第一章 热力学第一定律

§1-1 基本概念

热力装置共同基本特点 1、热源，冷源（吸热、排热） 2、工质： （实现热能、机械能转化的媒体） 3、容积变化功（热能 机械能） 4、循环 ： 3、容积变化功（热能 机械能） 4、循环 ： （连续实现热能与机械能的转换）

一、 热力系统(P.4) 系统与外界的作用都通过边界 热力系统(热力系、系统)：人为地从 周围物体中分割出来的研究对象 外界：系统以外的所有物质 边界(界面)：系统与外界的分界面 系统与外界的作用都通过边界

热力系统分类 以系统与外界关系划分： 开口系 闭口系 绝热系 孤立系 种类：

热力系的选取取决于研究目的和方法，具有随意性，选取不当将不便于分析。 一旦取定系统，沿边界寻找相互作用。

二、平衡 状态和状态参数 冷热程度 密度 等等 压力多大 比容 等等

状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况 状态参数：描述热力系状态的物理量 状态参数的特征： 1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量 与路径无关，只与初终态有关 3、状态参数的微分特征：全微分

状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。 状态参数的积分特征 状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。 点函数、态函数 数学上： a 1 2 b 例：温度变化 山高度变化

平衡的本质：不存在不平衡势 平衡状态： 定义：在不受外界影响的条件下（ 重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 　　定义：在不受外界影响的条件下（ 重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 温差 — 热不平衡势　　　　　　 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势 平衡的本质：不存在不平衡势

平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化 稳定不一定平衡，但平衡一定稳定

平衡与均匀 平衡：时间上 均匀：空间上 平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的

三、准静态过程、可逆过程 平衡状态 状态不变化 能量不能转换 非平衡状态 无法简单描述 热力学引入准静态（准平衡）过程

一般过程 突然去掉重物 p1 = p0+重物 最终 p2 = p0 T1 = T0 T2 = T0 p0 p . 1 . 2 p，T v

准静态过程 . . . p0 p 1 2 p，T v 假如重物有无限多层 p1 = p0+重物 每次只去掉无限薄一层 T1 = T0 系统随时接近于平衡态 p0 p . 1 . . 2 p，T v

准静态过程: 既是平衡，又是变化 既可以用状态参数描述，又可进行热功转换

准静态过程的工程应用 >> 例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 恢复平衡所需时间 （驰豫时间） >> 一般的工程过程都可认为是准静态过程 具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”

可逆过程的定义 系统经历某一过程后，如果能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。 注意：可逆过程只是指可能性，并不 是指必须要回到初态的过程。

可逆过程的实现 准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 无不平衡势差 耗散效应 准静态过程 + 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应(摩阻，电阻，非弹性变性，磁阻等） 无不平衡势差 耗散效应 不平衡势差 不可逆根源 耗散效应

典型的不可逆过程 节流过程 (阀门） 不等温传热

典型的不可逆过程 自由膨胀 混合过程

四、 热力循环 要实现连续作功，必须构成循环 定义： 分类： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。 可逆 可逆循环 四、 热力循环 要实现连续作功，必须构成循环 定义： 热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。 分类： 可逆 可逆循环 过程 循环 不可逆 不可逆循环

正循环 正循环：顺时针方向 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对外作功 净效应：吸热

逆循环 逆循环：逆时针方向 p T 1 2 1 2 V S 净效应：对内作功 净效应：放热

热力循环的评价指标 正循环：净效应（对外作功，吸热） T1 动力循环：热效率 Q1 W Q2 T2

热力循环的评价指标 逆循环：净效应（对内作功，放热） 制冷循环：制冷系数 T0 Q1 W 制热循环：制热系数 Q2 T2

§1-2 基本状态参数

基本状态参数 温度 T （K） 压力 p (Pa，N/m2） 比容 v （m3/kg）

一、温度T 传统：冷热程度的度量。感觉，导热，热容量 微观：衡量分子平均动能的量度 T=0  0.5mw 2=0  分子一切运动停止， 零点能

温度的热力学定义 　　处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此相同，用于描述此宏观特征的物理量 温度。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量

温度的测量 温度计 物质 （水银，铂电阻） 特性 （体积膨胀，阻值） 基准点 刻度 温标 经验温标

常用温标 绝对K 摄氏℃ 华氏F 373.15 100 水沸点 212 37.8 发烧 100 水三相点 273.16 0.01 273.15 冰熔点 32 -17.8 盐水熔点 -273.15 -459.67

温标的换算

二、压力 p 常用单位： 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 物理中压强，单位: Pa , N/m2 常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg = 133.3 Pa 1 at=735.6 mmHg = 9.80665104 Pa

压力p的测量 一般是工质绝对压力与环境压力的相对值 ——相对压力 注意：只有绝对压力 p 才是状态参数 示意图

绝对压力与相对压力 当 p > pb 表压力 pe 当 p < pb 真空度 pv 示意图 pb pe p pv

环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境 注意：环境压力一般为大气压，但不一定。 大气压随时间、地点变化。 物理大气压 1atm = 760mmHg 当h变化不大，ρ常数 1mmHg= ρgh=133.322Pa 当h变化大，ρ ρ(h)

三、 比体积 v ［m3/kg] 工质聚集的疏密程度 物理上常用密度  ［kg/m3]

§1-3 气体的热力学能

系统总能 E = U + Ek + Ep 系统总能 e = u + ek + ep 外部储存能 宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz 机械能 一般与系统同坐标，常用U, dU, u, du

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 内能 说明：  内能是状态量  内能是状态量 U : 广延参数 [ kJ ] u : 比参数 [kJ/kg]  内能总以变化量出现，内能零点人为定

§1-4 功和热量

其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等 功的表达式 功的一般表达式 热力学最常见的功  容积变化功 其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等

4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 p 可逆过程容积变化功的说明 1 . 1）单位为 [kJ] 或 [kJ/kg] W w 2） p-V 图上用面积表示 . 2 3）功的大小与路径有关， 功是过程量 V 4）统一规定：dV>0，膨胀 对外作功（正） dV<0，压缩 外内作功（负） 5）适于准静态下的任何工质（一般为流体） 6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数 7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别

p V . 1 2 W 示功图 mkg工质： W =pdV 1kg工质： p p外 2 1 w =pdv

二、热量与熵 1、热量定义： 热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。 另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。

热 量 如 何 表 达 ？ 热量是否可以用类似于功的式子表示？ ？ 引入“熵”

热量与容积变化功 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 能量传递方式 容积变化功 传热量 性质 过程量 过程量 推动力 压力 p 温度 T 标志 dV , dv dS , ds 公式 条件 准静态或可逆 可逆

熵（ Entropy）的定义 reversible 熵的简单引入 广延量 [kJ/K] 比参数 [kJ/kg.K] ds: 可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商 清华大学刘仙洲教授命名为“熵”

示功图与示热图 p T Q W V S 示功图 温熵(示热)图

§1-5 热力学第一定律 及其解析式

一、热力学第一定律的本质： 能量转换及守恒定律在热过程中的应用

二、热力学第一定律的解析式 进入系统的能量 - 离开系统的能量 = 系统内部储存能量的变化

闭口系能量方程 一般式  Q  W q = du + w q = u + w 单位工质 Q = dU + W 适用条件： 1）任何工质 2) 任何过程

§1-6 稳定流动能量方程式

一、焓 定义：焓 h = u + pv

min uin Wnet gzin mout uout Q gzout

A 推进功（流动功、推动功） p W推 = p A dl = pV w推= pv p V dl

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

§ 2-7 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 § 2-7 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 例：c1 = 1 m/s c2 = 30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.449 kJ/ kg z1 = 0 m z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kg 1bar下, 0 oC水的 h1 = 84 kJ/kg 100 oC水蒸气的 h2 = 2676 kJ/kg

例1：透平(Turbine)机械 火力发电 核电 蒸汽轮机 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 燃气轮机

火力发电装置 汽轮机 过热器 锅 炉 发电机 凝汽器 给水泵

航空发动机（燃气循环）

燃气装置 空气 燃气轮机 压气机 废气 燃烧室

透平(Turbine)机械 q  0 ws = -△h = h1 - h2>0 1) 体积不大 2）流量大 3）保温层 输出的轴功是靠焓降转变的

例2：压缩机械 火力发电 核电 水泵 飞机发动机 轮船发动机 移动电站 压气机 制冷 空调 压缩机

火力发电装置 汽轮机 过热器 锅 炉 发电机 凝汽器 给水泵

航空发动机（燃气循环）

燃气装置 空气 燃气轮机 压气机 废气 燃烧室

制冷空调装置

压缩机械 1) 体积不大 2）流量大 3）保温层 q  0 ws = -△h = h1 - h2<0 输入的轴功转变为焓升

例3：换热设备 火力发电： 锅炉、凝汽器 核电： 热交换器、凝汽器 制冷 空调 蒸发器、冷凝器

火力发电装置 汽轮机 过热器 锅 炉 发电机 凝汽器 给水泵

制冷空调装置

换热设备 热流体 冷流体 h1 h2 h1’ h2’ 没有作功部件 热流体放热量： 焓变 冷流体吸热量：

例4：绝热节流 管道阀门 制冷 空调 膨胀阀、毛细管

管道阀门

制冷空调装置

绝热节流 h1 h2 没有作功部件 绝热 绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等

第一章 小 结 基本概念：  热力系  平衡、稳定、均匀  准静态、可逆  过程量、状态量、状态参数  功、热量、熵 第一章 小 结 基本概念：  热力系  平衡、稳定、均匀  准静态、可逆  过程量、状态量、状态参数  功、热量、熵  p-V图、T-S图  循环

思考题 有人说，不可逆过程是无法恢复到初始状态的过程，这种说法对吗？ 不对。关键看是否引起外界变化。 可逆过程指若系统回到初态，外界同时恢复到初态。 可逆过程并不是指系统必须回到初态的过程。

可逆过程＝准静态过程＋无耗散 可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程 可逆过程与准静态过程的区别和联系 可逆过程一定是准静态过程 准静态过程不一定是可逆过程 可逆过程＝准静态过程＋无耗散 可逆过程完全理想，以后均用可逆过程的概念。准静态过程很少用。

自由膨胀过程 刚性，绝热 B中没有气体，不能取做系统 以A中原有气体为系统 A中气体非准静态 A中气体没有作功 B 没有作功对象 A 真空 • • 没有作功对象 • B • • • • A 真空 • • • 后进去的对先进去的气体作功了吗？ • • • • • • •

气体混合过程 刚性，绝热， pA>>pB 非准静态过程，非可逆过程 取A或B中气体为系统 相互有功的作用 可逆热力学没法计算 A • • • • • • • A B • • • 取A＋B气体为系统，无功 • • • • • • •

第一章 完