1、第二章熱力學第一定律本章的基本要求q深入理解熱力學第一定律的實質，熟練掌握熱力學第一定律及其表達式。能夠正確、靈活地應用熱力學第一定律表達式來分析計算工程實際中的有關問題。q掌握能量、儲存能、熱力學能、遷移能的概念q掌握體積變化功、推動功、軸功和技術功的概念及計算式。q焓的定義21熱力學第一定律的實質19世紀30-40年代，邁爾焦耳（德國醫生）發現并確定了能量轉換與守恒定律。恩格斯將這列為19世紀三大發現之一（細胞學說、達爾文進化論）。能量轉換與守恒定律定律指出：一切物質都具有一切物質都具有能量。能量既不可能創造，也不能消滅，它只能在一能量。能量既不可能創造，也不能消滅，它只能在一定的條件下從

2、一種形式轉變為另一種形式。而在轉換定的條件下從一種形式轉變為另一種形式。而在轉換中，能量的總量恒定不變中，能量的總量恒定不變。至今為止，沒有一個人提出一個事實不符合這條自然規律的，相反，在各個領域：天文、地理、生物、化學、電磁光、宏觀、微觀各領域都遵循 這條規律。熱力學是研究能量及其特性的科學，它必然要遵循這條規律。熱力學第一定律是能量守恒與轉換定律在熱力學中的應用，它確定了熱力過程中各種能量在數量上的相互關系。在工程熱力學的范圍內，主要考慮熱能與機械能之間的相互轉換與守恒，因此熱力學第一定律可表述為：熱可以變為功，功也可以變為熱，在相互轉變時能的總量是不變的。根據熱力學第一定律，為了獲得機械

3、能，則必須花費熱能或其他形式能量，第一類永動機是不可能實現的。22熱力學能和總能能量是物質運動的度量，運動有各種不同的形態，相應的就有各種不同的能量。系統儲存的能量稱為儲存能，它有內部儲存能與外部儲存能之分。系統的內部儲存能即為熱力學能一、熱力學能熱力學能是儲存在系統內部的能量，它與系統內工質的內部粒子的微觀運動和粒子的空間位置有關，是下列各種能量的總和：分子熱運動形成的內動能。它是溫度的函數。分子間相互作用形成的內位能。它是比體積和溫度的函數。維持一定分子結構的化學能、原子核內部的原子能及電磁場作用下的電磁能等。熱力學能是狀態參數，是熱力狀態的單值函數：01221dUUUdUU熱力學能：符號

4、：U法定計量單位：焦耳（J）比熱力學能：（1kg物質的熱力學能）符號：u單位：J/kg二、外部儲存能需要用在系統外的參考坐標系測量的參數來表示的能量，稱為外部儲存能，它包括系統的宏觀動能和重力位能：221fkmcE mgzEp重力位能：宏觀動能：三、系統的總儲存能（簡稱總能）系統的總儲存能為系統的內部儲存能與外部儲存能之和，用E表示：mgzmcUEf2211kg工質的總能為比總能：gzcuef22123能量的傳遞與轉化一、作功與傳熱作功和傳熱是能量傳遞的兩種方式，因此功量與熱量都是系統與外界所傳遞的能量，而不是系統本身的能量，其值并不由系統的狀態確定，而是與傳遞時所經歷的具體過程有關。所以，功

5、量和熱量不是系統的狀態參數，而是與過程特征有關的過程量，稱為遷移能。作功：借作功來傳遞能量總是和物體的宏觀位移有關。作功過程中往往伴隨著能量形態的變化。傳熱：借傳熱來傳遞能量不需要物體的宏觀移動。傳熱是相互接觸的物體間存在溫差時發生的能量傳遞過程。工質在開口系統中流動而傳遞的功，叫推動功。二、推動功和流動功mpvpVlpAn在作推動功時，工質的狀態沒有改變（如圖中的C點），因此推動功不會來自系統的儲存能熱力學能，而是系統以外的物質，這樣的物質稱為外部功源。n工質在傳遞推動功時只是單純地傳遞能量，像傳輸帶一樣，能量的形態不發生變化。工質在流動時，總是從后面獲得推動功，而對前面作出推動功，進出系統

6、的推動功之差稱為流動功（也是系統為維持工質流動所需的功）。)()(11221122pvvpvpwpVVpVpWff工質從進口到出口，從狀態1膨脹到狀態2，膨脹為為w ，在不計工質的動能與位能變化時，開系與外界交換的功量應為膨脹功與流動功之差w - ( pv )24焓一、焓的定義： pvuhpVUH焓的單位：J，比焓的單位：J/kg二、焓是狀態參數0),(),(),(12212121dhhhdhhhvTfhTpfhvpfhba三、焓的意義：焓是物質進出開口系統時帶入或帶出的熱力學能與推動功之和，是隨物質一起轉移的能量。焓是一種宏觀存在的狀態參數，不僅在開口系統中出現，而且在分析閉口系統時，它同樣

7、存在。25熱力學第一定律的基本能量方程式熱力學第一定律的能量方程式就是系統變化過程中的能量平衡方程式，任何系統、任何過程均可根據以下原則建立能量方程式：進入系統的能量離開系統的能量系統中儲存能量的增加一、閉口系統的能量方程閉口系統的能量方程是熱力學第一定律在控制質量系統中的具體應用，是熱力學第一定律的基本能量方程式。設閉系中工質從外界吸熱Q后，從狀態1變化到狀態2，同時對外作功W，則：EEEWQ12WEQ此式就是閉口系的能量方程式。對于控制質量閉口系來說，常見的情況在狀態變化過程中，系統的宏觀動能與位能的變化為零，或可以忽略不計，因此更見的閉口系的能量方程是：WUQ若閉口系經過一個微元過程，則

8、能量方程為微分形式：WdUQ對于1kg工質，能量方程式為：wduqwuq對于循環：WQdUWdUQ0以上各能量方程式適用于閉系各種過程（可逆或不可逆）及各種工質（理想氣體、實際氣體或液體）閉系能量方程總結：WUQWdUQwduqwuqm kg工質經過有限過程m kg工質經過微元過程1 kg工質經過有限過程1 kg工質經過微元過程二、閉系能量方程的應用v例題21一個裝有2kg工質的閉口系經歷了如下過程：過程中系統散熱25kJ，外界對系統做功100KJ，比熱力學能減小15KJ/kg，并且整個系統被舉高1000m。試確定過程中系統動能的變化。v例題22如圖所示活塞面積A為4cm2，體積為20cm3的

9、氣缸內充滿壓力為0.1MPa、溫度20C的空氣，彈簧剛度系數k為100N/cm，初始時彈簧未變形。緩慢地對空氣加熱，求當空氣壓力增加到表壓力為0.2MPa時共需加入多少熱量。 （大氣壓力p0=0.1MPa ，u=0.707 T KJ/Kg，且滿足狀態方程PV=mRgT）26開口系統能量方程式實際熱力設備中實施的能量轉換往往是工質在熱力裝置中循環不斷地流經各相互銜接的熱力設備，完成不同的熱力過程后才能實現能量轉換。因此分析這類熱力設備時，常采用開口系即控制容積的分析方法。工質在設備內流動時，在同一截面上參數近似地看作是均勻的。并認為同一截面上各點流速一致。一、開口系能量方程有m1的微元工質流入進

10、口截面11，有m2的微元工質流出出口截面22系統從外界接受熱量Q系統對機器作內部功Win圖中的開口系在 dt 時間內進行了一個微元過程：Wi表示工質在機器內部對機器所作的功，而軸功Ws為Wi的有用功部分，兩者的差為機器各部分的摩擦損失。 進入系統的能量 離開系統的能量 控制容積系統儲存能量的增加量QdVpdE111CVidEWdVpdEQdVpdE)()(222111iCVWdVpdEdVpdEdEQ)()(111222CVdEiWdVpdE222進入系統的能量離開系統的能量系統儲存能量的增加量iffCVWmgzchmgzchdEQ112112222222此式為開口系能量方程的一般表達式pvu

11、hgzcuemvVmeEf,21,2iiininfjoutoutfCVWmgzchmgzchdEQ2222 進、出系統的工質有若干股，則方程為：n開口系能量方程的其他形式：為內部功率為質量流率為熱流率其中，imiinminfjoutmoutfCVdqdPqgzchqgzchddEPmQ22,2,2ttt以流率表示的開口系能量方程：二、穩定流動能量方程所謂穩定流動穩定流動，即流動過程中開口系內部及其邊界上各點工質的熱力參數及運動參數都不隨時間而變。mmmCVqqqddE21, 0t能量方程則可寫成：ifwzgchq221此方程為流過開口系1kg流體的穩定流動的能量方程。ifwgdzdcdhq22

12、1其微分形式為：若流過開口系m kg流體的穩定流動的能量方程及其微分形式為：ifWzmgcmHQ221ifWmgdzmdcdHQ221三、穩定流動能量方程式的分析ifwzgchq221此三項為機械能，是技術上可資利用的功，稱為技術功，用表示twtwhq)()(pvwpvuqhqwt21212121)()(vdppvdpdvpvpdvwt 對于可逆過程： 微分形式：vdpwt以技術功的形式表達穩定流能量方程ttttWdHQWHQwdhqwhqVdpdHQVdpHQvdpdhqvdphq2121一般形式過程可逆思考題q開口系實施穩定流動過程，是否同時滿足下列三式：iftWmgdzmdcdHQWdH

13、QWdUQ22127能量方程式的應用一、開口系穩定流能量方程在幾種常見熱力設備中的應用動力機tiwhhw21壓氣機換熱器ticwhhww1212hhq管通節流212122)(21hhccff21hh v某燃氣輪機裝置如圖所示，已知壓氣機進口處空氣的比焓h1為290kJ/kg。經壓縮后空氣升溫使比焓增為h2=580kJ/kg，在截面2處空氣和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，使工質吸入熱量q=670kJ/kg。燃燒后燃氣進入噴管絕熱膨脹到狀態3，h3=800kJ/kg，流速增加到cf3，此燃氣進入動葉片，推動轉輪回轉作功。若燃氣在動葉片中的熱力狀態不變，最后離開燃氣輪機的速度cf4=100m/s，求：若空氣流量為100kg/s，壓氣機消耗的功率為多少？若燃氣的發熱值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量為多少？燃氣噴管出口處的流速是多少？燃氣輪機的功率為多少？燃氣輪機裝置的總功率為多少？二、一般開口系能量方程的應用充氣問題在充、放氣過程中，容器內氣體的狀態隨時間在不斷變化，但在每一瞬間可以認為整個容器內各處的參數是一致的。另外在充氣過程中，雖然流動情況隨時間變化，但可認為通過容器邊界進入容器的氣體進口狀態不隨時間變化，這種充氣