工程热力学与传热学（第四讲）3-1、2

《工程热力学与传热学》教案（4） 第三章 第一、二节

第三章 热力学第一定律

热力学第一定律是能量守恒能量转换定律在热力学中的具体应用，它和热力学第二定律共同构成了热力学的基本原理，确定了热力学系统能量转换中的数量、方向、条件和限度等问题，是进行热力学分析和计算的主要依据。

本章主要讨论热力学第一定律的内容与实质、开口系统和闭口系统的热力学第一定律及数学表达式，并引出状态参数内能（U）和焓（H）的概念。

第一节 热力学第一定律的实质、储存能量

一、热力学第一定律的内容与实质

自然界中存在有多种形式的能量。如：① 物体发生宏观运动时表现出的机械能（包括：动能和势能）；② 化学反应中表现出的化学能；③ 核能；④ 分子热运动热中表现出的能等。

热力学第一定律：各种形式的能量既不能被创造也不能被消灭，只能进行相互转换和转移，且在相互转换和转移过程中保持数量守恒。

实质：热和功可以相互转换，消耗一定数量的功，必定产生相应数量的热量；反之为了获取一定数量的功，必须消耗相当数量的热量。

实践证明，第一类永动机是造不出来的。 热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程。

无论开口系统还是闭口系统，热力学第一定律都可表示为：

进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的改变量 孤立系统的内能总量保持不变。 二、储存能量（E）

系统的能量包括：传递中的能量和储存能量两部分。 传递中的能量主要有功和热量。是过程参数。 储存能量是状态参数。 储存能量包括两部分：

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① 是以系统相对与外部参照系的参数（外部参数）来描述的能量。 主要有：a 宏观动能mu2/2； b 宏观位能mgh

由于速度u和位置高度h都是相对于其外部参照系而言的。

② 是以系统内部的状态参数来描述的能量。即由系统内工质的分子运动和其他微观运动所确定的能量（内能(U)。

储存能量的表达式为：

E=U+mu2/2+mgh

当系统静止时，动能和位能不发生变化。所以，储存能量的改变量等于内能的改变量。即

ΔE=ΔU

第二节 闭口系统的热力学第一定律——内能

一、内能（U）

物质内部有多种能量，包括：原子内部的原子能、原子结合成分子的化学能、分子作无规则热运动所具有的内热能等。

由于工程热力学研究的是热能与机械能的相互转换，不涉及化学能和原子能。故工程热力学只讨论工质具有的内热能。单位：J或KJ。

比内能（u）：单位质量工质所具有的内能。单位：J/kg或KJ/kg。

u=U/m

工质的内能包括：分子作无规则热运动具有的内动能和分子间相互作用力产生的内位能。

内动能的大小取决于工质的温度高低，是温度的单值函数；

内位能的大小取决于分子之间的距离大小，既取决于工质的容积（或比容）。 所以，工质的内能是温度和容积（或比容）的函数。即：

U=f(T、V) 或 u=f(t、v)

由于内能只由状态函数所决定，因此内能也是状态函数。只与工质的状态有

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关，与过程无关。

由于物质的运动是永恒的，我们无法找到一个没有运动而内能为零的基准点。所以，内能的绝对指值是无法测定出来的。

工程计算中，只考虑系统状态变化的始态和终态的内能的改变量ΔU，因此可以任意选取计算内能的基本状态。

如取00C或0K时工质的内能为零。

国际上取水的三相点（0.010C,0.000611MPa）作为内能的零基准点。 二、闭口系统的内能方程

能量方程式热力学第一定律的定量表达式，反应参与系统能量转换的各项能量之间的数量关系。

一般规律：① 凡有工质流动的过程都按开口系统进行分析； ② 凡工质不流动的过程都按闭口系统进行分析。

③ 在闭口系统状态变化过程中，宏观的动能和未能的变化都为零。

以图3-1所示的闭口系统为例分析：

当工质由平衡态I变化到平衡态II时，系统从外界吸收热量Q，对外膨胀做功为W，工质内能的变化为Δ

由热力学第一定律知：

进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的改变量

所以系统能量间的数量关系为：Q-W=Δ即：Q =Δ

Q外界图3-1闭口系统与外界的能量转换系统W外界U=U2-U1。系统静止，所以ΔE=ΔU。

U

U+W

u+w

对于单位质量工质有：q=Δ

对于微元过程有：dq=dU+dw

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以上各式均为热力学第一定律用于闭口系统的数学表达式，称为闭口系统能量方程。

闭口系统能量方程适用于各种工质（理想气体或实际气体及其溶液）和各种过程（可逆过程和不可逆过程）。

对于工质的可逆过程有：

Q=ΔU+∫21PdV q=Δu+∫21Pdv dq=du+pdv dQ=dU +pdV

说明：以上各式中的各量均为代数值。

q>0—表示外界对系统加热；q<0—表示系统向外界放热 Δu>0—表示系统比内能增加；Δu<0—表示系统比内能减少 w>0—表示系统对外界做功；w<0—表示外界对系统做功. 自学P21-例3-1.

小结：热力学第一定律：各种形式的能量既不能被创造也不能被消灭，只能进行相互转换和转移，且在相互转换和转移过程中保持数量守恒。

闭口系统能量方程为：Q =ΔU+W 对于单位质量工质有：q=Δu+w 对于微元过程有：dq=dU+dw 习题：略

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