湖南大学 工程热力学 第二章热力学第一定律

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第二章 热力学第一定律First law of thermodynamics

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2-1热力学第一定律的实质

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1. 第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应 第一定律的实质：用. 确定热力过程中热力系统与外界进行能量交换时,各种形 确定热力过程中热力系统与外界进行能量交换时, 态能量数量上的守恒关系。 态能量数量上的守恒关系。

2. 热力学第一定律的表述： 热是能的一种，机械能变热能， 热力学第一定律的表述： 机械能变热能，或热能变机械能，它们之间的比值是一定的. 或热能变机械能，它们之间的比值是一定的. 热可以变为功，功也可以变为热； 或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时 必定产生相应量的功；消耗一定量的功时， 必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应 量的热. 量的热.

3. 热力学第一律是人类实践中累积的经验总结，不能用数学或 热力学第一律是人类实践中累积的经验总结，其它的理论来证明。 其它的理论来证明。

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2-2 热力学能和总能

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一、热力学能能量是物质运动的量度，不同的运动形式， 能量是物质运动的量度，不同的运动形式，不同的 能量形式. 能量形式.

1. 力学机械能： 力学机械能：●由于物体作机械运动而具有的能量

动能： ●动能：取决于物体宏观运动的速度 势能： ●势能：取决于物体在重力场中所处的位置

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2. 热力学能分子内动能(移动、转动、振动) 分子内动能(移动、转动、振动)f(T) 分子内位能(相互作用) 分子内位能(相互作用)f(v,T) 化学能 原子核内的原子能 电磁场作用的电磁能 在讨论的热力过程中保持不变

说明： 说明： U : m kg 广延参数 [ kJ ], u : 1kg [kJ/kg]

热力学能热力状态单值函数， u=f(T,v) , 热力学能热力状态单值函数，是状态参数对于理想气体， 对于理想气体，u=f(T) 内能总以变化量出现， 变化量出现 内能总以变化量出现，内能零点人为规定

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二、总能内储存能： 内储存能：热力学能●取决于系统本身的状态，与系统内工质的分子结构即微观运动形式 取决于系统本身的状态， 有关. 有关

工质 总储 存能

外储存能： 外储存能：机械能●取决于系统工质与外力场的相互作用及以外界为参考坐标的

系统宏观运动所具有的能量 ●宏观动能 Ek=0.5mc2●重力位能 Ep=mgz

E=U +Ek +Ep =U + 0.5mcf2 + mgz●对于 1

kg 物体：e=u+ 0.5c2 + gz 物体： 对于没有宏观运动，高度为零的系统： ●对于没有宏观运动，高度为零的系统：E=U 或 e=u

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2-3 能量的传递与转化

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一、作功与传热能量从一个物体传递到另一个物体的两种方式： 能量从一个物体传递到另一

个物体的两种方式： 作功●功的热力学定义：功是系统除温差以外其它不平衡势所 功的热力学定义：

引起的系统与外界之间传递的能量. 引起的系统与外界之间传递的能量 ●作功与物体的宏观位移有关 作功与物体的宏观位移有关. ●作功过程往往伴随着能量形态的变化。热能 机械能 作功过程往往伴随着能量形态的变化。 热能→机械能 能量转换的热力过程； 机械能: 热能 机械能 能量转换的热力过程；单纯的机械过程

传热●热量学的热量定义：在温差作用下系统与外界传递的能量 热量学的热量定义 的热量定义： ●热量经过界面后，变成内能； 热量经过界面后，变成内能； ● 热量是过程量，内能是状态量； 热量是过程量，内能是状态量；

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二、推动功和流动功

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推动功： 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功或：为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，是维持流体 为推动流体通过控制体界面而传递的机械功， 正常流动所必须传递的能量。 正常流动所必须传递的能量。 1 2 移动过程中参数不变 pA l = pV = mpv 1 kg工质： 工质： 工质流动所需功

wf = pv

p 1 p

m

A 2

开口系统流动功：推动功之差， 开口系统流动功：推动功之差，为系统维持工质

( pv) = p 2 v2 p 1 v1

△l

开口系统与外界交换的功： 开口系统与外界交换的功：

w ( p 2 v2 p 1v1 ) + Ek + Ep

pvv

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对推动功的说明●与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 与宏观流动有关，流动停止， 流动有关 ●作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 作用过程中，工质仅发生位置变化， 位置变化 ●

wf=p2v2- p1v1与所处状态有关，是状态量 与所处状态有关，

●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，

而由外界做出，流动工质所携带的能量 而由外界做出，流动工质所携带的能量

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膨胀功条件： ●条件：压差●热能转换为功的必要条件

膨胀功的必要但不充分条件： ●膨胀功的必要但不充分条件：容积变化●过程量

符号w ●符号

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轴功●定义 ●符号 ●实例

系统通过机械轴与外界传递的机械功 ws 规定系统输出轴功为正，输入为负 规定系统输出轴功为正， ws…………… …………… …………… …………… ……………

ws

闭口系统

开口系统

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2-4 焓enthalpy流动工质传递的总能量 pV + U + 0.5mc2 + mgz h= u + pv 定义焓： 定义焓：H=U+ pV 单位： 单位： J(kJ) kJ) J/kg(kJ/kg) J/kg(kJ/kg) 对理想气体：h=u+pv=u+RT=f( ●H是状态参数 ，对理想气体：h=u+pv=u+RT=f(T) 是 H为广延参数 h为比参数 ● H为广延参数 H=U+pV= m

(u+pv)= mh, h为比参数 物理意义： ●物理意义：对于1kg工质通过一定的界面流入热力系统时，储存于它内部的热 工质通过一定的界面流入热力系统时， 对于 工质通过一定的界面流入热力系统时 力学能也带进了系统，同时还把从外部功源获得的推动功pv带进了系统 带进了系统。 力学能也带进了系统，同时还把从外部功源获得的推动功 带进了系统。 对流动工质， 热力学能+推动功 推动功， 对流动工质，焓=热力学能 推动功，表示流动工质向流动前方传 如果忽略动能和位能， 递的总能量中取决于热力状态的那部分能量 ；如果忽略动能和位能，则 为总能量。 为总能量。●对静止工质，焓没有明确的物理意义 对静止工质，

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2-5 热力学第一定律的 基本能量方程式 基本能量方程式Energy equation for the first law of thermodynamics

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闭口系统能量方程式推导能量方程的一般形式： 能量方程的一般形式：进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的增加 进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的增加 系统的能量 能量闭口系：能量传递只有传热 作功两种 对许多闭口系统而言， 传热和 两种； ●对闭口系：能量传递只有传热和作功两种；对许多闭口系统而言，动 均无变化，无流动功。 能 Ek 位能Ep均无变化，无流动功。 对开口系 传热、作功、流动功。 口系： ●对开口系：传热、作功、流动功。●闭口热力系统总储存能的变化： △E=△U=U2-U1 闭口热力系统总储存能的变化：

热力学第一定律： 热力学第一定律： Q -W=△E=△U 或 Q =△U+ W

Q

W

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一、闭口系统能量方程式Q = U + W 一 δQ = dU + δW

般 式 q = u + w

Q

W

δq = du + δw δq = du + pdv2

单位工质

适用条件： ) 适用条件：1)任何工质 2) 任何过程

q =△u +

∫1

pdv

可逆过程

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二、循环过程中的应用在动力循环或制冷循环中，工质在设备内周而复 在动力循环或制冷循环中， 始地使用，与外界没有物质交换， 始地使用，与外界没有物质交换，属闭口系统

q12=u2-u1+w12 q23=u3-u2+w23 q34=u4-u3+w34 + q41=u4-u1+w41

p

1 4

2

∫ δq =∫ δu + ∫ δwQnet = Wnet 或qnet = wnet净热量 = 净功

3 V

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例

题

如图，气缸内充以空气，活塞及负载 如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg,缸壁充分 ， 导热，取走100kg负载，待平衡后，求： 负载， 导热，取走 负载 待平衡后， (1)活塞上升的高度 h ) (2)气体在过程中作的功，已知 u = 0.72T )气体在过程中作的功，

A=100cm2 P1, t1 t0=27℃, p0=771mmHg ℃ h=10cm

Q

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闭口系。 解：取缸内气体为热力系—闭口系。 取缸内气体为热力系 闭口系 分析：突然取走100kg负载，气体失

去平衡， 分析：突然取走100kg负载，气体失去平衡，振 100kg负载 荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦， 荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦，但由于 非准静态，故过程不可逆， 非准静态，故过程不可逆，但仍可应用第一定 律解析式。 律解析式。 首先计算状态1 首先计算状态1及2的参数： 的参数：

p1, t1 Q

F 195 5 1 p1 = p0 + = 771×133.32 + ×98100 = 2.941×10 Pa A 100V1 = A× h = 100×10×10 6 = 10 3 m2 F2 p2 = p0 + = 1.960×105 Pa T2 = T1 A 6 4 3 V2 = A× (h + h) = (h + h) ×100×10 = (h + h) ×10 m

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