工质的进出，外界与系统之由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种间所传递的一种机械功机械功，表现为流动工质进，表现为流动工质进出系统使所出系统使所携带携带和所和所传递传递的一种的一种能量能量开口系能量方程的推导开口系能量方程的推导 Wnet Qpvin moutuinuoutgzingzout Q
12、+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out -Wnet=dEcv minpvout开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式 Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out =dEcv工程上常用工程上常用流率流率开口系能量方程微分式开口系能量方程微分式当有多条进出口：当有多条进出口：流动时，总一起存在流动时，总一起存在焓焓Enthalpy的引入的引入定义：定义：焓焓 h=u+pvhh开口系能量方程开口系能量方程焓焓Enthalpy的的 说明说明 定义：定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ 1、焓焓是状态
13、量是状态量 state property2、H为广延参数为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数为比参数3、对流动工质，对流动工质，焓焓代表能量代表能量(内能内能+推进功推进功)对静止工质，对静止工质，焓焓不代表不代表能量能量4 4、物理意义：开口系中随工质物理意义：开口系中随工质流动而携带流动而携带的、取决的、取决 于热力状态的于热力状态的能量能量。2-5 稳定流动能量方程稳定流动能量方程 Wnet Q min moutuinuoutgzingzout稳定流动条件稳定流动条件1、2、3、轴功轴功Shaft work每截面状态不变每截面状态不变4、Energy balance
14、 for steady-flow systems稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导稳定流动条件稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动能量方程的推导1kg工质工质稳定流动能量方程稳定流动能量方程适用条件：适用条件：任何流动工质任何流动工质任何稳定流动过程任何稳定流动过程Energy balance for steady-flow systems技术技术功功 Technical work动能动能工程技术上可以直接利用工程技术上可以直接利用轴功轴功机械能机械能位能位能单位质量工质的开口与闭口单位质量工质的开口与闭口wsq稳流稳流开口系开口系闭口系闭口系(1kg)容积变化功容积变化功等
15、价等价技术功技术功稳流开口与闭口的能量方程稳流开口与闭口的能量方程容积变化功容积变化功w技术功技术功wt闭口闭口稳流开口稳流开口等价等价轴功轴功ws推进功推进功(pv)几种功的关系？几种功的关系？几种功的关系几种功的关系wwt(pv)c2/2wsgz做功的根源做功的根源ws对对功功的小结的小结2、开口系，开口系，系统系统与与外界交换的功为外界交换的功为轴功轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统闭口系，系统与与外界交换的功为外界交换的功为容积变化功容积变化功wws wt准静态下的技术功准静态下的技术功准静态准静态准静态准静态热一律解析式之一热一律解析
16、式之一热一律解析式之二热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示 2-6 稳定流动能量方程应用举例稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化热力学问题经常可忽略动、位能变化例：例：c1=1 m/s c2=30 m/s (c22-c12)/2=0.449 kJ/kgz1=0 m z2=30 mg(z2-z1)=0.3 kJ/kg1bar下下,0 oC水的水的 h1=84 kJ/kg100 oC水蒸气水蒸气的的 h2=2676 kJ/kg例例1：透平：透平(Turbine)机械机械火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 燃气
17、机燃气机蒸汽轮机蒸汽轮机Steam turbine透平透平(Turbine)机械机械1)体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws =-h =h1-h20输出的轴功是靠焓降转变的输出的轴功是靠焓降转变的例例2：压缩机械：压缩机械 Compressor火力发电火力发电核电核电飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机压气机水泵水泵制冷制冷空调空调压缩机压缩机火力发电装置火力发电装置Steam power锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器压缩机械压缩机械1)体积不大体积不大2）流量大流量大3）保温层保温层q 0ws =-h =
18、h1-h20输入的轴功转变为焓升输入的轴功转变为焓升例例3：换热设备：换热设备Heat Exchangers火力发电：火力发电：锅炉、凝汽器锅炉、凝汽器核电：核电：热交换器、凝汽器热交换器、凝汽器制冷制冷空调空调蒸发器、冷凝器蒸发器、冷凝器换热设备换热设备热流体放热量：热流体放热量：没有作功部件没有作功部件热流体热流体冷流体冷流体h1h2h1h2冷流体吸热量：冷流体吸热量：焓变焓变例例4：绝热节流：绝热节流Throttling Valves管道阀门管道阀门制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管绝热节流绝热节流绝热节流过程，前后绝热节流过程，前后h不变不变，但，但h不是处处相等不是处处相等
19、h1h2没有作功部件没有作功部件绝热绝热第二章第二章 讨论课讨论课 Discussion1、本质：本质：能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律=进入进入系统系统的的能量能量离开离开系统系统的的能量能量系统系统内部储存内部储存能量能量的的变化变化-一、概念一、概念第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)通用式通用式2、热一律表达式：热一律表达式：第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)稳流：稳流：dEcv/=0通用式通用式第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)闭口系：闭口系：通用式通用式第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)通用式通用式循环循环dEcv=0out=in
20、Q=WQ=Wnet第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)孤立系：孤立系：通用式通用式第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)3、热力学第一定律表达式和适用条件热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，准静态过程任何工质，任任何工质，任何何稳流稳流过程过程或或忽略动、位忽略动、位能变化能变化第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)4、准静态下两个热力学微分关系式准静态下两个热力学微分关系式 适合于闭口系统和稳流开口系统适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式后续很多式子基于此两式第二章第二章 讨论课讨论课(一、概
21、念一、概念)5、u与与 h U,H 广延广延参数参数 u,h 比参数比参数 U 系统本身具有的内部能量系统本身具有的内部能量H 不是系统本身具有的能量，不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取开口系中随工质流动而携带的，取 决于状态参数的能量决于状态参数的能量 第二章第二章 讨论课讨论课(一、概念一、概念)6、四种功的关系四种功的关系 准准静态下静态下闭口系过程闭口系过程开口系过程开口系过程第二章第二章 讨论课讨论课二、思考题二、思考题 工质膨胀是否一定对外作功？工质膨胀是否一定对外作功？做功对象和做功部件做功对象和做功部件定容过程是否一定不作功？定容过程是否一定不作功？开口系，
22、技术功开口系，技术功定温过程是否一定不传热？定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）相变过程（冰融化，水汽化）水轮机水轮机第二章第二章 讨论课讨论课（二、思考题）（二、思考题）气体被压缩时一定消耗外功气体被压缩时一定消耗外功热力学功指有用功热力学功指有用功p0对外作功指有用功对外作功指有用功第二章讨论课第二章讨论课（二、思考题）（二、思考题）气体边膨胀边放气体边膨胀边放热是可能的热是可能的对工质加热，其温度反而降低，对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能这种情况不可能第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）循环循环思考题思考题4附图附图 U=0 H=0W=Wt =QP
23、 q 例例2：2-14第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）典型问题：充气问题与取系统典型问题：充气问题与取系统例例3：习题：习题2-9 储气罐储气罐原有气体原有气体m0,u0输气管状态不变，输气管状态不变，h经经 时间充时间充气，关阀气，关阀储气罐储气罐中气体中气体m求：求：储储气罐气罐中气体中气体内能内能u忽略动、位能变化，管路、储气罐、阀门均绝热忽略动、位能变化，管路、储气罐、阀门均绝热m0,u0h第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）四种可取系统四种可取系统1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3
24、）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统(开口系开口系)忽略动位能变化忽略动位能变化h绝热绝热无作功无作功部件部件无无离开气体离开气体1)1)取取储气罐为储气罐为系统系统(开口系开口系)经经 时间充气，积分概念时间充气，积分概念hh是常数是常数四种可取系统四种可取系统 2）1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储
25、气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系2 2）取最终罐中气体为系统）取最终罐中气体为系统(闭口系闭口系)hm0m-m0绝热绝热m-m0四种可取系统四种可取系统 3)3)1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系3 3）取将进入储气罐的气体为系统）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系闭口系)m0hm-m0m0与与m-m0有有温差传热温差传热Q1m-m0对对m0作功作功W1?m-m0四种可取系统
26、四种可取系统 4)4)1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系4 4）取储气罐）取储气罐原有原有气体为系统气体为系统(闭口系闭口系)m0hm-m0m0与与m-m0有有温差传热温差传热Q1m0得得m-m0作功作功W1?4 4）取储气罐）取储气罐原有原有气体为系统气体为系统(闭口系闭口系)m0hm-m0四种可取系统四种可取系统1）取储取储气罐气罐为系统为系统开口系开口系2）取最终罐中气体为系统取最终罐
27、中气体为系统闭口系闭口系3）取将进入储取将进入储气罐气罐的气体为系统的气体为系统m0,u0h闭口系闭口系4）取储取储气罐气罐原有气体为系统原有气体为系统闭口系闭口系利用热一律的文字表达式利用热一律的文字表达式进进 出出 内能变化内能变化h内能变化：内能变化：取储气罐为系统取储气罐为系统(开口系开口系)进：进：出：出：m0,u0结果说明结果说明1）取系统不同，取系统不同，考虑的角度不同考虑的角度不同开口系开口系反映为反映为质量质量携带携带焓焓2）若若m00，m0,u0h闭口系闭口系反映作反映作功功例例4 4：取系统问题之二：取系统问题之二已知：已知：p1=35bar,t1=16h0V要求：要求：
28、输出输出4kW,持续持续30s(kW=kJ/s)允许：允许：p1 p2=3.5bar求：求：需要的容积需要的容积V第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）解解1:1:取储气罐为系统（开口取储气罐为系统（开口）h0V解解1:1:取储气罐为系统（开口取储气罐为系统（开口）Vh0解解2：取气体为系统（闭口）取气体为系统（闭口）Vh0u2 0解解3：取：取储气罐和汽机为系统（开口储气罐和汽机为系统（开口）Vh0进进 出出 内能变化内能变化内能变化：内能变化：进：进：出：出：u2 0例例5 5：其它功例：其它功例HeQl真空真空已知：已知：缓慢加热缓慢加热He气气p1=1.013bar,p2
29、=3.039bar活塞面积活塞面积A=0.1m2,无摩无摩擦擦弹簧刚度弹簧刚度k=105N/m求：求：He作功量作功量W物理学过：物理学过：弹簧变形与力的关系弹簧变形与力的关系弹簧功弹簧功第二章讨论课第二章讨论课（三、计算题）（三、计算题）解解1 1：由弹簧功求：由弹簧功求He作功量作功量HeQl真空真空解解2 2：由：由He参数求参数求作功量作功量HeQl真空真空缓慢加热：准静态缓慢加热：准静态关键求关键求p与与V的关系的关系第二章第二章 小小 结结 Summary 热力学热力学第一定律的本质第一定律的本质 热一律各表达式之间的关系和用法热一律各表达式之间的关系和用法 准静态或可逆条件下的表达式准静态或可逆条件下的表达式 内能与焓内能与焓 四种功的关系和使用场合四种功的关系和使用场合 非稳态条件下的能量分析非稳态条件下的能量分析 稳定能量方程的应用稳定能量方程的应用