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1、第二节热力学第一定律,The First Law of Thermodynamics,2-2 热力学第一定律的本质,1909年，C.Caratheodory最后完善热一律,本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用,18世纪初，工业革命，热效率只有1%,1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有 引起重视,1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认,闭口系循环的热一律表达式,要想得到功，必须化费热能或其它能量,热一律又可表述为“第一类永动机是 不可能制成的”,Perpetual motion machine of the first kind
2、,Q,Perpetual motion machine of the first kind,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,Wnet,Qout,电加热器,内能,内能的导出,闭口系循环,Internal energy,内能的导出,对于循环1a2c1,对于循环1b2c1,状态参数,p,V,1,2,a,b,c,内能及闭口系热一律表达式,定义 dU=Q-W 内能U 状态函数,Q=dU+WQ=U+W,闭口系热一律表达式,！两种特例 绝功系 Q=dU 绝热系 W=-dU,内能U 的物理意义,dU=Q-W,W,Q,dU 代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化
3、。,U 代表储存于系统内部的能量 内储存能（内能、热力学能）,内能的微观组成,分子动能分子位能 binding forces化学能 chemical energy核能 nuclear energy,内能,microscopic forms of internal energy,移动 translation,转动 rotation,振动 vibration,系统总能 total energy,外部储存能macroscopic forms of energy,宏观动能 kinetic Ek=mc2/2宏观位能 potential Ep=mgz,机械能,系统总能,E=U+Ek+Ep,e=u+ek+e
4、p,一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du,内能的说明,内能是状态量 state property,U:广延参数 kJ u:比参数 kJ/kg,内能总以变化量出现，内能零点人为定,热一律的文字表达式,热一律:能量守恒与转换定律,闭口系能量方程,W,一般式,Q=dU+W Q=U+W,q=du+w q=u+w,单位工质,适用条件：1）任何工质 2)任何过程,Energy balance for closed system,闭口系能量方程中的功,功（w）是广义功Generalized Work 闭口系与外界交换的功量,q=du+w,准静态容积变化功 pdv拉伸功 w拉伸=-dl表面张力功 w表面张
5、力=-dA,w=pdv-dl-dA+.,闭口系能量方程的通式,q=du+w,准静态和可逆闭口系能量方程,简单可压缩系准静态过程,w=pdv,简单可压缩系可逆过程,q=Tds,q=du+pdv,q=u+pdv,热一律解析式之一,Tds=du+pdv,Tds=u+pdv,热力学恒等式,门窗紧闭房间用电冰箱降温,以房间为系统,绝热闭口系,闭口系能量方程,T,电冰箱,RefrigeratorIcebox,门窗紧闭房间用空调降温,以房间为系统,闭口系,闭口系能量方程,T,空调,Q,Air-conditioner,开口系能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量
6、守恒原则进入系统的能量-离开系统的能量=系统储存能量的变化,Energy balance for open system,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,这个结果与实验不符,少了推进功,推进功的表达式,推进功（流动功、推动功）,p,A,p,V,dl,W推=p A dl=pV w推=pv,注意：不是 pdv v 没有变化,Flow work,对推进功的说明,1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在,2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状
7、态变化,3、w推pv与所处状态有关，是状态量,4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量,可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量,开口系能量方程的推导,Wnet,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q+min(u+c2/2+gz)in-mout(u+c2/2+gz)out-Wnet=dEcv,min,pvout,开口系能量方程微分式,Q+min(u+pv+c2/2+gz)in-Wnet-mout(u+pv+c2/2+gz)out=dEcv,工程上常
8、用流率,开口系能量方程微分式,当有多条进出口：,流动时，总一起存在,焓Enthalpy的引入,定义：焓 h=u+pv,h,h,开口系能量方程,焓Enthalpy的 说明,定义：h=u+pv kJ/kg H=U+pV kJ,1、焓是状态量 state property,2、H为广延参数 H=U+pV=m(u+pv)=mh h为比参数,3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)对静止工质，焓不代表能量,4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决 于热力状态的能量。,稳定流动能量方程,Wnet,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,稳定流动条件,1、,2、,3、,轴功Sh
9、aft work,每截面状态不变,4、,Energy balance for steady-flow systems,稳定流动能量方程的推导,稳定流动条件,0,稳定流动能量方程的推导,1kg工质,稳定流动能量方程,适用条件：,任何流动工质,任何稳定流动过程,Energy balance for steady-flow systems,技术功 Technical work,动能,工程技术上可以直接利用,轴功,机械能,位能,单位质量工质的开口与闭口,ws,q,稳流开口系,闭口系(1kg),容积变化功,等价,技术功,稳流开口与闭口的能量方程,容积变化功w,技术功wt,闭口,稳流开口,等价,轴功ws,
10、推进功(pv),几种功的关系？,几种功的关系,w,wt,(pv),c2/2,ws,gz,做功的根源,ws,对功的小结,2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws,3、一般情况下忽略动、位能的变化,1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功w,wswt,准静态下的技术功,准静态,准静态,热一律解析式之一,热一律解析式之二,技术功在示功图上的表示,机械能守恒,对于流体流过管道，,压力能 动能 位能,机械能守恒,柏努利方程,Bernoullis equation,稳定流动能量方程应用举例,例1：透平(Turbine)机械,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,燃气机,蒸汽轮机,Steam tur
11、bine,透平(Turbine)机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws=-h=h1-h20,输出的轴功是靠焓降转变的,例2：压缩机械 Compressor,火力发电核电,飞机发动机轮船发动机移动电站,压气机,水泵,制冷空调,压缩机,压缩机械,1)体积不大,2）流量大,3）保温层,q 0,ws=-h=h1-h20,输入的轴功转变为焓升,例3：换热设备Heat Exchangers,火力发电：,锅炉、凝汽器,核电：,热交换器、凝汽器,制冷空调,蒸发器、冷凝器,换热设备,热流体放热量：,没有作功部件,热流体,冷流体,h1,h2,h1,h2,冷流体吸热量：,焓变,例4：绝热节流Throttling Valves,管道阀门,制冷空调,膨胀阀、毛细管,绝热节流,绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等,h1,h2,没有作功部件,绝热,
