第三章热力学第一定律

第三章热力学第一定律 第一节热力学第一定律的实质第二节系统的储存能量第三节系统与外界传递的能量第四节封闭系统热力学第一定律的表达式第五节开口系统热力学第一定律的表达式第六节稳定流动能量方程的应用

传递中的能量---功和热量----过程量 储存的能量----内部和外部状态参数决定---状态量（内能）第一节热力学第一定律的实质一、实质：能量守恒与转换定律在热力学中的应用二、第一定律的表述输入系统的能量—系统输出的能量= 系统储存能量的变化能量：

能量转换和守恒定律： 自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能量不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化和转换，且在转化和转换的过程中能量的总值保持不变。热力学第一定律：任一过程中系统内能的增加等于该过程所吸收的热量和外界对它所做功之和。

储存能量： 内部储存能---内部状态参数决定外部储存能---外部状态参数决定第二节系统的储存能量一、内部储存能—热力学能分子运动的平均动能和分子间势能称为“热力学能” 符号：U u (单位质量热力学能）单位：kJ kJ/kg u=U/m u=f(t,v)

第三节系统与外界传递的能量 三、系统的总储存能（总能） E=U+ Ek+Ep 单位质量 e=u+ ek+ep 二、外部储存能 ——动能Ek和势能Ep 由系统速度和高度决定封闭系统，传递的能量有两种：功和热量

燃气进口 排入大气一、功1. 热力学定义：

功是过程量 当封闭系统通过边界，和外界之间发生相互作用时，如外界的唯一效果是升起重物，则系统对外界作了功，如外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统作了功。单位：J、kJ 2. 体积功：工质体积改变时所做的功

Ff p pout dx p 1 A 2 p 4 3 v dv 图 1 封闭系统的膨胀功

Ff p pout 可逆过程膨胀功可以用p-v图上过程曲线与v轴所围面积表示。 dx p c 1 A B 2 p 对于mkg工质 4 3 v dv 图 1 封闭系统的膨胀功可逆过程对外做的膨胀功最大。功是过程量

热量也是过程量 二、热量热量是除功以外，通过边界系统与外界之间传递的能量。符号规定：系统从外界吸热为正；Q>0 系统向外界放热为负。Q<0 单位：J、kJ

单位质量工质 微元过程 Q W 热源功源第四节封闭系统热力学第一定律的表达式

1.适用于任意工质、任意过程，各项为代数量。1.适用于任意工质、任意过程，各项为代数量。 2.q、 w分别为各个吸热、作功过程的代数和。 3.U=U2-U1 可逆过程：任意工质、可逆过程

p 1 B A 2 v 例3-1 有一定质量的工质从状态1沿1A2到达终态2，又沿2B1回到初态1，并且试判断沿过程1A2工质是膨胀还是压缩，并且求工质沿1A2B1回到初态时的净吸热量和净功。

解: p 1 B A 2 v 是膨胀过程

第五节开口系统热力学第一定律的表达式 质量守恒方程力学定律三个定律能量守恒方程一元稳定流动一元流动：与流动方向垂直的同一截面上各点工质的状态参数和流速都是相同的，工质的状态参数和流速仅沿流动方向做一元变化。稳定流动：开口系统内任一点的状态参数和流速均不随时间而变化。

1kg工质： 进入系统带入能量：流出系统带出能量：吸热： q 作功： ws （轴功）

若动能、位能变化很小，可以忽略，则 1.技术功（轴功）（膨胀功）

（技术功）Wt （轴功）Ws （膨胀功）W （流动功或推进功）PV

比焓 J/kg 总焓 J 可逆过程 2.焓—状态参数

可逆过程 微元过程积分形式稳定流动能量方程

第六节稳定流动能量方程的应用 • 开口系统的典型设备: • 1.换热器：如锅炉、冷凝器等 • 2.喷管和扩压管 • 3.产生功的装置：如蒸汽轮机、燃气轮机 • 4.消耗功的装置：如泵、压缩机 • 5.节流装置：如膨胀阀

Q 1 2 流入流出可逆过程为可逆流动条件一、换热器特点：与外界没有轴功交换、工质流速变化不大适用于任意工质、任意过程工质流经换热器时所吸收的热量全部用来增加工质的焓值；反之，亦反。

2 1 喷管 2 1 Wg1 Wg2 Wg1 流入流出流入 2 1 1 2 扩压管喷管可逆流动喷管扩压管二、喷管和扩压管特点：来不及与外界进行热交换无轴功交换工质在喷管中所增加的动能全部由工质焓值的减少来补偿；在扩压管中相反。

q=0 wt=wS 流入 1 ws 2 流出三、汽轮机特点：来不及与外界进行热交换流速变化不大气轮机输出的轴功是由流动工质的焓值转换而来的四、泵和压缩机特点：是汽轮机的逆过程

五、节流装置 特点：来不及与外界进行热交换，无轴功交换，工质动能变化与焓的数值相比可忽略。

换热器 喷管和扩压管汽轮机和压缩机节流装置例3-2 已知：解：略去入口流速

例3-5 已知： 1 膨胀阀蒸发器 2‘ 2 解：

讨论： （技术功）Wt、（轴功）Ws （膨胀功）W、（流动功或推进功）PV （开）（闭）符号关系：

本章小结： 1。基本概念：热力学第一定律的实质： -------能量守恒与转换定律在热力学中的应用内能U、功W、热量Q（符号关系：+、-）技术功Wt、轴功Ws、膨胀功W 、流动功PV ２。基本公式封闭系统热力学第一定律：Q = ΔU + W 开口系统热力学第一定律：Q = ΔH + Wt （焓 H） 3。基本应用换热器、喷管和扩压管、汽轮机（泵）、节流装置等

举例1： 一闭口系统从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为30kJ，如图。（1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外作功15kJ，求过程中系统与外界传递的热量。（2）若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1，外界对系统作功6kJ，求该过程中系统与外界传递的热量。（3）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。举例2：空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是P1=0.1MPa,V1=0.845 m3/kg；压缩后的参数是P2=0.8MPa,V2=0.175m3/kg。假定在压缩过程中 1kg空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟产生压缩空气10kg。求：（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功；（2）每生产1kg的压缩气体所需的功；（3）带动此压气机至少要多大功率的电动机？

第三章 热力学第一定律