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第三章

熱力學第一定律

firstlawofthermodynamics2

前言

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

2.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。

3

3.1

熱力學能（內能）和總能1.內能(internalenergy)Uch

Unu

Uth

UkE

平移動能

轉動動能

振動動能UpE—

2.

總（儲存）能(total

stored

energy

of

system)總能熱力學能，內部儲存能外部儲存能宏觀動能宏觀位能4

3.熱力學能是狀態參數

測量p，V，T可求出4.

熱力學能單位

5.

工程中關心的是5

3.2

系統與外界傳遞的能量1、熱量

heat2、功量work

膨脹功expansionwork

軸功

shaftwork6

4、

熱量--heat定義：僅僅由于溫差而

通過邊界傳遞的能量。符號約定：系統吸熱“+”；

放熱“-”

單位：

計算式及狀態參數圖熱量是過程量（T-s圖上）表示7

功work:當系統和外界有壓差時，系統通過邊界和外界傳遞的能量。功可以用p-v圖上過程線與v軸包圍的面積表示功量是過程量8

熱量與功的異同：

1.通過邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志；

熱量傳遞由溫差推動，比熵變化是傳熱的標志；

4.功是物系間通過宏觀運動發生相互作用傳遞的

能量；

熱是物系間通過紊亂的微粒運動發生相互作用

而傳遞的能量。功2.過程量；熱是無條件的；熱功是有條件、限度的。9

3、流動功：系統維持流動

所花費的代價。

推動功在p-v圖上：10

4、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。11

3.3

閉口系基本能量方程式—

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12

3.3

閉口系基本能量方程式—

熱力學第一定律基本表達式忽略宏觀動能Uk和位能Up，可得：第一定律第一解析式—熱功的基本表達式13

討論：

2）對于可逆過程3）對于定量工質吸熱與升溫關系，還取決于W的

“+”，“–”，大小。

1）14

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=T119

三、開口系統穩定流動能量方程

(steady-flow

energy

equation)

穩定流動：是指熱力系統在任意截面上工質的一切參數都不隨時間變化注意：區分各截面間參數可不同。說明工質在流動過程中不隨時間改變不發生能量形式轉化工質只在流動時才產生工質的流動過程只有轉化為機械能21

三、開口系統穩定流動能量方程

(steady-flow

energy

equation)

穩定流動條件：1）進出口處工質狀態不隨時間變化。2）進出口處工質流量相等，且不隨時間改變。滿足質量守恒.3）系統與外界交換的熱量與功量不隨時間改變，滿足能量守恒23

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

說明對穩定流動的工質加入熱量，可能產生的結果是改變工質內能、動能、位能或三相同時發生變化。供給工質克服阻力而作流動凈功和對外輸出功。使用范圍：

任何過程任何工質25

穩定能量方程式分析與討論：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）（A）26

2）技術功(technical

work)—

由（C）技術上可資利用的功

wt27

3)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：28

四、穩定流動能量方程式的應用1.蒸汽輪機、氣輪機

(steam

turbine、gas

turbine)

流進系統：

流出系統：內部儲能增量：

0工質在動力機中所作的軸功等于工質的焓降2、壓氣機compressorsandpumps

工質在壓氣機中絕熱壓縮所消耗的軸功等于壓縮工質焓的增加30

3、換熱器（鍋爐、加熱器等）(heat

exchanger:

boiler、heater)在鍋爐等換熱設備中，工質吸收的熱量等于工質焓的增加4、噴管NozzlesandDiffusers

在噴管中氣流動能增量等于工質焓降33

5、混合流6、絕熱節流ThrottlingDevices(adiabaticprocess)

絕熱節流前、后焓相等，及能量數量相等，但需要指出，由于在節流孔口附近流體的流速變化很大，焓值并不處處相等，不能把整個過程看作是定焓過程。35

7、管內流動流入：流出：內增：

036

歸納熱力學解題思路1、仔細審題，掌握已知條件，根據題意畫出物理模型，2、取好熱力系統3、區分工質，根據工質性質的不同確定描述工質參的方法4、畫熱力學圖，結合題意在熱力學圖上畫出相應的狀態點、過程線，明確過程的特征，確定參數關系。5、質量守恒6、能量守恒

運用熱一律分析問題時，經常用到一些假設和規律1、向真空膨脹的膨脹功為零。2、流速較快的過程可按絕熱處理。3、除噴管和擴壓管外，動能位能的變化常忽略。4、過程進行緩慢時，可認為系統和外界隨時處于熱平衡。0.1MPa，20℃的空氣在壓氣機中絕熱壓縮升壓升溫后導入換熱器排走部分熱量后再進入噴管膨脹到0.1MPa20℃。噴管出口截面積A=0.0324m2氣體流速cf2=300m/s已知壓氣機耗功率710kW，問換熱器中空氣散失的熱量。解：對CV列能量方程流入：流出：內增：0或穩定流動能量方程黑箱技術據題義，

有一臺穩定工況下運行的水冷式壓縮機，運行參數如附圖所示。設空氣的比熱容cp=1.003kJ/(kg·K),水的比熱容cw=4.187kJ/(kg·K)。若不計壓氣機向環境的散熱損失以及動能差及位能差，試確定驅動該壓氣機所需的功率。[已知空氣的焓差h2-h1=cp(T2-T1)]取控制體為壓氣機（但不包括水冷部分）考察能量平衡解：流入：

流出：內增：0？若取整個壓氣機（包括水冷部分）為系統，忽略動能差及位能差則：流入：流出：內增0？查水蒸氣表得本題說明：

1）同一問題，取不同熱力系，能量方程形式不同。

2）熱量是通過邊界傳遞的能量，若發生傳熱兩物體同在一體系內，則能量方程中不出現此項換熱量。

3）黑箱技術不必考慮內部細節，只考慮邊界上交換及狀況。

4）不一定死記能量方程，可從第一定律的基本表達出發。充氣問題解：取A為CV.——容器剛性絕熱忽略動能差及位能差，則

若容器A為剛性絕熱初態為真空，打開閥門充氣，使壓力p2=4MPa時截止。若空氣u=0.72T求容器A內達平衡后溫度T2及充入氣體量m。非穩定開口系由或流入：hinδmin

流出：0

內增：uδm討論：是否不計及cfin？否，即使cfin達當地音速（T=303K時，c=349m/s），也僅能使空氣升溫85℃，1）非穩態流動問題可用一般能量方程式也可用基本原則。在一些條件下，后者常更方便。2）能量方程中若流體流出、入系統，物質能量用h，

若不流動用u。3）t2=150.84℃>>30℃？說明是推動功轉換成熱力學能—即使向真空系統輸送，也需要推動功！充氣問題（延伸）解：方法一取氣罐為系統。考慮一股流體流入，無流出已知儲氣罐中原有的空氣質量m1，熱力學能u1，壓力p