熱力學第一定律的實質就是能量守恒與轉換定律在熱現象上的應用。在工程熱力學中，熱力學第一定律主要研究熱能與機械能之間的相互轉換，它可以表述為：“熱可以變為功，功也可以變為熱，一定量的熱消滅時，必產生一定量的功，消耗了一定量的功時，必出現與之相應數量的熱。”熱力學第一定律的實質按照熱力學第一定律，熱力循環中工質接受的凈熱量應該等于工質對外界所做的凈功看，即熱力學第一定律的實質對于1kg工質而言，為【例2-1】一臺柴油機，功率為7.35kW，燃油消耗率為272.1g/(kW?h)，試求它的廢氣每小時所排出的熱量。解：按照熱力學第一定律，在熱力循環中，或即熱機所作的凈功W0等于熱機從燃料燃燒得到的熱量Q1減去廢氣放出的熱量Q2。柴油的發熱量為43961.4kJ/kg故每小時柴油機從燃料燃燒得到的熱量為轉換為機械功的熱量為所以，由廢氣排出的熱量為內能工質內部所具有的各種微觀能量，總稱為內能。它包括下面各項：（1）分子熱運動而產生的內動能（移動動能、轉動動能和分子內部的原子振動動能），它與工質的溫度有關?是溫度Ｔ的函數。（2）分子間由于相互作用力而具有的內位能，它與工質的分子間距離有關，是質量體積v的函數。（3）與分子結構有關的化學能和原子能等內部能量。內能工程熱力學中的內能指的是分子運動的動能和位能的總和，也稱為熱力學能。熱力學中總內能符號用U表示，單位為J。單位質量的工質的內能稱為比內能，用符號u表示，單位為J/kg。工質的內能決定于它的溫度和質量體積，即決定于工質所處的狀態。因此，內能也是一個狀態參數，可以表示為兩個獨立參數的函數。內能根椐狀態方程f(p，v，T)=0，上式還可寫為總能除熱力學能外，工質的總能量還包括工質在參考坐標系中作為一個整體，因有宏觀運動速度而具有動能，因有不同高度而具有位能。前一種能量稱之為內部儲存能，后兩種能量則稱之為外部儲存能。我們把內部儲存能和外部儲存能的總和，即熱力學能與宏觀運動動能和位能的總和，稱為工質的總儲存能，簡稱總能。總能若總能用E表示，動能和位能分別用Ｅk和Ｅp表示，則若工質質量為m，速度為cf，在重力場中的高度為z，則宏觀動能為重力位能為式中：cf、z—力學參數，它們只取決于工質在參考系

中的速度和高度。總能工質的總能可寫成1kg工質的總能，即比總能，可寫為熱力學第一定律是熱力學的基本定律，它適用于一切熱力過程，是工程上進行熱力分析和熱工計算的主要基礎。當用于分析實際問題時，需要將它表示為數學解析式，即根椐能量守恒原則。列出參與過程的各種能量之間的數量關系，這種關系式也稱為能量平衡方程式。對于任何系統，各項能量之間的平衡關系可一般表示為：取封閉在活塞汽缸中的工質為研究對象，即圖2-1中虛線(界面)所包圍的閉口系。現設汽缸內有1kg工質，當工質從外界吸入熱量q后，從狀態1膨脹到狀態2并對外界做功w。由于是閉口系統，工質質量恒定不變，系統同外界只有熱量和功的交換而無物質交換；若忽略工質的宏觀動能和位能，則工質的儲存能即為內能。閉口系統的能量方程閉口系統的能量方程根椐式(2-3)，對，1kg工質，進入系統的能量為q離開系統的能量為w系統能量的增加則是Δu，于是閉口系統的能量方程對mkg工質，可寫為對微元過程，可寫為以上三式都可稱為閉口系統熱力學第一定律解析式。能量方程中的熱量、功量、內能的變化量都是代數值。根椐熱功轉換的實際情況，可為正值、零或負值。工程上統一規定：吸熱為正，做膨脹功為正，內能增加為正；反之為負。同時，在使用能量方程時應注意單位的一致性。閉口系統的能量方程如果過程是可逆的，則單位質量工質所做的膨脹功可用

這一通式表示。故閉口系統熱力學第一定律解析式又可寫為閉口系統的能量方程對mkg工質，可寫為對微元過程，可寫為以上三式僅適用于可逆過程。【例2-2】設有一定量氣體在汽缸內被壓縮，容積由1.4m3壓縮到0.9m3，過程中氣體壓力保持常數且p=100000N/m2。又設在壓縮過程中氣體的內能減少12000J，求此過程中有多少熱量被氣體吸入或放出?解：汽缸內的氣體質量不變，是閉口系統。由題意由于p是常數，故W為負值，表示氣體消耗了外界壓縮功。將ΔU和W值代入式(

2-6′)，得負號表示氣體放熱。因此本過程氣體對外界共放出熱量62000J。如圖2-2所示的一個系統，工質不斷地經由1-1截面進入系統，同時系統不停地從外界吸收熱量，并不斷地通過軸對外界輸出軸功。做功以后的工質則不斷地通過截面2-2流出系統。這樣一種工質與外界不僅有能量的交換，而且有質量交換的系統，即為開口系統。穩定流動能量方程穩定流動能量方程如果在流動過程中，熱力系統在任何截面上工質的一切參數都不隨時間而變，則稱這種流動過程為穩定流動過程。因此，要使流動達到穩定，必須滿足下列條件：（1）進出口處工質流量相等且不隨時間而變，滿足質量守恒條件。（2）系統內儲存的能量保持不變。為此，要求系統與外界交換的熱和功等一切能量不隨時間而變，滿足能量守恒條件。穩定流動能量方程如圖2-2所示，假設1kg質量的工質，在狀態1(p1，v1)時，以c1

的速度從高程為z1

的界面1-1流進系統；外界加給工質的熱量為q；同時系統與外界有功量的交換，為了與單純的容積膨脹功相區別，此處交換的功量用

wi

表示，即為流動工質對外輸出的機械功，此功稱為軸功。在高程為z2

的界面2-2處，工質的狀態為狀態2(p2，v2)，工質流出系統的速度為

c2。穩定流動能量方程隨工質帶入系統的能量為：(1)工質在流速為

c1時所具有的動能為。(２)工質在高程為z1時所具有的位能為

gz1。(３)在p1，v1狀態下工質所具有的內能為u1。(４)外界將工質推入系統所作的推動功為p1v1。穩定流動能量方程由于在截面1-1處原已充滿壓力為p1比容為v1的工質，因而欲使截面1-1前的

mkg工質(圖2-2中陰影線部分)流入熱力系統，外界必須用力F1=p1A1以克服系統內工質的阻擋把它推進來，否則工質無法流入熱力系統，此時，外界對工質作功F1l1=p1A1l1=p1V1=p1A1l1=mp1v1。當mkg的工質由熱力系統截面2-2流出時，也必須克服外界阻力p2A2，對外做功為p2A2。這部分工質在流動時所做的功稱為流動功或推動功。穩定流動能量方程隨工質帶入系統的能量為：(1)工質在流速為

c2時所具有的動能為

。(２)工質在高程為z2時所具有的位能為

gz2。(３)在p2，v2狀態下工質所具有的內能為u2。(４)外界將工質推入系統所作的推動功為p2v2。穩定流動能量方程引用能量平衡方程(2-2)，得穩定流動能量方程將上式整理后，得現將計算式中經常成組出現的量u+pv合并為一項，得到一個新的物理量h，稱為工質的焓。其定義式為穩定流動能量方程能量方程可進一步簡化為式(2-7)就稱為穩定流動能量方程式。穩定流動能量方程從式(2-2)知，u可以表示成

T和v的函數，那么焓的定義式可化成

T和v的函數，焓包括u和pv兩項，u

代表工質的內能，pv這一項代表1kg工質在流動情況下的流動功。在這四部分能量中，只有u和pv兩項取決于熱力狀態。所以，焓代表系統因流入工質而獲得的能量中取決于工質熱力狀態的那部分能量。因此，焓可看作為隨工質轉移的能量。如果工質的動能和位能可以忽略不計，則焓就代表隨工質流動而轉移的總能量。穩定流動能量方程分析式(2-7)可以看出，方程右側的后三項是工程上直接可以利用的。工程熱力學中將后面三項之和總稱為技術功，以符號wt表示，即穩定流動能量方程代入式(2-7)得式(2-10)稱為用焓表示的熱力學第一定律解析式，又稱熱力學第一定律的第二解析式。若將膨脹功w=q-?u和焓h=u+pv代入式(2-10)得穩定流動能量方程即式(2-11)表明，工質流經熱力設備所做的技術功應等于膨脹功和推動功的代數和。對可逆過程你，如圖2-3所示，p-v圖中連續曲線1—2，

則穩定流動能量方程由式(2-12)可見，若

dp

為負，即過程中工質的壓力是降低的，則技術功為正，此時工質對機器做功。反之，若dp正，則過程中工質的壓力是升高的，則技術功為負，此時機器對工質做功。蒸汽機、蒸汽輪機和燃氣輪機屬于前一種情況，活塞式壓氣機和葉輪式壓氣機屬于后一種情況。穩定流動能量方程對可逆的微元過程，熱力學第一定律的第二解析式可表示為穩定流動能量方程在一般的情況下，兩處工質的流動動能的變化和重力位能的變化可以忽略不計，則式(2-9)可以寫成式(2-13)表明在不計工質進口、出口動能的變化及重力位能的變化的情況下，工質所做的技術功表現為熱力設備所輸出的軸功。圖2-2也可用來研究工質的不穩定流動。圖中用虛線圍起來的部分表示所劃定的控制容積，以CV表示。設在一段極短的時間

dτ

內，進入控制容器的質量為δm1，離開控制容積的質量為δm2。開口系統的能量方程在進口截面1—1處，隨質量為δm1的工質進入系統的能量為e1

δm1，從后面獲得的推動功為p1v1δm1。在出口截面2—2處，隨質量為δm2的工質離開系統的能量為

e2δm2，對外界所做出的推動功為p2v2δm2。開口系統的能量方程又設在dτ時間內系統經分界面從外界吸收了微小的熱量δQ，工質對外界做出了微小的功δwi，控制容積內總儲存能量的變化為dEcv。對該控制容積引用能量方程式(2-3)，則得開口系統的能量方程開口系統的能量方程將h=u+pv

和e=u+c2/2+gz帶入上式并整理，得式(2-15)就稱為開口系統能量方程的一般表達式。對蒸汽輪機、燃氣輪機等熱力發動機，如圖2-4所示。取1-1和2-2截面間的流體作熱力系統。氣流通過發動機時，壓力降低，對外做功。外界并未給工質加熱，而工質向外界散熱很小，動能差和位能差也很小，相對于wi可略去不計。熱力發動機穩定流動能量方程式用于蒸汽機和燃氣輪機時就簡化為熱力發動機即每kg工質流經熱力發動機時，所做的軸功等于它的焓降，這時的軸功就是技術功。噴管是一種特殊的短管，氣流經過噴管后，壓力下降，速度增加。如圖示2-5所示，取進出口截面1、2間的流體作熱力系統來分析噴管中氣體作穩定流動時的能量轉換情況。噴管因氣流迅速流過噴管，散熱損失很小，可認為q=0；由于是管內流動，無轉動機械，氣體流過噴管時對外無功輸出，wi=0，同時，進、出口重力位能差也可忽略不計，g(z2=z1)≈0。噴管穩定流動能量方程可簡化為噴管即工質流經熱交換器時，和外界有熱量交換而不做功，故wi＝0，位能差和動能差很小可忽略不計，即g(z2－z1)≈0，1/2(c22-c12)≈0，因此，穩定流動能量方程簡化為q=h2-h1 (2-18)可見，工質在熱交換器中吸入的熱量等于其焓的增量。熱交換器工質流經泵和風機時消耗外功而使工質壓力增加，外界對工質做功(-Wi)。一般情況下，進、出口動能之差可忽略，即(c22-c12)/2≈0，g(z2－z1)≈0，

而對外散熱也很小，可以忽略，即q≈0，因此，穩定流動動能方程式簡化為-wi=h2-h1

(2-19)即工質在泵和風