熱力學第一定律是熱力學的基本定律。實質上它就是普遍的能量守恒和轉換定律應用于熱現象的一種表述形式。它闡明了熱能和其它能量形態轉換中能量守恒的原理。根據能量守恒和轉換定律建立的閉口系統能量方程式、開口系統能量方程式及穩定流動能量方程式，就是熱力學第一定律的數學表達式，說明：自然界中物質所具有的能量，既不能創造也不能消滅，而只能從一種能量形態轉換為另一種能量形態，轉換中能量的總量守恒。這是長期以來人們生產實踐經驗的總結，而不是從任何其它的定律導出的，而且在生產和科學的實踐中，它還在不斷地得熱力學第一定律就是能量守恒及轉換定律用于熱能和其它能量形態轉換關系時的表述。它說明：熱能作為一種能量形態，可以和其它能量形態相互轉換，轉換中能量的總量守恒。在各種能量轉換中，熱能和機械能的轉換在人類生產的歷史上始終受到極大的關注，而那種企圖不消耗能量而獲取機械動力的所謂第一類永動機，都不可避免地歸于失敗，因而熱力學第一定律也常表述實際上，所有熱能動力裝置，或稱熱機，都必須利用燒所獲得的熱能來產生機械能。如前所述，在熱機中，熱能和機械能的轉換是通過適當的熱力循環而實現的。在進行一個熱力循環時，工質從外界接受一定的凈熱量，同時工質對外輸出一定的凈功。當然，在經歷一個熱力循環后，工質又回復到初始狀態，所以工質本身沒有發生改變。因而根據熱力學第一定律，熱力循環中，工質作為一個熱力學系統，它所接受的凈熱量應該等于對熱量和功的單位為焦耳，單位符號為J，因其單位量較小，故工程上常用千焦耳為單位，單位符號為kJ。單位時間所作的功稱為功率，其單位為瓦，單位符號為W。工程上則常用kW(千瓦)及MW(兆瓦)為單位。也曾采用過其它一些單位，本書附表10中列例2-1一臺10kW的柴油機，耗油量為每小時2kg。試求其廢氣及冷冷卻水帶走的熱量為Q2，每小時柴油機所作的功為W0。由熱力學第一定于是可得廢氣和冷卻水每小時所帶走熱量的數值Q2為熱力學第一定律的能量方程式是熱力學中最基本的方程式之一。它不僅是對熱力學系統進行能量分析的重要關系式，同時也是分析熱力學系統狀態參數變化關系的重要手段。它根據熱力學第一定律的能量守恒關系，集中反映了熱力過程中熱力學系統與系統內部各種形式能量的總和稱為系統的熱力學能(以前稱熱力學能是由系統熱力學狀態確定的系統本身的能量，是個狀態參數。按照氣體分子運動學說，氣體的熱力學能就是氣體分子和原子的動能和位能。其中分子的移動動能和轉動動能加上原子的振動動能組成氣體的內部動能，而氣體分子間的作用力形成的分子間的位能組成氣體的內部位能。這就是氣體熱力學能的微觀圖象。顯然，氣體內部動能僅和氣體的溫度有關，而氣體的內部位能主要和氣體的比體積有關。當氣體的溫度和比體積一定時，熱力學能即有確定的數值，因而氣體的熱力學能是一個狀態若系統中工質的質量為m，總熱力學能為U，則1kg工質的1(p,v)，u=u2(v,T)，u=u3(p,T)熱力學能的單位為J或kJ，比熱力學能的單位為J/kg一般來說系統的總能量E除了由系統熱力學狀態確定的系統本身的能量，即熱力學能U外，還包括由系統整體力學狀態確定對于一個閉口系統來說，熱力過程中它和外界間的能量交換，只限于通過邊界傳遞熱量Q和功W。在此同時，由于系統的狀態發生變化，系統本身的能量也有變化。一般情況下，閉口系統不作整體位移，Ek與Ep的變化均為零。對于這身的能量E中，只有熱力學能U可能發生變化。于是根據熱力學第一定律的能量守恒原理，在微元熱力過程中系統的能量平衡可上述四個公式稱為閉口系統能量方程式。它們說明：閉口系統在熱力過程中從外界接受的熱量，一部分用于增加系統的熱力學上述公式中各項的正負號規定為：系統吸熱為正，放熱為在導出上述公式時，沒有對過程進行的條件作任何規定，故公式既可用于準靜態過程，也可用于非準靜態過程。但在用于非準靜態過程時，為了能確定初始狀態及終了狀態下系統的熱力學對外界所作的容積變化功可以用pdv的形式表示，于是上述式(2-在應用上述能量方程式時，必須注意適用的條例2-2在內燃機的壓縮過程中，氣體的熱力學能增加了370J，過程中Q1-2＝(U2－U1)＋W1-2W1-2＝Q1-2－(U2－U1)＝(－20J)－370W1-2為負值表示系統受壓縮接受外界的功，即壓縮氣體消2-3開口系統能量方程式許多能量轉換裝置工作時不斷有工質流過設備。分析這類裝置時，常采用開口系統即控制體的分析方法。圖2-1a、b所示分別為τ0和τ0+dτ兩時刻的開口系統。在dτ時間內系統進行的一個微元過程中，質量為δm1的微元工質經進口截面1-1流入，而質量為δm2的微元工質經截面2-2流出；同時系統從外界接受熱若采用單位時間流過的質量即質量流量用qm表示，質量流量qm的單位為kg/s，因微元過程經歷的時間間隔為dτ,于是上式可式中qm1及qm2分別為進、出口截面處工質的流量。該式稱為連續性方程式，它說明單位時間內開口系統中工質質量增加的數量根據熱力學第一定律，開口系統中總能量的增加來源于兩部分，一部分是系統由外界接受的熱量與系統對外作功兩者之差的凈能量；另一部分是流入和流出系統的工質所帶入系統的凈能開口系統和外界間所傳遞的功由以下兩部分組成：開口系統和外界間，通過進出口界面以外的邊界(一般為機器軸)所傳遞的如圖2-2所示，在進口截面有δm1的微元工質流入系統，則外界推動該微同樣，在出口截面處，系統為推動微元工質δm2流出系統消耗的推動功為p2v2δm2。于是開口系統對外若開口系統進、出口處1kg工質的總能量分別為e1及e2，則當微元工質δm1流入系統時帶入的能量為e1δm1，而微元工質2流出系統時帶出系統的能量為e2δm2。于是，微元過程中流2按式(2-2)有E＝U＋Ek＋Ep，而按力學原理，當工質的流速為cf為系統所作軸功的功率。上兩式稱為開口系統的能量方程式，它2-4穩定狀態穩定流動能量方程式一般能量轉換裝置經常是在穩定條件下工作的。例如蒸汽動力裝置或燃氣動力裝置經常需保持穩定的輸出功率；壓氣機輸出的壓縮氣體經常需保持穩定的狀態及流量；制冷裝置從冷藏庫吸熱的功率經常需保持穩定數值等。在這種穩定工況下，系統所進行的能量轉換過程維持穩定，不隨時間而變。對于一個開口系統來說，這時除了系統和外界間傳遞的熱量和功量保持穩定不變外，在系統內各處及進口、出口截面處，工質的熱力學狀態和流速、流量均保持不變。這種過程稱為穩定狀態穩定流動過程，或在穩定流動過程中，因開口系統內各處的狀態保持穩定，故系統又因進、出口處工質的質量流量qm1、qm2以及系統內的質量流量qm均保持穩定，于是可得到穩定流動過程的連續性方程式為qm1＝qm2＝qm＝常量(2-7)該式說明：穩定流動過程中，工質始終穩定地以一定的流量經過根據開口系統的能量方程式(2-6a)，在穩m[(u2-u1)＋(p2v2－p1v1)按每1kg工質流過開口系統時的能量平衡關系來表示穩定流動能上述兩式說明：穩定流動過程中，系統接受的熱量，一部分用于對外輸出軸功及凈推動功，另一部分則用于使流過系統的工質增穩定流動能量方程式可應用于任何穩定流動過程，甚至對于連續工作的周期性動作的能量轉換裝置，只要在平均單位時間所作的軸功、吸熱量以及工質的平均流量為常量，雖然它內部工質的狀態及流動情況是變化的，但這種周期性的變化規律不隨時間而變，所以仍然可以利用穩定流動能量方程式分析其能量轉換關開口系統的熱力學分析中經常遇到u＋pv這個量。由于p、v及u都是狀態參數，故u＋pv這個量也是狀態參數，并可用h表h為1kg工質的焓，稱為比焓(質量焓)，習慣上有時也常稱為式中，H是質量為m(kg)的工質的焓，焓是狀態參數，因此它也可表示為任意兩個獨立狀態參數的對于流動工質來說，如前所述，pv表示用于推動工質流動的推動功，它總是伴隨著工質流動而一起進入或離開系統。當然，流動工質本身具有工質內部儲存的熱力學能。因此由流動工質的熱力學能及促使工質流動的推動功兩者所組成的焓，可認為是流焓并不能看作是工質儲存的能量。由圖2-3所示系統可以看出。當有微元工質δm進入該開口系統時，帶入系統的能量有微元工質的熱力學能uδm及外界所作的推動功pvδm。系統中能量的變化為熱力學能增加了dU0。因而按照熱力學第一定律，該這就是說，微元工質帶入系統的焓，轉換為系統工質的熱力學能而儲存于系統。反之，若有微元工質離開系統，則微元工質所帶走的焓，也將由系統工質的熱力學能轉換而成。因此，熱力學能是工質內部儲存能量的唯一形式，而焓則是隨工質流動跨越邊界根據能量方程式(2-4b)，對于無耗散的準該式普遍適用于各種無耗散的準靜態過程，是熱力學第一定律能在穩定流動的情況下，開口系統和外界間傳遞的軸功保持穩定，不隨時間而變。根據穩定流動能量方程式，可以得到軸功與先通過工質容積膨脹而以容積變化功的形式轉換為機械能的。如把此式代入式(2-10)，便可得穩定流動過程中工質狀態變化為無-g(z2－z1)(2-10a)該式說明：穩定流動過程中開口系統所作軸功，是工質受熱而得到的相當于容積變化功的機械能，在扣除了推動工質流動的凈推等式右側負號說明當壓力增高即dp為正時技術功為負，即外界對開口系統作技術功。反之，壓力降低即dp為負時技術功為正，系在p-v圖上，-vdp也如pdv一樣可用圖上的面積表示。如圖2-4所示，在過程線1-2上任取一微段a-b，可以認為該微段曲線a-b左側的陰影面積即等于－vdp；并按照積分關系可知，曲線1-2左側的面積等于-vd在許多情況下，能量轉換設備的進口和出口的離地高度相差不大，兩處工質的流速也較相近，所以進、出口工質的流動動能及重力位能的變化可以忽略不計。于是，由式(2-12-6穩定流動能量方程式應用舉例這類設備的主要任務是傳遞熱量，如鍋爐、燃燒室、太陽能集熱器、空氣加熱器、熱水器、冷卻器及散熱器等各種熱交換器都屬此類，其示意圖如圖2-5所示。它們ws1即系統接受的熱量等于工質的焓的增量，反渦輪機中工質膨脹而輸出軸功；壓氣機中消耗軸功壓縮工質，其示意圖如圖2-6所示。它，Z21即在渦輪機中依靠工質的焓降而噴管中工質降壓膨脹而獲得高速，其示意圖如圖2-7所示。工質流過管道中截面突然縮小的部分而發生壓力降低的現象稱為絕熱節流，其示意圖如圖2-8所示。這種流動的其空氣消耗量qm,a＝100kg/s。壓氣機入口空氣的焓h1＝290kJ/kg，出口的壓縮空=580kJ/kg；在燃燒室中壓縮空氣和燃料混合燃燒，燃燒生成的高溫燃氣的焓h3＝1250kJ/kg；高溫燃氣送入渦輪機中膨脹作功，作功后排出廢氣的焓h4＝780kJ/kg。試求：(1)壓氣機消耗的功率；(2)燃料的發熱量為43960kJ/kg時的燃料消耗量；(3)(2)若忽略燃料的質量，而按燃氣和空氣的流量相同計算，則加熱1kg(4)燃氣輪機裝置的總功率等于渦輪機發出的功率及壓氣機消耗功率之=1.80×104kW例2-4如圖2-10所示，有一儲氣罐，初始時其內部為真空，現連接于輸氣管道進行充氣。假設輸氣管內空氣的狀態始終保持穩定，其焓為h。經過Δτ時間的充氣后，儲氣罐內空氣的質量達到m0，試求此時儲氣罐內輸氣管向系統充氣的空氣流量為qm，則按質量守恒定律的連續性方程式，儲氣罐內空氣質量m和流設送氣時間為Δτ=τ2-τ1，則按此時間段積分上式得為了分析儲氣罐內空氣熱力學能的變化，需要按開口系統能量方程式求解。在送氣過程中，工質的流動動能及重力位能可以忽略不計，且系統.所以，根據式(2-6a)可把輸氣過程中系統能τqmdτ=m0，及τ=τ1時U＝0，代入上式可以得到Q=△U＋W設式中各項可任意改變其正負號，試說明相應的能量轉換關系，并舉一二dU+δW，dU＋pdV，dU＋d(pV)2-5何謂穩定狀態穩定流動過程？試分析該過程中工質所經歷的狀態2-6一個充氣的玩具橡皮氣球放置于一真空容器中。若氣球突然爆2-7一個絕熱材料所制成的小瓶內盛有氣體，而小瓶放置在絕熱材料所制成的真空容器中。因小瓶密封不嚴，瓶內氣體慢慢逸出容器，直至瓶內、外氣體壓力相同為止。試分析漏氣停止時下述三部分在漏氣過程中所2-1一輛汽車在1.1h內消耗汽油37.5L，已知通過車輪輸出的功率為2-2一臺工業用蒸汽動力裝置，每小時能生產11600kg蒸汽，而蒸汽在汽輪機中膨脹作功輸出的功率為3800kW。如果該裝置每小時耗煤1450kg，煤的發熱量為30000kJ/kg，而在鍋爐中水蒸氣吸收的熱量為2550kJ/kg。試求：(1)鍋爐排出廢煙氣帶走的能量；(2)汽輪機排出乏汽帶2-3夏日室內使用電扇納涼，電扇的功率為0.5kW，太陽照射傳入的熱量為0.5kW。當房間密閉時，若不計人體散出的熱量，試求室內空氣每2-4某車間中各種機床的總功率為100kW，照明用100W電燈50盞。若車間向外散熱可忽略不計，試求車間內物體及空氣每小時熱力學能的變2-5人體在靜止情況下，每小時向環境散發的熱量為418.68kJ。某會場可容納500人，會場的空間為4000m3。已知空氣的密度1.2kg/m3，空氣的比熱容為1.0kJ/(kg·K)。若會場空氣溫度允許的最大溫升為15℃,試求會2-6有一個熱力循環，在吸熱過程中工質從高溫熱源吸熱1800J，在放熱過程中工質向低溫熱源放熱1080J，又在壓縮工質時外界消耗700J，2-7一個熱機循環由1-2、2-3及3-1三個過程組成。已知Q1-2＝10kJ，Q2-3＝30kJ，Q3-1＝－25kJ；ΔU1,2＝20kJ，ΔU3,1＝－20kJ，試求2-8為保持冷藏箱內的低溫不變，必須把環境傳入的熱量取出。若驅動制冷機所需的電流為3A，電源電壓為220V(假設電動機的功率因數已提高到1)，制冷機每小時排出的熱量為5024kJ，試求由環境傳入冷藏箱的熱2-9一熱交換器利用內燃機廢氣加熱水。若熱交換器中氣和水的流動可看作穩定流動，且流動動能及重力位能的變化可忽略不計。已知水受熱后每秒鐘焓增加了25kJ，試分析熱交換器的能量轉換關系，并求廢氣焓值2-10一臺鍋爐每小時生產水蒸氣40t，已知供給鍋爐的水的焓為417.4kJ/kg，而鍋爐生產的水蒸氣的焓為2874kJ/kg。煤的發熱量30000kJ/kg。若水蒸氣和水的流速及離地高度的變化可忽略不計，試求當燃燒產生的熱量用于產生水蒸氣的比率即鍋爐效率為0.85時，鍋爐每小時的耗煤2-11有一臺空氣渦輪機，它所應用的壓縮空氣的焓為310kJ/kg，而排出空氣的焓為220kJ/kg。若空氣的流動為穩定流動過程，且進、出口處2-12有一水槽，槽內使用一個泵輪以維持