1、本章本章內容、內容、要求：要求：掌握掌握2.定律的實質定律的實質3.定律的數學表達式及其適用范圍定律的數學表達式及其適用范圍4.定律的應用定律的應用1.內能、焓、熵、各種功等概念內能、焓、熵、各種功等概念熱力學第一定律熱力學第一定律熱力學第二定律熱力學第二定律內容內容2-1 熱力學第一定律的實質熱力學第一定律的實質2.1.1 背景背景 18th初，工業革命，熱效率只有初，工業革命，熱效率只有1% 1842年，年，Mayer闡述能量守恒和轉化定律，闡述能量守恒和轉化定律，未引起重視未引起重視 1840-1849年，年，Joule用多種實驗證明熱一律，用多種實驗證明熱一律，得到公認得到公認 190

2、9年，年，C. Caratheodory最后完善熱一律：最后完善熱一律：公理化公理化 17-18th，熱質學為主。，熱質學為主。但無法解釋如冰摩擦融化等熱現象但無法解釋如冰摩擦融化等熱現象推動對規律的研究推動對規律的研究第一類永動機第一類永動機:不消耗能量不消耗能量而能對外連續而能對外連續作功作功的機器的機器亨內考的亨內考的“魔輪魔輪”(13世紀世紀)達達芬奇的芬奇的“永動機永動機”(15世紀世紀)斯特爾的水力永動機斯特爾的水力永動機(16世紀世紀)浮力永動機浮力永動機梁星人梁星人“宇宙引力宇宙引力”發動機發動機梁星人：梁星人：祖籍廣東梅縣，祖籍廣東梅縣，出生于馬來西亞，留學美國，出生于馬來西

3、亞，留學美國，通曉通曉8 種語言，獲美國核物種語言，獲美國核物理哲學博士及經濟學博士學理哲學博士及經濟學博士學位，現為新加坡華人。位，現為新加坡華人。 因為拒絕將發明創造的因為拒絕將發明創造的空前絕后的最尖端的絕密技空前絕后的最尖端的絕密技術獻給某國，遭追殺，九死術獻給某國，遭追殺，九死一生逃出該國！一生逃出該國！2004年國內十大科技騙局之六年國內十大科技騙局之六獲宇宙能永動發電機、宇宙引獲宇宙能永動發電機、宇宙引力能加速電動機車輛等力能加速電動機車輛等國家專國家專利利 22項（申請）項（申請）香港國際無形資產評估事務所香港國際無形資產評估事務所評估：評估：無形資產為無形資產為1265億美元

4、億美元海南星人永動機發電廠有限公司海南星人永動機發電廠有限公司：占地占地100畝，投資畝，投資1億元，億元，300萬萬kw宇宙引力能發電示范廠宇宙引力能發電示范廠北京世華永動源科技有限公司北京世華永動源科技有限公司南街村王宏斌投入南街村王宏斌投入2000多萬。多萬。1982-1997：水變油希望：希望：尊重客觀規律，不要誤入歧途。尊重客觀規律，不要誤入歧途。2.1.2 熱一律的實質熱一律的實質1、實質和表述、實質和表述實質是能量守恒和轉換定律在熱現象中的應用：實質是能量守恒和轉換定律在熱現象中的應用：熱能與機械能可以相互轉換，且轉換前后的總量熱能與機械能可以相互轉換，且轉換前后的總量保持不變。

5、保持不變。進入進入系統的能量系統的能量- -離開離開系統的能量系統的能量= =系統系統儲存能的變化量儲存能的變化量2 2、表達式、表達式2-2 2-2 能量的傳遞形式能量的傳遞形式系統與外界交換的能量系統與外界交換的能量，主要有三種形式：主要有三種形式：（1）功：）功：W（2）熱量：）熱量：Q（3）隨物質帶進（出）的物質本）隨物質帶進（出）的物質本身的能量身的能量熱一律：熱一律： 進入系統的能量進入系統的能量 - 離開系統的能量離開系統的能量 = 系統儲存能的變系統儲存能的變化化系統內物質系統內物質本身的能量本身的能量一、一、系統的系統的儲存能儲存能儲存能：儲存能：系統內物質本身具有的能量。包

6、括：系統內物質本身具有的能量。包括：外部儲存能外部儲存能( (系統整體宏觀運系統整體宏觀運動具有的能量動具有的能量) )內部儲存能內部儲存能( (儲存于系統內部儲存于系統內部, ,取取決于物質結構和微粒決于物質結構和微粒運動的能量運動的能量- -內能內能, ,U ) )宏觀動能：宏觀動能：E k = mc2/2宏觀勢能：宏觀勢能：E p = mgz物理內能物理內能化學內能化學內能（化學反應時）（化學反應時）內動能內動能( (分子平、轉、振動分子平、轉、振動) )= f (T)內位能內位能（分子間引力）（分子間引力）= f (T, v)核能核能（核裂、聚變時）（核裂、聚變時）工程熱力學不涉及工程

7、熱力學不涉及系統的總系統的總儲存儲存能：能： E = E k + E p + U( (熱能熱能) )內能的導出內能的導出（1）閉口系循環能量方程）閉口系循環能量方程儲存能的變化量：儲存能的變化量：dE 熱一律：進入的能量熱一律：進入的能量 離開的能量離開的能量 = 儲存能的變化量儲存能的變化量WdEQ對于任意閉口系：對于任意閉口系：吸熱：吸熱： Q對外做功：對外做功： W循環后：循環后： dE = 0系統系統對于循環對于循環1a2c1：1 22 1()()0acQWQW對于循環對于循環1b2c1：1 22 1()()0bcQWQW1 21 2()()abQWQW狀態參數狀態參數bpV12ac（

8、2）內能的導出）內能的導出Why?定義：定義：dU = Q - WU ：內能，：內能，狀態函數狀態函數二、二、系統與外界傳遞的能量系統與外界傳遞的能量熱力學中對功的定義：熱力學中對功的定義：熱力系統通過邊界而傳遞的熱力系統通過邊界而傳遞的能量能量, 且其全部效果可表現為舉起重物。且其全部效果可表現為舉起重物。 容積變化功：容積變化功：因系統容積變化與外界交換的功因系統容積變化與外界交換的功（包括：（包括：膨脹功和壓縮功）。膨脹功和壓縮功）。是熱力學最重要的一種功是熱力學最重要的一種功: 膨脹膨脹: :實現熱能實現熱能機械能；機械能機械能；機械能熱能雖可通過摩擦等方法實現，但只有壓縮是可逆的。熱

9、能雖可通過摩擦等方法實現，但只有壓縮是可逆的。 其他準靜態功其他準靜態功：拉伸功，表面張力功，電功等拉伸功，表面張力功，電功等力學中的力學中的功功：WF x 1 1、功、功（1）做功）做功W（2）傳熱）傳熱Q（3）隨物質流動而傳遞的能量）隨物質流動而傳遞的能量(1) 準靜態過程的容積變化功準靜態過程的容積變化功以汽缸中以汽缸中m kg工質為系統工質為系統: 活塞向右移動微元距離活塞向右移動微元距離dx， dx很小很小，近似認為近似認為 p 不變，可視為不變，可視為準靜態過程準靜態過程.dxpp0A系統對外界作的膨脹功為：系統對外界作的膨脹功為：= p A dxm kg： W =pdV w =p

10、dv1 kg：( )=pdV適用范圍：適用范圍：準靜態過程、可逆過程準靜態過程、可逆過程21WpdV21wpdv W =F dx（2）討論）討論2）正負號規定：正負號規定： 對外為對外為正正對內為對內為負負1）w 的表達式全為系統內部參數，無需知道外力。的表達式全為系統內部參數，無需知道外力。3）膨脹功中的有用功膨脹功中的有用功WR： 準靜態：準靜態：WR W Wf p0(V2 V1)可逆：可逆：WR W p0(V2 V1)pp0ARf21wpdv4) 示功圖示功圖- p-v圖圖pV. .12. .pp021W是過程量，與路徑有關是過程量，與路徑有關 WpdV微元過程：微元過程： w =pdV

11、 = 微元面積微元面積1-2過程：過程：= 投影面積投影面積21WpdV(3) 容積變化功的計算容積變化功的計算21wpdv1）對于對于準靜態、可逆過程準靜態、可逆過程，可用可用上述公式計算。上述公式計算。 但還需要已知但還需要已知p-v函數關系、初終狀態。函數關系、初終狀態。2）對于對于非平衡過程非平衡過程，不能用不能用上述公式計算。上述公式計算。 但若外力但若外力R已知，則可利用外界條件計算：已知，則可利用外界條件計算： 系統膨脹功系統膨脹功=-外界反力對系統所做的功外界反力對系統所做的功21Rdxw例1空氣從狀態空氣從狀態1 (p1，V1)膨脹到狀態膨脹到狀態2 (p2，V2)，（1）

12、p-V圖上過程線為直線；（圖上過程線為直線；（2）可逆定溫過）可逆定溫過程。求程。求wpV12(1)(2)例2大氣壓大氣壓pb =0.1MPa，活塞面積，活塞面積A=100cm2 。初始狀態。初始狀態下彈簧與活塞接觸但不受力，彈簧剛度下彈簧與活塞接觸但不受力，彈簧剛度150N/cm。拔。拔掉銷釘后，活塞無摩擦上升掉銷釘后，活塞無摩擦上升20cm。 不計活塞重量，不計活塞重量，求求wpb =0.1 MPap1 =0.6 MPa活塞活塞銷釘銷釘2、熱量、熱量 1 1、定義、定義：系統與外界因溫差而傳遞的能量系統與外界因溫差而傳遞的能量2、符號：、符號：Q（q）3、單位：、單位：J （J/kg）4

13、4、正、負號規定：、正、負號規定：吸熱為正，放熱為負吸熱為正，放熱為負Q與與W類比類比能量傳遞方式能量傳遞方式 W Q性質性質推動力推動力標志參數標志參數公式公式pdvw Tdsq 公式適用條件公式適用條件圖示圖示pVWTSQP-V(示功圖示功圖)T-s（示熱圖示熱圖）過程量過程量過程量過程量TpdS , dsdV , dv準靜態或可逆準靜態或可逆可逆可逆3、隨物質傳遞的能量、隨物質傳遞的能量 1流動工質本身攜帶的能量：流動工質本身攜帶的能量：u + c2/2 + g z 2推動功：推動功：流動工質克服下游工質反力所做的功流動工質克服下游工質反力所做的功 Wf1=p1Adx =p1dV = p

14、1v1dm 1kg工質工質：wf 1 = p1v1設微元體設微元體 dm 在推力在推力(p1A)作用作用下移動了下移動了dx , 所做推動功：所做推動功：流動凈功流動凈功: Wf = p2v2 p1v1dxAdm反力反力p1流動流動系系統統1、與宏觀流動有關，流動停止，推動功不存在。與宏觀流動有關，流動停止，推動功不存在。2、作用過程中，工質僅發生位置變化，無狀態變化作用過程中，工質僅發生位置變化，無狀態變化3、 wf pv 僅與工質所處狀態有關，僅與工質所處狀態有關，是狀態量。是狀態量。4、并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起，并非工質本身的能量（動能、位能）變化引起， 而是由外界做出的

15、、流動工質所攜帶的能量。而是由外界做出的、流動工質所攜帶的能量。5、推動功是由泵、風機等提供的。、推動功是由泵、風機等提供的。2.3 閉口閉口系統能量方程系統能量方程而而儲存能變化量為儲存能變化量為: dU Q = dU + WQ = U + W閉口系閉口系能量方程能量方程（熱一律數學表達式熱一律數學表達式）熱一律：進入熱一律：進入 離開離開 =儲存能變化量儲存能變化量則：則： Q W = dU，即：即： W Q q = du + wq = u + w單位工質：單位工質：適用條件：適用條件：任何工質、任何過程任何工質、任何過程問題：問題：方程中的微元符號有方程中的微元符號有d、之分，之分，wh

16、y?前者是無限前者是無限小增量，后者是無限小量（如功量）。小增量，后者是無限小量（如功量）。dU1-2: 定壓過程，對外膨脹做功定壓過程，對外膨脹做功50 kJ、放熱、放熱20 kJ；2-3: 定容過程，吸熱定容過程，吸熱100 kJ；1-3: 不可逆過程，對外做膨脹功不可逆過程，對外做膨脹功50 kJ。 求求: 過程過程1-3系統與外界交換的熱量。系統與外界交換的熱量。例例3 閉口系統能量方程的應用閉口系統能量方程的應用123VP門窗緊閉房間用電冰箱降溫門窗緊閉房間用電冰箱降溫以房間為系統以房間為系統 絕熱閉口系統絕熱閉口系統閉口系能量方程：閉口系能量方程：QU W0Q0UW0W T電電冰冰

17、箱箱門窗緊閉房間用空調降溫門窗緊閉房間用空調降溫以房間為系統以房間為系統 絕熱閉口系絕熱閉口系閉口系能量方程：閉口系能量方程：QU W0Q0W T空空調調 QQW0)(WQU2.4 開口系統能量方程開口系統能量方程 Ws Q1122u1gz12121cu2gz22221cp1v1p2v2dE熱一律熱一律: 進進 出出=dE進、出有哪些能量？進、出有哪些能量？(1) 熱量：熱量： Q(2) 軸功：軸功： Ws(3) 流體攜帶的能量流體攜帶的能量:ug z22c還有還有推動功：推動功：p vdm1dm2設：設：d 時間內時間內 Q + dm1(u + pv+c2/2 + gz)1 - m2(u +

18、 pv+c2/2 + gz)2 - Ws=dEdQQ ddmqimidWWsSddEE 令令：EWgzcvpuqgzcvpuqQmm121111122222222121令令：h = u + pvEWgzchqgzchqQmm12111222222121 2.4.3 焓焓（Enthalpy) ) 定義：定義：h = u + pv kJ/kg H = U + pV kJ 1 1、焓是狀態量、焓是狀態量2 2、對流動工質，焓代表能量、對流動工質，焓代表能量( (內能內能+ +推動功推動功) ) 對靜止工質，焓不代表能量，理解為狀態參數組合對靜止工質，焓不代表能量，理解為狀態參數組合3 3、物理意義：

19、開口系中隨工質流動而攜帶的、取決、物理意義：開口系中隨工質流動而攜帶的、取決 于熱力狀態的能量。于熱力狀態的能量。4、工程實際多為開口系，、工程實際多為開口系， u 和和pv同時出現，同時出現， h 比比u應用更廣。應用更廣。2.5 穩定流動能量方程穩定流動能量方程穩定流動條件：穩定流動條件：穩定流動穩定流動（Steady Flow）：系統內任意點處參數系統內任意點處參數 不隨時間變化。不隨時間變化。1、mmmqqq212、constQ 3、constWS4、0ddEE代入開口系統代入開口系統能量方程一般表達式：能量方程一般表達式：EWgzcvpuqgzcvpuqQmm121111122222

20、222121穩定流動能量方程穩定流動能量方程1kg工質：工質：2s12qhcgzw 2221221122msccQqhgzhgzWswzzgcchhq1221221221微元過程：微元過程：swgdzdcdhq221適用條件：適用條件：穩定流動穩定流動任何工質任何工質技術功技術功即：即：2s12qhcgzw 穩流能量方程中，后三項為工程上可直接利用的機械能穩流能量方程中，后三項為工程上可直接利用的機械能stwzgcw221 穩流能量方程改寫為：穩流能量方程改寫為：twhq定義為定義為技術功技術功：技術上可資利用的功。符號：技術上可資利用的功。符號：wt能量方程等價性能量方程等價性, , 幾種功

21、的關系幾種功的關系等等價價穩流：系統狀況不隨時間而變，故整個流動過程可視為穩流：系統狀況不隨時間而變，故整個流動過程可視為一定質量的工質從進口狀態變化到出口狀態一定質量的工質從進口狀態變化到出口狀態穩流開口系穩流開口系等價于等價于一個控制質量的封閉系一個控制質量的封閉系twpvu)()twpvwwwt(pv)c2/ 2wsgz幾種功的關系：幾種功的關系：tqhw 開開quw 閉閉4 4種功全在該式中種功全在該式中()twpvw()twd pvwtwvdp準靜態準靜態qdupdvqdh vdp熱一律解析式之一熱一律解析式之一熱一律解析式之二熱一律解析式之二twvdp準靜態準靜態pdvw ()tp

22、dvd pvwvdppdv技術功在示功圖上的表示技術功在示功圖上的表示1 12 2vdppdvpvp v1 12 2twwpvp v12 1ba12341 140a 230btwvdp 2-6 穩定流動能量方程的化簡穩定流動能量方程的化簡工程上常可忽略動、位能變化（工程上常可忽略動、位能變化（動能轉換設備除外動能轉換設備除外）例：例：c1=1 m/s，c2=30 m/s (c22 - c12) / 2 = 0.45 kJ/ kgz1 = 0 m ，z2 = 30 m g ( z2 - z1) = 0.3 kJ/kgs122f12f222)()(21)(wzzgcchhq1bar, 0 oC水水 h1 = 84 kJ/kg100 oC水蒸汽水蒸汽 h2 = 2676 kJ/kg h = 2592 kJ/kgsqhw 穩流方程的化簡穩流方程的化簡一、加熱器或冷卻器一、加熱器或冷卻器 heat exchanger二、渦輪機或壓氣機二、渦輪機或壓氣機 Turbines, compressors and pumps特點：特點：0swf1f2cc 12zz 12hhq0qf1f2cc 12zz 特點：特點：s122f12f222)()(21)(wzzgcchhq21shhw穩流方程的化簡穩流方程的