内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教豪第3章热力学第一定律本章基本要求深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、的物理意义理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题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收入-支出=系统储能的变化Esx+Esur=常数对孤立系统：△Eisol=0或△Es+AEsur=0第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。3.1系统的储存能系统的储存能的构成：内部储存能+外部储存能一． 内能热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，单位质量工质所具有的内能，称为比内能，简称内能。U=mu内能=分子动能+分子位能分子动能包括：1.分子的移动动能2。分子的转动动能3.分子内部原子振动动能和位能分子位能：克服分子间的作用力所形成或u=f(T,P)u=-f(T,V)u=f(P,V)18
内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教案 18 第 3 章 热力学第一定律 本章基本要求 深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义 理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别 本章重点 熟练应用热力学第一定律解决具体问题 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 收入-支出=系统储能的变化 Esys + Esur = 常数 对孤立系统： Eisol = 0 或 Esys + Esur = 0 第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。 3．1 系统的储存能 系统的储存能的构成：内部储存能+外部储存能 一．内能 热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，单位 质量工质所具有的内能，称为比内能，简称内能。U=mu 内能=分子动能+分子位能 分子动能包括： 1．分子的移动动能 2。分子的转动动能. 3．分子内部原子振动动能和位能 分子位能：克服分子间的作用力所形成 u=f (T,V) 或 u=f (T,P) u=f (P,V)
内业古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教素注意：内能是状态参数特别的：对理想气体u=f(T)问题思考：为什么？外储存能：系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。mc宏观动能：E=2式中g一重力加速度。重力位能：E=mgz系统总储存能：E=U+E+E,或E=U+mc* + mg=2+gze=u+223.2系统与外界传递的能量与外界热源，功源，质源之间进行的能量传递一、热量在温差作用下，系统与外界通过界面传递的能量。规定：系统吸热热量为正，系统放热热量为负。单位：kJkcal1kcal=4.1868kJ特点：热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的路径有关二、功除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量1.膨胀功W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。单位：1J=INm规定：系统对外作功为正，外界对系统作功为负。19
内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教案 19 注意: 内能是状态参数. 特别的: 对理想气体 u=f (T) 问题思考: 为什么? 外储存能：系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐 标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。 宏观动能： 2 2 1 E mc k = 重力位能： E mgz p = 式中 g—重力加速度。 系统总储存能： E =U + Ek + Ep 或 E =U + mc + mgz 2 2 1 e = u + c + gz 2 2 1 3．2 系统与外界传递的能量 与外界热源,功源,质源之间进行的能量传递 一、热量 在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。 规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负。 单位：kJ kcal l kcal=4.1868kJ 特点: 热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的 路径有关. 二、功 除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量. 1．膨胀功 W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。 单位：l J=l Nm 规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负
内业古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教素膨胀功是热变功的源泉2轴功W:通过轴系统与外界传递的机械功注意：刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换三、随物质传递的能量1.流动工质本身具有的能量1E=U+mc? +mg-22.流动功（或推动功)：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功推动1kg工质进、出控制体所必须的功Wy=p2V2-Py注意：流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵风机等提供思考：与其它功区别饸的定义：烩=内能+流动功对于m千克工质：H=U+pV对于1千克工质：h=u+pv恰的物理意义：1：对流动工质（开口系统），表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量2.对不流动工质（闭口系统），烩只是一个复合状态参数思考为什么：特别的对理想气体h=f（T)3.3闭口系统能量方程一、能量方程表达式适用于mkg质量工质AU=Q-W20
内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教案 20 膨胀功是热变功的源泉 2 轴功 W s : 通过轴系统与外界传递的机械功 注意: 刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换 三、随物质传递的能量 1．流动工质本身具有的能量 E =U + mc + mgz 2 2 1 2． 流动功(或推动功)：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通 过控制体界面而传递的机械功. 推动 1kg 工质进、出控制体所必须的功 2 2 1 1 w p v p v f = − 注意: 流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵风 机等提供 思考：与其它功区别 焓的定义：焓=内能+流动功 对于 m 千克工质： H =U + pV 对于 1 千克工质：h=u+ p v 焓的物理意义： 1．对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状 态的那部分能量. 2．对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数 思考为什么：特别的对理想气体 h= f (T) 3．3 闭口系统能量方程 一、能量方程表达式 U = Q −W 适用于 mkg 质量工质
内兼古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教童1kg质量工质Au=q-w注意：该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。由于反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口系统、任何工质、任何过程特别的：对可逆过程u=-pdy思考为什么二、.循环过程第一定律表达式podg结论：第一类永动机不可能制造出来思考：为什么三、理想气体内能变化计算由&,=du,=cdT得：du=c,dT,Au=jc,dT适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程或：Au=c,(T,-T)用定值比热计算Au=fc,dt=fcdt-jc.dt=cm8 -t2-cma-t0ti用平均比热计算c,=f(T)的经验公式代入Au=jc,dT积分。理想气体组成的混合气体的内能：U=U,+U2+…+U,=2U,=芝m,ui=3.4开口系统能量方程由质量守恒原理：进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量21
内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教案 21 u = q − w 1kg 质量工质 注意: 该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。 由于反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口 系统、任何工质、任何过程. 特别的: 对可逆过程 = − 2 1 u q pdv 思考为什么 二、.循环过程第一定律表达式 q = w 结论: 第一类永动机不可能制造出来 思考：为什么 三、理想气体内能变化计算 由 qv = duv = cvdT 得： du = cvdT ， = 2 1 u cvdT 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 或： ( ) T2 T1 u c = v − 用定值比热计算 0 2 0 1 0 0 2 1 2 2 1 1 u c dt c dt c dt c t c t t vm t vm t v t v t t v = = − = − 用平均比热计算 c f (T ) v = 的经验公式代入 = 2 1 u cvdT 积分。 理想气体组成的混合气体的内能： = = = + + + = = n i i i n i U U U Un Ui m u 1 1 1 2 3．4 开口系统能量方程 由质量守恒原理： 进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量
内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教豪能量守恒原理：进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量设控制体在dt时间内：进入控制体的能量=8Q+(h,+c+gz)0m21离开控制体的能量=SW、+(h,+C2+g-2)om2控制体储存能的变化dE。=（E+dE)-E代入后得到：om控制体界面114,0Csw1dE,8mA14开口系统（控制体）P2基准面1180=SW+(h,+2+g-,)om,-(h+c+g-)m,+dE22注意：本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程，也适用于闭口系统3.5开口系统稳态稳流能量方程一。稳态稳流工况工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。条件：1。符合连续性方程2．系统与外界传递能量，收入=支出，且不随时间变化1I dc? + gdz +0w,&q=dh+-2适用于任何工质，稳态稳流热力过程22
内蒙古科技大学能源与环境学院《工程热力学》教案 22 能量守恒原理： 进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量 设控制体在 d 时间内: 进入控制体的能量= 1 1 2 1 1 ) 2 1 Q + (h + c + gz m 离开控制体的能量= 2 2 2 2 2 ) 2 1 WS + (h + c + gz m 控制体储存能的变化 dEcv = E + dE cv − Ecv ( ) 代入后得到: Q = 2 2 2 2 2 ) 2 1 WS + (h + c + gz m 1 1 2 1 1 ) 2 1 − (h + c + gz m + cv dE 注意:本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程,也适用于 闭口系统 3．5 开口系统稳态稳流能量方程 一． 稳态稳流工况 工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质 的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称稳态稳流工况。 条件：1。符合连续性方程 2．系统与外界传递能量，收入=支出，且不随时间变化 q = dh + dc + gdz +ws 2 2 1 适用于任何工质，稳态稳流热力过程