first law of thermodynamics

1. 第二章 热力学第一定律 first law of thermodynamics

2. 2–1 热力学第一定律的实质 • 第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热现象中的应用 • 第一定律的表述： 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 或：热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。 • 第一类永动机：不消耗能量而作功的机器。 是不可能造出来的！

3. 2–2 热力学能和总能 一、热力学能(internal energy，内能) U 宏观能量（动能Uk+位能Up） 物质具有的能量 内部能量（热力学能U） 其他能量不变化时 化学能Uch 原子能Unu 电磁能Uem 分子运动能Uth 平移动能 转动动能 振动动能 内动能Uk 内位能Up(分子间吸引力) • 热力学能是状态参数的函数 • 热力学能是状态参数，单位：J , kJ (2-1) • 比热力学能，单位：J/kg , kJ/kg

4. 二、热力系的总能(total energy of thermal system) 运动中的热力系具有的全部能量（总能） 热力系 cf 热力学能(内部储存能) . m z (2-2) 0 0 总能 宏观位能 宏观动能 外部储存能（宏观运动） (2-3) (2-4)

5. 2-3 能量的传递和转化 一、作功和传热 两个物体间的能量传递形式： 作功（伴随宏观位移） 传热（无宏观位移）

6. 二、推动功、流动功 (一) 推动功 工质在开口系中流动而传递的功 进口处推动功 出口处推动功 单位质量工质时： (二)流动功 • 开口系维持流体流动所需的功，称为流动功 • 流动功等于进出口推动功的差值

7. 2-4 焓 （Enthalpy） 一、焓的定义 热力学中常出现： 定义为焓： (2-5) (2-5a)（2-6） 因为 (2-1) 所以 (2-6) 焓是状态参数 (2-7) (2-8)

8. 二、焓（h）与热力学能（u）的异同 • 热力学能U 是工质本身所具有的能量，闭口系中常用 • 焓h是工质流动传递的能量，开口系中常用 • 实际中工质流动的热力设备更多，焓的应用比热力学能更广泛 • 工质的焓和热力学能一样，无法直接测定，但可由基本状态参数计算出来 • 使用中更关心的是两个状态间焓的变化

9. 2–5 热力学第一定律的基本能量方程式 一、热力系统能量守恒表述 进入系统的能量总和 -离开系统的能量总和 = 系统中储存能量的增加 (2-9) 1 2 二、闭口系能量方程式 W 以闭口系为例 Q 进入的能量： Q 离开的能量： W 内部能量的增加： ΔU = U2 - U1 ΔU 于是 (2-10) • 最基本的能量方程式(第一解析式) • 满足“+”，“-”约定

10. 基本能量方程式的微分形式 (2-10a)（2-11） 单位工质的基本能量方程式 (2-10b)（2-12） (2-10c)（2-13） 可逆过程 (1-7)（1-8） 则 (2-11)（2-14） (2-11a)（2-15） 热力循环 (2-12) (2-12a,b) （2-16）（2-17）

11. 2-6 开口系统能量方程式 一、开口系能量方程 • 微元时间dτ内 • 从1-1截面流入工质δm1(体积dV1) • 从2-2截面流出工质δm2(体积dV2) • 外界向系统传热δQ • 系统对外界作功δWi,（内部功） 总能 进入系统的能量 推动功 离开系统的能量 热力系统(CV)内储能增量 微元过程的能量平衡

12. 注意到 并整理得 又 则 (2-13) （2-18） 求时间变化率 即 若进出有若干股，则 (2-15) （2-20） 开口系能量方程的一般表达式

13. 二、稳定流动能量方程 稳定流动：开口体系内及边界上各点工质的所有参数不随时间变化 则 式(2-15) （2-20）成为 两边同除 有 即 (2-21) (2-16) (2-23) 两边同乘m，有 (2-17) 微元过程 (2-22) (2-16a) (2-24) (2-17a) 稳定流动能量方程式

14. 三、稳定流动能量方程式的分析 (2-21) 1. 改变稳定流动能量方程式 (2-16) 内部功 由 得 (2-25) 热能转变成功的部分 机械能变化 流动功 2.技术功(technical work)— 技术上可资利用的功wt 定义 (2-19) （2-26） 内部功+机械能变化 且 则 (2-20) （2-27） (2-21)（2-28）

15. 3.技术功的图示 (2-22) （2-29） 技术功的符号： 系统对外作功为“+” 外界对系统作功为“-” 与膨胀功类似 图2-4 技术功的表示 4.热力学第一定律的第二解析式 引入Wt，式(2-16)成为 (2-23)（2-30） (2-21) (2-23b)（2-32） (2-23d)

16. 热力系中有质量为m的工质： (2-23a)（2-31） (2-23c)（2-33） 可逆过程: (2-23e)（2-35） 5. 两个解析式的关系(可逆过程) 热力学第一定律的第一解析式 由第一定律导出： 热力学第一定律的第二解析式 反之： 总之： a)通过膨胀，由热能 功，w = q –Δu b)第一定律两解析式可相互导出，但只有在开系中 能量方程才用焓

17. 2-7 稳定流动能量方程式的应用 稳定流动能量方程式： (2-16) (2-23) 或 应用示例： 动力机械 压气机 换热器 管道 节流

18. 一、 动力机 （蒸汽轮机、燃气轮机 --steam turbine、gas turbine） 蒸汽轮机 • 工质流经的时间很短 • 工质与外界的热交换很少而可以忽略 • 进出口的动能和位能的变化可以忽略 工质绝热流经叶轮动力机所作的功等于焓降

19. 二、压气机，水泵类(compressor、pump) • 工质流经压气机等时，压力增 加，对外界有一点放热 • 外界要对工质作功（负功） • 进出口的动、位能差变化都很小 若 绝热压缩： 令 压气机耗功 工质在压气机内被绝热压缩时，外界所消耗的功等于工质焓的增加

20. 三、换热器（锅炉、加热器等） (heat exchanger: boiler、heater) • 工质流经换热器时，有热量交换 • 无功交换 • 进出口的动、位能差变化都很小，忽略 • 在热交换设备中，工质所吸收的热量等于工质焓的增量 • 若q是负值，则为工质向外放热

21. 四、管道（管内流动） • 不计位能差, △z =0 • 无热量交换、无功交换，q =0 、wi=0 • 流动稳定 z 流入： 流出： 换热：0 则，1kg工质动能的增加为：

22. 五、节流 当流体流经阀门时，流动截面面积突然减小，这种流动称为节流。 例题2-2 (P41)（P49） 例题2-3（P42）（P50）自学 例题2-4 (P43) (P51) 自学