第三章 热力学第一定律

本章目录 3.1 热力学能和总能 3.2 系统与外界传递的能量 3.3 闭口系能量方程 3.4 开口系统稳定流动能量方程  3.2 系统与外界传递的能量 3.3  闭口系能量方程 3.4 开口系统稳定流动能量方程 3.5 稳定流动能量方程式的应用 3.6 理想气体内能变化计算 3.7 理想气体焓变化的计算 3.8 理想气体s的计算

1、热力学能（内能）U 注意： 对理想气体u=f (T) 3.1 热力学能和总能 U : 广延参数 [ kJ ] 分子位能（相互作用）: f(v) 核能 : 原子核内部的能量 化学能：维持一定分子结构的能量 。 √ √ × × 注意： 对理想气体u=f (T) 说明： 内能是状态量 U : 广延参数 [ kJ ] u = U /m: 比参数 [kJ/kg]  内能总以变化量出现，内能零点人为定

2、外部储存能 宏观动能： （J） 组成 （J） 重力位能： 工质宏观运动的速度 工质在重力场中的高度

3、系统总能 E = U + Ek + Ep （J） e = u + ek + ep （J/kg） 外部储存能： 宏观动能 Ek= mc2/2 宏观位能 Ep= mgz 系统总能： E = U + Ek + Ep （J） e = u + ek + ep （J/kg）

 3.2 系统与外界传递的能量 热量 系 统 外界热源 功 外界功源 随物质传递的能量 外界质源

在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。 1、热量 定义： 在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。 规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负 单位： kJ 或 kcal 且l kcal=4.1868kJ   特点: 是传递过程中能量的一种形式，与热力过程有关 ， 是过程量。

2、功 除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量. （2）膨胀功W： (1)定义: 在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。是过程量。 单位：l J=l N.m 规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。 例如： 定容过程： W=0 q=0 工质膨胀能对外做功，但也可以 没有功的输出： 真空

（3）轴功Ws: 通过机械轴与外界传递的机械功ws。 Ws的正负：系统输出轴功， Ws为正； 外界向系统输入轴功， Ws为负。 轴功来源于： 能量的转换。如汽轮机中热能→机械能 机械能的直接传递：如水轮机、风车等

①定义：为推动流体通过控制体界面而传递的机械功. 3、随物质传递的能量 （1）流动工质 本身具有的能量： （2）流动功(或推动功) ①定义：为推动流体通过控制体界面而传递的机械功.

w推= pv ②推动功的表达式（p45图3-2） W推 = p A l = pV 由泵、风机等提供 可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统所携带和所传递的一种能量。 推动功只有在工质流动时才有，当工质不流动时，虽然工质也具有一定的状态参数p和v，但这时的乘积并不代 表推动功。 由泵、风机等提供

③推动1kg工质进、出控制体时所需净流动功。

4、焓 （1）焓的定义式： 焓=热力学能+流动功 对于1千克工质： h=u+ p v 对于m千克工质： 是状态参数？ （2）焓的物理意义： 对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递 的总能量中，取决于热力状态的那部分能量. 即热力学能和推动功之和。 对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数 思考：特别的对理想气体 h= f (T)?

3.3 闭口系能量方程— 热力学第一定律基本表达式 3.3  闭口系能量方程— 热力学第一定律基本表达式 1、热力学第一定律及其实质 实质：能量守恒定律在热力学中的应用。 表述内容： （1） 热力学第一定律说明：在能量的转换过程中，能量的数量保持不变，要获得部分功就必须消耗一定的能量。 所以不消耗能量而连续作功的第一类永动机是不可能实现的。 所以也可以表述为： （2）第一类永动机是造不成的。 15

⑶热力学第一定律还可以表述为：  加入系统的能量总和-热力系统输出的能量总和= 系统总储存能的增量

3.3 闭口系能量方程— 热力学第一定律基本表达式 3.3  闭口系能量方程— 热力学第一定律基本表达式 2、推导过程  加入系统的能量总和-热力系统输出的能量总和= 系统总储存能的增量 忽略宏观动能Ek和位能Ep的变化 ， 可得： mkg工质经过有限过程 适用于任何工质和任何过程 17

（4）闭口系统能量方程是代数方程，功、热量、热力学能有规定。 3、讨论： 1kg工质经过有限过程 （1）其他形式： 1kg工质经过微元过程 mkg工质经过微元过程 （2）对于可逆过程 （3）物理意义 （4）闭口系统能量方程是代数方程，功、热量、热力学能有规定。 举例：见备课本。 18

例 1：自由膨胀 如图， 抽去隔板，求 解：取A、B中的气体为热力系  —闭口系？开口系？ ? 强调：功是通过边界传递的能量。 19

3.4 开口系统稳定流动能量方程 1、稳定流动 （1）定义：是指热力系统在任意截面上工质的一切参数 都不随时间变化 注意：区分各截面间参数可不同。 20

（2）稳定流动条件： 2、稳定流动能量方程 进出口处工质状态不随时间变化。 进出口处工质流量相等，且不随时间改变。 满足质量守恒. 系统与外界交换的热量与功量不随时间改变，满足能量守恒。 2、稳定流动能量方程 21

(1)推导过程 进入系统的能量: 流出系统的能量: 系统内部储能增量: dECV  考虑到稳流特征： dECV=0,

（对mkg工质） ——开口系统稳定流动方程 （对1kg工质） 适用范围：任何过程，任何工质。 23

（2）稳定能量方程式分析与讨论： ①物理意义： 在稳定流动中，对开口系的加热量，一部分使工质焓增加，一部分使工质的宏观动能和宏观位能增加，并对外输出轴功。 24

技术上可资利用的功 wt ②技术功(technical work)— 对稳定流动可逆过程： 等效。 开口系稳定能量方程也可看成是流经开口系的一定质量的工质的能量方程。闭口系能量方程也是描述一定质量的工质在热力过程中的能量转换关系的。 等效。

③第一定律第二解析式 26

3.5 稳定流动能量方程式的应用 1.蒸汽轮机、汽轮机 ：主要功能是对外输出轴功 (steam turbine、gas turbine) 1.蒸汽轮机、汽轮机 ：主要功能是对外输出轴功 (steam turbine、gas turbine) 工质在动力机中所作的轴功等于工质的焓降 27

2、压气机 compressors and pumps 工质在压气机中绝热压缩所消耗的轴功等于压缩工质焓的增加。 压缩气体有广泛的用途：如压缩空气可以作为动力，可以驱动各种风动机械，如气钻、气锤。常用于车辆制动、门窗开闭；人工制冷：如氨、氟里昂的压缩。

(heat exchanger: boiler、heater) 3、换热器（锅炉、加热器等） (heat exchanger: boiler、heater) 实现冷热流体的热交换。 29

3、换热器（锅炉、加热器等） 在锅炉等换热设备中，工质吸收的热量等于工质焓的增加。 或者：工质放出的热量等于工质焓的减少。

4、喷管 （Nozzles and Diffusers :降压增速） 在喷管中气流动能增量等于工质焓降。 喷管在工程上主要用于需要增速或需要降压的场合，如航空涡轮喷气发动机的尾喷管、火箭发动机的喷管就是利用收缩或缩放喷管将进口的高温高压燃气降温降压以获得出口高速的。

5、混合流 混合过程是工程上最常见的热力过程之一，两种以上流体都要采用这种方式，一般是已知混合前的参数，求混合后的混合物参数。 32

6、绝热节流:节流阀的使用在于调节工质流动的压力、流量或温度 [Throttling Devices (adiabatic process) ]          节流：工质在管内流过阀门、孔板、小孔等使流通截面突然缩小的装置时，会在缩口附近产生强烈的漩涡，从而产生所谓“局部阻力”，使压力下降，这种现象称为“节流”。 绝热节流：节流过程进行得很快。 绝热节流前、后焓相等，但由于在节流孔口附近流体的流速变化很大，焓值并不处处相等，不能把整个过程看作是定焓过程。

运用热一律分析问题时，经常用到一些假设和规律 (1)分析化简首先要抓住热力设备和装置的用途。 例如： 动力机的主要功能是对外输出轴功； 换热器的目的在于实现冷热流体的热交换； 节流阀的使用在于调节工质流动的压力、流量或温度。 (2)流速较快的过程可按绝热处理。 (3)除喷管和扩压管外，动能位能的变化常忽略。 ⑷过程进行缓慢时，可认为系统和外界随时处于热平衡。 举例：教材p58-62:例3-5，例3-7

3.6 理想气体内能变化计算 1、计算公式： （3）理想气体组成的混合气体的内能： 2、说明 3.6 理想气体内能变化计算 2、说明 1、计算公式： （1）适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 。 （3）理想气体组成的混合气体的内能：

3.7 理想气体焓的计算 1、计算公式： 2、说明 或实际气体的定压过程， （2）理想气体组成的混合气体的焓： ⑴适用于理想气体的一切热力过程 或实际气体的定压过程， 1、计算公式： （2）理想气体组成的混合气体的焓：

(3) (4) cp 为真实比热 (5) cp 为平均比热

3.8 理想气体s的计算

本章作业 思考题：3-6、3-10 习题：3-1、3-6、3-8、3-10、3-13 3-17、3-19