03 第二章 热力学的第一定律.ppt

第1页：第二章热力学第一定律封面

章标题

第二章 热力学第一定律 The First Law of Thermodynamics

本章内容

热一律本质、内能、闭口系与开口系能量方程、稳定流动能量方程及应用

第2页：§2-1 热力学第一定律的本质

§2-1 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

第3页：焦耳实验

焦耳实验

• 重物下降，输入功，绝热容器内气体 T↑
• 绝热去掉，气体 T↓，放出热给水，T 恢复原温。

第4页：焦耳实验水温升高可测得热量

焦耳实验水温升高可测得热量，重物下降可测得功热功当量 1cal = 4.1868 k J 工质经历循环:Mechanicalequivalent of heat

第5页：闭口系循环的热一律表达式要想得到功

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

第6页：QPerpetual–motion ma

QPerpetual–motion machine ofthe first kind 锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器 Wnet Qout 电加热器

第7页：§2-2 内能的导出

§2-2 热一律的推论—内能内能的导出闭口系循环 Internal energy

第8页：内能的导出对于循环 1a 2c 1

内能的导出对于循环 1a 2c 1 对于循环 1b 2c 1 状态参数 p V 12abc

第9页：内能及闭口系热一律表达式定义

内能及闭口系热一律表达式定义 d U=δQ-δW 内能 U 状态函数δQ=d U+δWQ=ΔU+W 闭口系热一律表达式！！！两种特例绝功系δQ=d U 绝热系δW=-d U

第10页：内能 U 的物理意义 d U=δQ-δW

内能 U 的物理意义 d U=δQ-δWδWδQd U 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。U 代表储存于系统内部的能量—内储存能（内能、热力学能）

第11页：内能的微观组成分子动能分子位能

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

第12页：系统总能

系统总能 total energy 外部储存能 macroscopic forms of energy 宏观动能 kinetic Ek=mc 2/2 宏观位能 potential Ep=mgz 机械能系统总能 E=U+Ek+Epe=u+ek+ep 一般与系统同坐标，常用 U,d U,u,du

第13页：内能的说明

内能的说明

• 内能是状态量 state property
• U:广延参数[k J]
• u:比参数[k J/kg]
• 内能总以变化量出现，内能零点人为定

第14页：热一律的文字表达式热一律:能量守恒

热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-Totalenergyenteringthe system Totalenergyleavingthesystem Changeinthetotalenergyofthe system=-

第15页：第2章课后习题

作业 2-62-112-122-18

本页以图示为主，源文件提取文字较少，建议对照原课件图片查看。

第16页：§2-3 闭口系能量方程

§2-3 闭口系能量方程δWδQ 一般式δQ=d U+δWQ=ΔU+Wδq=du+δwq=Δu+w 单位工质适用条件：

• 任何工质
• 任何过程 Energy balance for closed system Point function---Exact differentials---d Path function---Inexact differentials---δ

第17页：闭口系能量方程中的功功

闭口系能量方程中的功功（δw）是广义功 Generalized Work—闭口系与外界交换的功量δq=du+δw 准静态容积变化功 pdv 拉伸功δw 拉伸=-τdl 表面张力功δw 表面张力=-δd Aδw=pdv-τdl-δd A+…...

第18页：闭口系能量方程的通式δq=

闭口系能量方程的通式δq=du+δw 若在地球上研究飞行器δq=de+δw=du+dek+dep+δw 工程热力学用此式较少

第19页：准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准

准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程δw=pdv 简单可压缩系可逆过程δq=Tdsδq=du+pdvq=Δu+∫pdv 热一律解析式之一 Tds= du+pdv∫Tds=Δu+∫pdv 热力学恒等式

第20页：门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间

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 Refrigerator Icebox

第21页：门窗紧闭房间用空调降温以房间

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 QAir-conditioner

第22页：§2-4 开口系能量方程

§2-4 开口系能量方程δWnetδQδminδmoutuinuoutgzingzout 能量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

第23页：开口系能量方程的推导δ

开口系能量方程的推导δWnetδQδminδmoutuinuoutgzingzoutδQ+δmin(u+c 2/2+gz)in-δmout(u+c 2/2+gz)out-δWnet=d Ecv 这个结果与实验不符少了推进功

第24页：推进功的表达式

推进功的表达式推进功（流动功、推动功）p Ap Vdl W 推=p Adl=p Vw 推=pv 注意：不是 pdvv 没有变化 Flow work

第25页：对推进功的说明

对推进功的说明

• 与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在
• 作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
• w 推＝pv 与所处状态有关，是状态量
• 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

第26页：开口系能量方程的推导δ

开口系能量方程的推导δWnetδQpvinδmoutuinuoutgzingzoutδQ+δmin(u+c 2/2+gz)in-δmout(u+c 2/2+gz)out-δWnet=d Ecvδminpvout

第27页：开口系能量方程微分式δQ+δ

开口系能量方程微分式δQ+δmin(u+pv+c 2/2+gz)in-δWnet-δmout(u+pv+c 2/2+gz)out=d Ecv 工程上常用流率

第28页：开口系能量方程微分式当有多条进出口

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

第29页：焓 Enthalpy 的引入定义

焓 Enthalpy 的引入定义：焓 h=u+pvhh 开口系能量方程

第30页：焓 Enthalpy 的说明定义

焓 Enthalpy 的说明定义：h=u+pv[ k J/kg ]H=U+p V[ k J ]

• 焓是状态量 state property
• H 为广延参数 H=U+p V=m(u+pv)=mhh 为比参数
• 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
• 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。

第31页：§2-5 稳定流动能量方程

§2-5 稳定流动能量方程δWnetδQδminδmoutuinuoutgzingzout 稳定流动条件

• 轴功 Shaft work 每截面状态不变
• Energy balance for steady-flow systems

第32页：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稳定流动条件 0

本页以图示为主，源文件提取文字较少，建议对照原课件图片查看。

第33页：稳定流动能量方程的推导 1

稳定流动能量方程的推导 1kg 工质

本页以图示为主，源文件提取文字较少，建议对照原课件图片查看。

第34页：稳定流动能量方程适用条件

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

第35页：技术功

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

第36页：单位质量工质的开口与闭口

单位质量工质的开口与闭口 wsq 稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功

第37页：稳流开口与闭口的能量方程容积变化功

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 推进功Δ(pv)几种功的关系？

第38页：几种功的关系

几种功的关系 wwt△(pv)△c 2/2wsg△z 做功的根源 ws

第39页：对功的小结

对功的小结

• 开口系，系统与外界交换的功为轴功 ws
• 一般情况下忽略动、位能的变化
• 闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功 wws≈wt

第40页：准静态下的技术功

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

第41页：技术功在示功图上的表示

技术功在示功图上的表示

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第42页：机械能守恒对于流体流过管道

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 Bernoulli’s equation

第43页：§2-6 稳定流动能量方程应用举例

§2-6 稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化例：c 1=1m/sc 2=30m/s(c 22-c 12) /2=0.449k J/ kgz 1=0 mz 2=30 mg(z 2-z 1)=0.3 k J/kg 1bar 下,0o C 水的 h 1=84 k J/kg 100o C 水蒸气的 h 2=2676 k J/kg

第44页：例 1

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 turbine

第45页：透平 Turbine

透平(Turbine)机械

• 体积不大
• 流量大
• 保温层 q≈0ws=-△h=h 1-h 2>0 输出的轴功是靠焓降转变的

第46页：例 2

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

第47页：压缩机械

压缩机械

• 体积不大
• 流量大
• 保温层 q≈0ws=-△h=h 1-h 2<0 输入的轴功转变为焓升

第48页：例 3

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

第49页：换热设备热流体放热量

换热设备热流体放热量

没有作功部件热流体冷流体 h 1h 2h 1’h 2’冷流体吸热量：焓变

第50页：例 4

例 4：绝热节流 Throttling Valves 管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管

第51页：绝热节流

绝热节流绝热节流过程，前后 h 不变，但 h 不是处处相等 h 1h 2 没有作功部件绝热

第52页：例 5

例 5：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶 Nozzles and Diffusers

第53页：喷管和扩压管喷管目

喷管和扩压管喷管目的

压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略

第54页：第二章小结

第二章小结 Summary 1、本质：能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-

第55页：第二章小结通用式

第二章小结通用式 2、热一律表达式：

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第56页：第二章小结稳流

第二章小结稳流

d Ecv/δτ= 0 通用式

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第57页：第二章小结闭口系

第二章小结闭口系

⇒通用式

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第58页：第二章小结⇒通用式循环

第二章小结⇒通用式循环 d Ecv= 0out= in

第59页：第二章小结孤立系

第二章小结孤立系

通用式⇒

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第60页：第二章小结

第二章小结 3、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，任何稳流过程或忽略动、位能变化

第61页：第二章小结

第二章小结 4、准静态下两个热力学微分关系式适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式

第62页：第二章小结

第二章小结 5、u 与 h U,H 广延参数 u,h 比参数 U 系统本身具有的内部能量 H 不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量

第63页：第二章小结

第二章小结 6、四种功的关系准静态下闭口系过程开口系过程

第64页：第二章讨论课

第二章讨论课 Discussion 思考题工质膨胀是否一定对外作功？做功对象和做功部件定容过程是否一定不作功？开口系，技术功定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）水轮机

第65页：第二章讨论课气体被压缩时一定消耗外功热力

第二章讨论课气体被压缩时一定消耗外功热力学功指有用功 p 0 对外作功指有用功

第66页：第二章讨论课气体边膨胀边放热

第二章讨论课气体边膨胀边放热是可能的对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能

第67页：第二章小结循环思考题 4 附图

第二章小结循环思考题 4 附图

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第68页：例题 2-14

Pq 例：2-14

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第69页：充气问题与取系统习题 2

充气问题与取系统习题 2-9 储气罐原有气体 m 0,u 0 输气管状态不变，h 经τ时间充气，关阀储气罐中气体 m 求：储气罐中气体内能 u’忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热 m 0,u 0h

第70页：四种可取系统

四种可取系统

• 取储气罐为系统开口系
• 取最终罐中气体为系统闭口系
• 取将进入储气罐的气体为系统 m 0,u 0h 闭口系
• 取储气罐原有气体为系统闭口系

第71页：第2章课后习题

作业 2-62-112-122-18

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第72页：1)取储气罐为系统

1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化 h 绝热无作功部件无离开气体

第73页：1)取储气罐为系统

1)取储气罐为系统(开口系)经τ时间充气，积分概念 hh 是常数

第74页：四种可取系统

四种可取系统

• 取储气罐为系统开口系
• 取最终罐中气体为系统闭口系
• 取将进入储气罐的气体为系统 m 0,u 0h 闭口系
• 取储气罐原有气体为系统闭口系

第75页：2）取最终罐中气体为系统

2）取最终罐中气体为系统(闭口系)hm 0m-m 0 绝热 m-m 0

第76页：四种可取系统

四种可取系统

• 取储气罐为系统开口系
• 取最终罐中气体为系统闭口系
• 取将进入储气罐的气体为系统 m 0,u 0h 闭口系
• 取储气罐原有气体为系统闭口系

第77页：3）取将进入储气罐的气体为系统

3）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系)m 0hm-m 0m 0 与 m-m 0 有温差传热 Q 1m-m 0 对 m 0 作功 W 1??m-m 0

第78页：四种可取系统

四种可取系统

• 取储气罐为系统开口系
• 取最终罐中气体为系统闭口系
• 取将进入储气罐的气体为系统 m 0,u 0h 闭口系
• 取储气罐原有气体为系统闭口系

第79页：4）取储气罐原有气体为系统

4）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m 0hm-m 0m 0 与 m-m 0 有温差传热 Q 1’m 0 得 m-m 0 作功 W 1’??

第80页：4）取储气罐原有气体为系统

4）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m 0hm-m 0

第81页：四种可取系统

四种可取系统

• 取储气罐为系统开口系
• 取最终罐中气体为系统闭口系
• 取将进入储气罐的气体为系统 m 0,u 0h 闭口系
• 取储气罐原有气体为系统闭口系√√

第82页：利用热一律的文字表达式进－出＝内能变化

利用热一律的文字表达式进－出＝内能变化 h 内能变化：取储气罐为系统(开口系)进：出：m 0,u 0

第83页：结果说明

结果说明

• 取系统不同，考虑的角度不同开口系反映为质量携带焓
• 若 m 0＝0，m 0,u 0h 闭口系反映作功

第84页：充气终温的计算已知

充气终温的计算已知

理想气体求：储气罐中气体终温 m 0=0h 两种算法 t =15℃℃K?

第85页：充气终温的计算关键看

充气终温的计算关键看 u 与 h 的零点是否相同 m 0=0ht =15℃℃K 理想气体

第86页：影响终温

影响终温 T’的因素说明 T’与哪些因素有关？m 0,u 0,p 0,T 0h,p,Tm,u’,p’,T’已知：理想气体

第87页：T' 的表达式

T’的表达式 m 0,u 0,p 0,T 0h,p,Tm,u’,p’,T’

第88页：T’的表达式分析

T’的表达式分析 m 0,u 0,p 0,T 0h,p,Tm,u’,p’,T’

• T’与 p 无关理想气体 h=f(T)
• T’与 T 有关 Th T’

第89页：T’的表达式分析

T’的表达式分析 m 0,u 0,p 0,T 0h,p,T>T 0m,u’,p’,T’3）T’与 T 0 有关 T 0T’m 0m-m 0 带入能量

第90页：T’的表达式分析

T’的表达式分析 m 0,u 0,p 0,T 0h,p,T>T 0m,u’,p’,T’4）T’与 p 0/p’有关 p 0/p’T’p 0/p’反映充气数量

第91页：取系统问题之二已知

取系统问题之二已知

p 1=35bar,t 1=16℃h≈0V 要求：输出 4k W,持续 30s(k W=k J/s)允许：p 1p 2=3.5bar 求：需要的容积 V

第92页：解 1:取储气罐为系统

解 1:取储气罐为系统（开口）h≈0V

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第93页：解 1:取储气罐为系统

解 1:取储气罐为系统（开口）Vh≈0

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第94页：解 2

解 2：取气体为系统（闭口）Vh≈0u 2’≈0

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第95页：解 3

解 3：取储气罐和汽机为系统（开口）Vh≈0 进－出＝内能变化内能变化：进：出：u 2’≈0

第96页：其它功例

其它功例 He Ql 真空已知：缓慢加热 He 气 p 1=

• 013bar,p 2=
• 039bar 活塞面积 A=
• 1m 2,无摩擦弹簧刚度 k=105N/m 求：He 作功量 W 物理学过：弹簧变形与力的关系弹簧功

第97页：解 1

解 1：由弹簧功求 He 作功量 He Ql 真空

第98页：解 2

解 2：由 He 参数求作功量 He Ql 真空缓慢加热：准静态关键求 p 与 V 的关系

第99页：第二章结束页

第二章完 End of Chapter Two

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