第二章熱力學(xué)第一定律描述熱力系能量收支平衡關(guān)系的定律能量收入－能量支出＝系統(tǒng)儲存能量的變化描述為(2-1)回顧能量守恒定律：一切物質(zhì)具有能量，能量有各種不同的形式，它既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另外一個系統(tǒng)。在能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量保持不變。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱工上的應(yīng)用，是描述熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換之守恒關(guān)系的定律。熱力學(xué)第一定律可表述為：“第一類永動機是不可能造成的。”2-1狀態(tài)參數(shù)內(nèi)能定義：以一定方式儲存于熱力系內(nèi)部的各種微觀能量。包括大量分子熱運動的內(nèi)動能和分子間相互作用形成的分子位能。用符號“U”表示；單位是“J”(1)內(nèi)動能：工質(zhì)內(nèi)部粒子的熱運動所具有的動能稱為內(nèi)動能，它包括分子的移動動能、轉(zhuǎn)動動能和分子內(nèi)部原子的振動動能，用符號“UKE”表示。內(nèi)動能只是溫度T的函數(shù)，(2)內(nèi)位能：分子間由于相互作用力的存在而具有的能量，稱為內(nèi)位能。用符號“UPE”表示，內(nèi)位能與工質(zhì)的比容有關(guān)；熱力系的內(nèi)能是其工質(zhì)分子動能和位能的總和，

（2-2）上式表明：系統(tǒng)（氣體工質(zhì)）的內(nèi)能是其溫度和比容的函數(shù)；內(nèi)能是尺度量，具有可加性。單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能稱為比內(nèi)能（簡稱內(nèi)能），用符號“u”表示，單位是J/kg。2-1-2熱力系統(tǒng)總能包括內(nèi)部儲存能（內(nèi)能）和外部儲存能（宏觀動能和勢能），用符號“E”表示。E可記為單位質(zhì)量的總能稱為比總能，用符號“e”表示。(2-3)(2-4)2-2能量的傳遞和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與外界交換的能量形式包括有熱量、功量和伴隨物質(zhì)流傳遞的能量等。熱能轉(zhuǎn)化為機械能的過程包括（1）能量轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過程和（2）單純的機械能過程。2-2-1功量熱力系與外界發(fā)生功的作用有多種形式，包括容積功、軸功、推擠功、流動功等。容積功。通過工質(zhì)的容積變化而傳遞的機械能，包括膨脹功和壓縮功。注意：膨脹過程中，dv>0，w>0，系統(tǒng)對外作功；但dv>0

僅是w>0的必要條件，而非充要條件。(b)軸功。通過軸與外界交換的機械能。一般用符號“Wsh

”表示。注意：剛性閉口系統(tǒng)無法向外輸出軸功，僅可有軸功的輸入（通過能量轉(zhuǎn)換或機械能的直接傳遞）。(c)推擠功。推動流體通過控制體界面而傳遞的機械功（為把工質(zhì)移入具有一定壓力的熱力系所需克服和消耗的能量）。（例：考察垂直氣缸中活塞移動z距離的做功）

的工質(zhì)，在壓力的作用下，移動了距離，則外界對工質(zhì)的推動功為11式中的代表管道的截面積(d)流動功。流動過程中，系統(tǒng)與外界由于物質(zhì)的進出而傳遞的機械功，為推擠功之差，用Wf

表示。或2-2-2焓定義：或可見，焓是一個表示能量的狀態(tài)參數(shù)。對于開口系統(tǒng)，焓表示了隨物質(zhì)一起轉(zhuǎn)移的能量。(2-5)2-3

熱力學(xué)定律的基本能量方程式2-3-1循環(huán)過程熱力學(xué)第一定律的表達式焦耳定律：如果熱力系經(jīng)過一循環(huán)過程后回到原態(tài)。那么，在整個循環(huán)中，系統(tǒng)從外界吸收（或放出）的熱量等于其對外完成（或獲得）的功量。SI值中，可表述為一般可寫為閉口系統(tǒng)循環(huán)過程熱力學(xué)第一定律的表達式。(2-6)2-3-2閉口系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律取氣缸活塞系統(tǒng)中的工質(zhì)為研究對象設(shè)進入系統(tǒng)的能量為Q，離開系統(tǒng)的能量為W，而系統(tǒng)存儲能變化為

U＝U2-U1。則有改寫為(2-7)對于單位工質(zhì)，有對于微元過程，有或式(2-6)

(2-9)為閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律表達式。對于準(zhǔn)靜過程，由于因此有式(2-10)

(2-12)適用于準(zhǔn)靜熱力過程。(2-8)(2-9-a)(2-9-b)(2-10)(2-11)(2-12)

>0，表示熱源對系統(tǒng)加熱，系統(tǒng)吸熱

<0，表示系統(tǒng)向熱源放熱；系統(tǒng)放熱

>0，表示系統(tǒng)內(nèi)能增加，

<0，表示系統(tǒng)內(nèi)能減少；

>0，表示系統(tǒng)對外作功，

<0，表示功源對系統(tǒng)用功。注意，在應(yīng)用上述公式時由于得于是記為或例題2-1：試由閉口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律導(dǎo)出閉系循環(huán)過程能量守恒定律。(2-13-a)(2-13-b)2-4

開口系統(tǒng)能量方程式開口系統(tǒng)內(nèi)既有質(zhì)量變化，又有能量變化，控制體內(nèi)應(yīng)同時滿足質(zhì)量守恒與能量守恒關(guān)系。考察以下開口系統(tǒng)1122從1-1’界面進入控制體流體的質(zhì)量為；從2-2’界面進入控制體流體的質(zhì)量為；系統(tǒng)從外界吸熱，對外輸出軸功。則系統(tǒng)的能量收支情況為（1）獲得能量（2）失去能量（3）在＋d時間內(nèi)，系統(tǒng)儲存能改變量由能量守恒關(guān)系于是有整理后，得式（2-14）為熱力學(xué)第一定律的普遍關(guān)系式，雖然由開口系統(tǒng)導(dǎo)出，但同樣適用于閉口系統(tǒng)，而且也同時適用于穩(wěn)定和不穩(wěn)定流動，可逆與不可逆過程。(2-14)對于閉口系統(tǒng)，由于，則（2-14）可改寫為,即為(2-9)2-5-2穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動的概念：（1）同一時間內(nèi)進出系統(tǒng)的質(zhì)量相等；即（2）同一時間內(nèi)進出系統(tǒng)的能量相等，即（3）系統(tǒng)內(nèi)任何位置的工質(zhì)熱力狀態(tài)和流動情況不隨時間變化。根據(jù)上述定義，改寫能量方程（2-14）式為或(2-15)(2-15-b)(2-15-c)(2-15-a)式(2-15)

(2-15-c)為開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程2-5-3穩(wěn)定流動能量方程式分析

如令技術(shù)功或于是，開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流動能量式可改寫為(2-16)(2-17-a)(2-17-b)由得而于是，得即有(2-18-a)(2-18-b)對于準(zhǔn)靜過程，由于則有(2-19)技術(shù)功的物理意義：p-v圖上過程線與P軸圍成的面積。對于簡單可壓縮熱力系而言技術(shù)功＝容積功－流動功pv1234由得(2-20)結(jié)合（2-17），有或(2-21-a)或(2-21-b)式（2-21）稱為熱力學(xué)第一定律的第二解析式，適合于開口系統(tǒng)的任意過程，及任意工質(zhì)。外界對系統(tǒng)（工質(zhì)）做功，氣體受壓縮氣體膨脹，系統(tǒng)對外界做功，注意：例2-2：已知：求：Q解氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量不變=－12,000J=105×(0.9－1.4)=－50,000J=－12,000＋(－50,000)=－62,000J例2-3：已知：Q1A2=100kJ；W1A2=60kJ；

W2B1=-40kJ；求：

分析：氣體由1→A→2，內(nèi)能變量為由2→B→1，內(nèi)能變量為得12ABpv于是即kJ負號表示氣體在返回過程中放出熱量，其量為80kJ。

工質(zhì)完成一個循環(huán)后，有。

例2-4：茲有熱力循環(huán)12341，其中的熱力過程發(fā)生的能量交換情況見下圖所示，請?zhí)羁詹⒎治鲅h(huán)特性。過程Q（KJ）W（KJ）

U（KJ）1

2139002

30-3953

4-100004

10根據(jù)題意，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有由于得則而為正循環(huán)。2-5-2穩(wěn)定流動能量方程穩(wěn)定流動的概念：（1）同一時間內(nèi)進出系統(tǒng)的質(zhì)量相等；即（2）同一時間內(nèi)進出系統(tǒng)的能量相等，即（3）系統(tǒng)內(nèi)任何位置的工質(zhì)熱力狀態(tài)和流動情況不隨時間變化。根據(jù)上述定義，可改寫開口系統(tǒng)能量方程的一般表達式為或(2-15)(2-15-a)(2-15-b)(2-15-c)式(2-15)

(2-15-c)為開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程2-5-3穩(wěn)定流動能量方程式分析

如令技術(shù)功或于是，開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流動能量式可改寫為(2-16)(2-17-a)(2-17-b)由得而于是，得即有(2-18-a)(2-18-b)對于準(zhǔn)靜過程，由于則有(2-19)技術(shù)功的物理意義：p-v圖上過程線與P軸圍成的面積。對于簡單可壓縮熱力系而言技術(shù)功＝容積功－流動功pv1234由得(2-20)結(jié)合（2-17），有或(2-21-a)或(2-21-b)式（2-21）稱為熱力學(xué)第一定律的第二解析式，適合于開口系統(tǒng)的任意過程，及任意工質(zhì)。外界對系統(tǒng)（工質(zhì)）做功，氣體受壓縮氣體膨脹，系統(tǒng)對外界做功，注意：2-6穩(wěn)定流動能量方程式的應(yīng)用2-6-1熱力發(fā)動機

包括內(nèi)燃機、蒸汽機、燃氣輪機、蒸汽輪機等。過程特點：；；則由開口系統(tǒng)能量方程式即：熱力發(fā)動機利用工質(zhì)在及其中的膨脹來獲得機械功，其對外輸出的凈功等于進出口的焓降h1h2wt2-6-2沖擊式輪機葉輪特征：汽流沖擊氣輪機葉輪上的動葉柵，推動輪子轉(zhuǎn)動，帶動機械軸做功；過程特點：；；則由開口系統(tǒng)能量方程式即：氣流的宏觀動能差轉(zhuǎn)化為對外軸功，單純的機械功轉(zhuǎn)換。wth1h22-6-3泵與壓氣機

消耗外功使工質(zhì)升壓的設(shè)備。通常的壓氣機有活塞式、回轉(zhuǎn)式、軸流式、離心式等類型。

即：工質(zhì)在壓氣機中被壓縮時，外界對它作的功全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)焓的增加量。

過程特點：；；則由開口系統(tǒng)能量方程式，可得2-6-4．換熱器包括冷凝器、蒸發(fā)器、回?zé)崞骱驮贌崞鞯取崃^程特點：；；于是，由開口系統(tǒng)能量方程式可得即：工質(zhì)與外界交換的熱量主要用于改變其的焓值。h1h2q1h1h2c1c22-6-5噴管

噴管是使流體加速的設(shè)備，是一個用來獲得高速氣流的管道。熱力過程特點：；；于是，由開口系統(tǒng)能量方程式，得即：工質(zhì)的焓降用于增加其自身動能。若工質(zhì)的流動過程是準(zhǔn)靜態(tài)，則還有2-6-6節(jié)流裝置

工質(zhì)在管內(nèi)流過一收縮截面時，產(chǎn)生阻力，壓力降低，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流。節(jié)流是一個改變工質(zhì)流量及流動狀態(tài)的熱力過程。節(jié)流過程特點：；；；因此，由開口系統(tǒng)能量方程式，可得即上式表明，節(jié)流前后工質(zhì)的焓值保持不變例1：活塞m=10kg，面積A＝10cm2，活塞上部與大氣相通，氣缸內(nèi)氣體初始容積V1=40cm3，P1=1MPa，氣缸總?cè)莘eV=80cm3。問：若氣體受熱膨脹，活塞在氣缸中無摩擦上升，則活塞離開氣缸時的速度為多少？假設(shè)氣體上升過程中溫度保持不變。分析：氣體在膨脹過程中，通過氣缸對外界做功量為此功用于（1）克服大氣壓力做功；（2）增加活塞動能；（3）增加活塞勢能。即而開始時活塞被固定，初始速度為0則例2：新汽進入汽輪機，已知進口參數(shù)：=3232kJ/kg=50m/s=2302kJ/kg=120m/s每小時蒸汽流量m=104kg/h求:(1)每千克蒸汽對外界所做的功Wsh；（2）若忽略進出口動能差，估計wsh產(chǎn)生的誤差；（3）求功率N解：根據(jù)開口系統(tǒng)能量方程根據(jù)題意，，乏汽出口參數(shù)：

=930－5.95=924.05kJ/kg工質(zhì)每小時作功