ChapterTwo

TheFirstLawofThermodynamics熱力學(xué)第一定律工程熱力學(xué)

EngineeringThermodynamicsSAMEngineeringThermodynamics2-1§2-1熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)

TheEssenceofFirstLawofThermodynamics§2-2系統(tǒng)的能量TheEnergyofaSystem§2-3熱量與功量HeatandWork

§2-4作用量的能流The

energyflowofinteractions§2-5熱力學(xué)第一定律的普遍表達(dá)式

ThegeneralexpressionsoftheSAMonthefirstlawofthermodynamics§2-6熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用實例

ApplicationExamplesofthefirstlawofthermodynamicsSummarySAMThetotalamountofenergyintheuniverseisconstant,althoughenergycanbetransformedfromoneformtoanother.§2-1熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)

TheEssenceofFirstLawofThermodynamics自然界中物質(zhì)具有的能量，既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，而只能從一種能量形式轉(zhuǎn)換為另一種能量形式，或由一個系統(tǒng)傳遞給另一個系統(tǒng)，但在轉(zhuǎn)變和傳遞時能量的總量保持不變。能量守恒及轉(zhuǎn)換定律

Theprincipleofconservationofenergy

EngineeringThermodynamics2-2SAM

Oneofthemostfundamentallawsofnatureistheconservationofenergyprinciple.Thefirstlawofthermodynamicsissimplyanexpressionoftheconservationofenergyprinciple.熱力學(xué)第一定律TheFirstLawofThermodynamics.

熱能作為一種能量形態(tài)，可以和其它能量形態(tài)相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中能量的總量守恒。

“第一類永動機是不可能制成的。”

熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)換及守恒定律。EngineeringThermodynamics2-3SAMSpecificthermodynamicenergy：系統(tǒng)的能量

systemenergy

§2-2系統(tǒng)的能量TheEnergyofaSystem與系統(tǒng)整體運動有關(guān)

系統(tǒng)的能容量包括系統(tǒng)的熱力學(xué)能、宏觀動能、宏觀位能三者之和，是狀態(tài)量。ThermodynamicenergyU系統(tǒng)的熱力學(xué)能,為系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量的總和，系統(tǒng)的比熱力學(xué)能EngineeringThermodynamics2-4SAM§2-3熱量與功量HeatandWork一、功量Work1.熱力學(xué)中功量的定義

兩個系統(tǒng)之間的相互作用，如果對每個系統(tǒng)的外部凈效應(yīng)，都可以用改變重物的水平位置來替代，則這兩個系統(tǒng)之間的相互作用稱為功量交換，而相互作用過程中所傳遞的能量稱為功量。

功量是過程量，僅存在于過程中，過程一旦結(jié)束，功量這種能量形式就不復(fù)存在。

功量是系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量，且其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。EngineeringThermodynamics2-5SAMForthermodynamicreversible

process1-2：2.可逆過程的容積變化功Fortheinfinitesimalreversible

process：規(guī)定：系統(tǒng)對外界作功，W為正；外界對系統(tǒng)作功，W為負(fù)。

過程線下面積等于可逆過程中容積變化功的大小，。EngineeringThermodynamics2-6SAMForthermodynamicreversible

process1-2：Foraninfinitesimalreversible

process：:軸功ShaftWork

3.技術(shù)功

TechnicalWorkEngineeringThermodynamics2-7SAM1.熱量的定義

兩個系統(tǒng)之間由于溫度不同而發(fā)生的相互作用稱為熱量交換。

由于熱量交換而通過邊界傳遞的能量稱為熱量。

熱量是系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量，但熱量不可能把它的全部效果表現(xiàn)為舉起重物。區(qū)別：熱量與功量，熱能與熱量熱量：物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量功量：物體間通過有規(guī)則的微觀或宏觀運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量熱能：物體內(nèi)部所具有的能量，熱力學(xué)能，可存儲于物體內(nèi)。熱量：兩物體間傳遞的熱能的數(shù)量，不能說“物體含有熱量”。二、熱量HeatEngineeringThermodynamics2-8SAMForthermodynamicreversible

process1-2：Fortheinfinitesimalreversible

process：規(guī)定：系統(tǒng)吸熱時，Q為正；系統(tǒng)放熱時，Q為負(fù)。

過程線下方的面積等于可逆過程所交換的熱量的大小，。2.可逆過程的熱量EngineeringThermodynamics2-9SAM是物體間通過有規(guī)律的微觀運動或宏觀運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量，可以把其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。功：熱量：物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量，不能把其全部效果表現(xiàn)為舉起重物。可逆過程中可逆過程中P工質(zhì)對外作功的推動力;dv

狀態(tài)參數(shù)比體積的變化:是衡量可逆過程中工質(zhì)與外界作功與否的標(biāo)志。在p-v圖上：一點：一個平衡狀態(tài)一實線：一個準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線下面積：可逆過程中系統(tǒng)所做的容積變化功。功是過程量T對熱交換起著推動力的作用;ds

狀態(tài)參數(shù)比熵的變化:是衡量可逆過程中工質(zhì)與外界是否發(fā)生熱交換的標(biāo)志。在T-s圖上：一點：一個平衡狀態(tài)一實線：一個準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線下面積：可逆過程中系統(tǒng)與外界所交換熱量。熱量是過程量三、熱量與功量的類比EngineeringThermodynamics2-10SAMEngineeringThermodynamics2-11例（T2-6）：一個直徑為0.3m的氣球，球內(nèi)氣體為理想氣體，初始壓力為150kPa。由于受熱使氣球直徑增大到0.4m，假定過程中氣體絕對壓力與直徑成正比。試計算：（1）氣球吸熱過程中壓力與容積之間的函數(shù)關(guān)系；（2）球內(nèi)氣體所作的容積變化功。SAMEngineeringThermodynamics2-11SAM二、熱量的能流Theenergyflowofheat一、功量的能流Theenergyflowofwork§2-4作用量的能流

Theenergyflowofinteractions

作用量的能流是指該作用量對系統(tǒng)能量變化的貢獻(xiàn)。

按作用量性質(zhì)的不同，作用量的能流可分為：熱量的能流、功量的能流及質(zhì)量流的能流。EngineeringThermodynamics2-13SAM1.流動功：

在流動工質(zhì)跨越邊界的過程中，其上游介質(zhì)必須對該流動工質(zhì)作功，使其克服界面阻力而跨越邊界，這部分功量稱為流動功。

流動功的大小取決于跨越界面的流動工質(zhì)的質(zhì)量及其狀態(tài)。M，p，v

分別為這部分要跨越邊界的流動工質(zhì)的參數(shù)。

按功量正負(fù)號的統(tǒng)一規(guī)定，則外界（上游介質(zhì)）對系統(tǒng)作功。系統(tǒng)對外界（下游介質(zhì)）對作功。三、質(zhì)量流的能流Theenergyflowofmassflow

EngineeringThermodynamics2-14SAM跨越邊界的質(zhì)量；為質(zhì)量交換對系統(tǒng)質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)。系統(tǒng)的質(zhì)量流變化：注意：m本身恒為正。2.質(zhì)量流massflowEngineeringThermodynamics2-15連續(xù)性方程式SAM質(zhì)量流的能流Theenergyflowofmassflow:

質(zhì)量流的能流：由于質(zhì)量交換而對系統(tǒng)能量變化的貢獻(xiàn)。

質(zhì)量交換必定伴隨著能量交換。流動質(zhì)量本身的能量變化+流動功的能流

質(zhì)量流的能流總是由兩部分組成，即3.質(zhì)量流的能流與焓

TheenergyflowofmassflowandenthalpyEngineeringThermodynamics2-16SAM進(jìn)口邊界上質(zhì)量流的能流:EngineeringThermodynamics2-17SAM出口邊界上質(zhì)量流的能流:EngineeringThermodynamics2-18SAM焓enthalpy：質(zhì)量流的能流Theenergyenergyflowofmassflow焓可近似認(rèn)為是隨流動工質(zhì)一起轉(zhuǎn)移的能量。質(zhì)量流的能容量Theenergyofmassflow

：注意：焓與質(zhì)量流的能容量均針對流動工質(zhì)，均為狀態(tài)量。EngineeringThermodynamics2-19SAMwhere§2-5熱力學(xué)第一定律的普遍表達(dá)式

Thegeneralexpressionsof

theSAMonthefirstlawofthermodynamicsEngineeringThermodynamics2-20適用于任何系統(tǒng)、任何過程SAMForanisolatedsystemForanisolatedsystemEngineeringThermodynamics2-21工程應(yīng)用:CM,CV(SSSF,USUF)If

then

SAMEngineeringThermodynamics2-250(1)若該閉口系統(tǒng)無整體宏觀運動：例：1.閉口系統(tǒng)（CM）對可逆過程:即相應(yīng)地有則(2)若閉口，循環(huán)00即SAMEngineeringThermodynamics2-122.任意CV的開口系統(tǒng)SAM1kg流動工質(zhì)：EngineeringThermodynamics2-23例3.SSSF怎樣才能滿足SSSF?忽略宏觀的動能變化與位能變化時，SAM可逆時：∴又凈推動功、凈流動功EngineeringThermodynamics2-24SAM工程應(yīng)用:CM,CV(SSSF,USUF)ThecharacterwhenitisappliedinCM:§2-6ApplicationExamplesof

thefirstlawofthermodynamics

EngineeringThermodynamics2-25適用于任何系統(tǒng)、任何過程ThecharacterwhenitisappliedinSSSF:SAMEngineeringThermodynamics2-26例(T2-11)：一個熱力循環(huán)由三個過程組成。已知Q12＝10kJ，Q23＝30kJ，Q31＝－25kJ；△U12＝20kJ，△U31＝－20kJ。求W23及循環(huán)凈功W0

。SAM

動力機及壓氣機

TurbineandcompressorExamples:EngineeringThermodynamics2-260SSSF則對1kg流動工質(zhì)若忽略凈出口動、位能變化若絕熱動力機，因,

依靠工質(zhì)的焓降而輸出軸功，h↓→。壓氣機，因,

壓氣機消耗的軸功使工質(zhì)的焓增加，→

h↑。00SSSFSAM

換熱器Heatexchanger1、2兩流體通過管壁進(jìn)行熱量交換，殼體與外界絕熱。（1）單以一種工質(zhì)為系統(tǒng)（如1流體）則EngineeringThermodynamics2-27SAM（2）以整個換熱器中的工質(zhì)為系統(tǒng)∴一種流體的質(zhì)量流能容量的增加等于另一種流體質(zhì)量流能容量的減少。忽略動、位能變化，則一種流體的焓增加等于另一種流體的焓減。即一種流體的吸收的熱量等于另一種放出的熱量。EngineeringThermodynamics2-28SSSF絕熱000SAM

噴管Nozzle一種特殊的管道，流體流經(jīng)噴管后p↓，c↑。SSSF絕熱000則對1kg流動工質(zhì)∵∴h↓即噴管是依靠工質(zhì)的焓降來使工質(zhì)的流動動能增大，而獲得高速流體。EngineeringThermodynamics2-29③對非絕熱的節(jié)流，，。SAM絕熱節(jié)流Adiabaticthrottling(P46)SSSF絕熱000則忽略動、位能變化，則注意：①絕熱節(jié)流前后焓值相等，但不是一個定焓過程。②節(jié)流過程是不可逆過程。

對絕熱節(jié)流前后，雖能量在數(shù)量上不變，但能質(zhì)衰貶。EngineeringThermodynamics2-30SAM

USUF

（UniformStateUniformFlow）例(p46)解：法一，CV剛性絕熱00只充不放，且忽略動位能變化。EngineeringThermodynamics2-31SAMEngineeringThermodynamics2-32SAM法二，CMCM絕熱00∴又∴實用于任何工質(zhì)。在絕熱充氣過程，焓轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，是不可逆過程。EngineeringThermodynamics2-33SAMEngineeringThermodynamics2-12例