第二章

熱力學第一定律

firstlawofthermodynamics§

2–1熱力學第一定律的實質一.第一定律的實質：能量守恒與轉換定律在熱現象中的應用。二.第一定律的表述：

熱是能的一種，機械能變熱能，或熱能變機械能的時候，他們之間的比值是一定的。或：熱可以變為功，功也可以變為熱；一定量的熱消失時必定產生相應量的功；消耗一定量的功時，必出現與之相應量的熱。§2–2熱力學能（內能）和總能一.熱力學能(internalenergy)UchUnuUthUkE平移動能轉動動能振動動能UpE—二.總（儲存）能(totalstoredenergyofsystem)總能熱力學能，內部儲存能宏觀動能宏觀位能外部儲存能三.熱力學能是狀態參數

測量p，V，T可求出四.熱力學能單位

五.工程中關心的是∴根據分子運動學說，熱力學能是熱力狀態的單值函數，與達到這一狀態的路徑無關。§2–3熱力學第一定律基本表達式

加入系統的能量總和—熱力系統輸出的能量總和=熱力系總儲存能的增量流入：流出：內部貯能的增量：dEEE+dE或EE+dE§2–4閉口系基本能量方程式據

對閉口系，

忽略宏觀動能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—熱功的基本表達式討論：

1）對于可逆過程2）對于循環3）對于定量工質吸熱與升溫關系，還取決于W的“+”，“–”，大小。說明：1)Q、⊿U、W代數值，工質吸熱、熱力學能增加和對外作功取”+”，否則取“－”。2)普遍適應：可逆與不可逆；理想與實際氣體，只要求初、終是平衡狀態。

例

自由膨脹如圖，解：取氣體為熱力系—閉口系？開口系？強調：功是通過邊界傳遞的能量。抽去隔板，求?如圖，氣缸內充以空氣，活塞及負載195kg，缸壁充分導熱，取走100kg負載，待平衡后，求：（1）活塞上升的高度（2）氣體在過程中作的功，已知例題一解：取缸內氣體為熱力系—閉口系。首先計算狀態1及2的參數：分析：突然取走100kg負載，氣體失去平衡，振蕩后最終建立新的平衡。雖不計摩擦，但由于非準靜態，故過程不可逆，但仍可應用第一定律解析式。過程中質量m不變據由于m2=m1

？不可逆外力注意：活塞及其上重物位能增加向上移動了5cm，因此體系對外力作功且T2=T1如圖，已知活塞與氣缸無摩擦，初始時p1=pb，t1=27℃緩緩加熱，使若m=0.1kg，缸徑=0.4m，空氣求：過程加熱量Q例題二A解：據題意可以求出；W彈W斥18從已知條件逐步推向目標從目標反過來缺什么補什么4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數著手§2–5開口系能量方程一、推動功(flowwork;flowenergy)和流動功(flowwork;flowenergy)特點：1）傳遞推動功時沒有熱力狀態和能量形態的變化。2）推動功只有在工質移動位置時才存在。vpp1v11推動功：在開口系統中工質流動而傳遞的功量。流動功：系統維持流動

所花費的代價。

推動功在p-v圖上：二、焓(enthalpy)定義：H=U+pV

h=u+pv單位：J（kJ）

J/kg（kJ/kg）焓是狀態參數物理意義：

引進或排出工質而輸入或排出系統的總能量。三、穩定流動能量方程

(steady-flow

energy

equation)

穩定流動特征：注意：區分各截面間參數可不同。1）各截面上參數不隨時間變化。2）ΔECV=0，

ΔSCV=0，

ΔmCV=0?···

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(shaftwork)z1在τ1→τ2時間流入系統的能量:流出系統的能量:系統內部儲能增量:ΔECV–=考慮到穩流特征：

ΔECV=0qm1=qm2=qm;及h=u+pv

有分析討論：1）改寫（B）為（C）熱能轉變成功部分輸出軸功流動功機械能增量（C）2）技術功(technicalwork)—由（C）技術上可資利用的功wt3)第一定律第二解析式a)通過膨脹，由熱能b)第一定律兩解析式可相互導出，但只有在開系中

能量方程才用焓。把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式

4）兩個解析式的關系功，w=q–Δu總之：四、穩定流動能量方程式的應用1.蒸汽輪機、氣輪機(steamturbine、gasturbine)

流進系統：

流出系統：內部儲能增量：02、壓氣機，水泵類

(compressor、pump)流入流出內增03、換熱器（鍋爐、加熱器等）(heatexchanger:boiler、heater)

流入：流出：內增：0若忽略動能差、位能差4、管內流動流入：流出：內增：0討論：1）開口系問題也可用閉口系方法求解。2）注意閉口系邊界面上熱、功交換；尤其是邊界面

變形時需考慮功的交換。3）例中若有無摩擦及充分導熱的活塞，結果如何？