工程热力学第三章

流动功的说明
推动功差 wf=p2v2-p1v1 是系统为维持开口系统工质流动所 需要付出的代价，称为净流动功 作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化 与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在 流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进出口界面 工质的热力状态，与热力过程无关 并非工质本身的能量（如动能，位能）引起的，而由外界 做出，工质流动携带的能量 一旦流体跨越了界面，对已经跨越界面的这部分流体来说， 流动功这种能量形式就不复存在了，转化成了流动工质的 能流
热
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备
本章教学大纲
掌握热力学第一定律的内容和实质，能 将工程实际问题建立热力学模型。
理解和掌握闭口系、开 口系和稳定流动能量方 程及其常用的简化形式
理解和掌握热力学第 一定律基本表达式— —基本能量方程 掌握能量方程的内 在联系与共性，热 变功的实质
教学 目标
维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能 及电磁场作用下的电磁能等
热力学能
比热力学能
符
单
号：
位：
U
焦耳（J）
u
J/kg
千焦(kJ)
U dU U 2 U1
1 2
kJ/kg
u u2 u1
热力学能是工质的状态参数，完全取决于工质的 初态和终态，与过程的途径无关。
内动能→温度
c dT
v 1
2
u cv (T2 T1 )
t2 t2 t1 0
定值比热容
t1 0
u cv dT cv dT cv dT c
t2 vm 0
t2 c
t1 vm 0 1
t
平均比热容
由理想气体组成的混合气体的热力 学能等于各组成气体热力学能之和
U U1 U 2 mu mi ui
Q W E2 E1
对于不做整体移动的闭口系，系统宏观动 能和位能均无变化，有： Q U W
对于微元过程，有：
δQ dU δW
对于单位质量工质，有：
q u w, δq du δw
各项正负号的规定：吸热和对外作功为正， 放热和外界对系统作功为负 热力系吸收 的能量 增加系统的热力学能 对外膨胀作功 热能转变为 机械能的根 本途径
注高度相对变化
c和 z 是独立于热力系统内部状态的外参数！
三、系统的总能
系统总能(E)=内储存能(U)+外储存能(Ek+Ep)
E U Ek E p 1 2 E U mc mgz 2 1 2 e u c gz 2
比储存能为状态参数！
对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储 存能就等于热力学能

随物质流传递的能量
1 2 E总 U mc mgz pV (J) 2
开口系统
e总 1 2 u c gz pv 2
(J/kg )
四、焓及其物理意义
引入新的物理量——焓
1 2 U mc mgz pV 2 1 2 u c gz pv 取决于工质热 2 力状态的能量 H U pV h u pv
分析时，认为同一截面上参数相同
1 2 进入控制体的能量 δQ ( h1 c1 gz1 )δm1 2 1 2 离开控制体的能量 δWs ( h2 c2 gz2 )δm2 2
控制体储存能变化
dEcv ( E dE )cv Ecv
1 2 1 2 δQ ( h1 c1 gz1 )δm1 ( h2 c2 gz2 )δm2 δWs dEcv 2 2 1 2 1 2 δQ ( h2 c2 gz2 )δm2 ( h1 c1 gz1 )δm1 δWs dEcv 2 2
二、技术功
热力过程中可被直接利用来做功的能量
1 2 wt c g z ws 2 1 2 δwt dc gdz δws 2
技术上可以直接利用的功量，属于机械能
2.
对于不流动工质（闭口系统），焓仅 是一个复合状态参数，没有明确的物 理意义
第三节 闭口系统能量方程
能量平衡关系式： 输入系统的能量-输出系统的能量=系统总储 存能量的变化 闭口系：系统与外界没有 物质交换，传递能量只有 热量和功量两种形式。在 热力过程中（如图）系统 从外界热源取得热量Q； 对外界做膨胀功W；
第五节 开口系统稳态稳流能量方程
一、稳态稳流能量方程表达式 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——稳态 稳流工况
同一时间内进、出控制体界面及流过 系统内任何断面的质量均相等 同一时间内进入控制体的能量和离开 控制体的能量相等，控制体内能量保 持一定
δm1 δm2 dEcv 0
系统总能 总结：
比储存能为状态参数！
存储能以变化量出现，零点由人为设定！
对于没有宏观运动且相对高度为零的系统，总储 存能就等于热力学能
第二节 系统与外界传递的能量
热量
外界热源 外界功源 外界质源
系 统
功 随物质传递的能量
传热和做功是能量转递的两种方式
一、热量
热量学中的定义：在温差作用下系统与
δ q δ w Q W
循环：净热量＝净功
不消耗能量而能够连续不断地对外做功是不可能的！
三、理想气体热力学能变化计算
δqv duv cvdTv u cv T v
对理想气体
定容过程，对外不做 膨胀功！
du cv dT du cv dT u

pvδm pvm pV pv
Wf m
不是 pdv，v 没有变化
功的形式除了膨胀功或压缩功这类与系统的界面移动有关的 功外，还有因工质在开口系统中流动而传递的功——推动功
推动功示意图
在作推动功时，工质的状态没有改变，因此， 推动功不会来自系统的存储能－热力学能。传 递给活塞的能量从别处传来，例如在后方某处 有另外一个活塞在推动工质使它流动。
i 1 n
U n U i
i 1
n
u gi ui
i 1
n
混合气体的热力学能是温度和气体成分的函数
思考？
工质膨胀是否一定对外作功？ 向真空膨胀，自由膨胀
定容过程是否一定不作功？
开口系，技术功 wt vdp 水轮机
定温过程是否一定不传热？
相变过程（冰融化，水汽化）
门窗紧闭的房间用空调降温
热 力 学 第 一 定 律
工 程 热 力 学
热力学第一定律
1
热力学能和总能
2
3
系统与外界传递的能量
闭口系统能量方程 开口系统能量方程 开口系统稳态稳流能量方程
4
5
6
稳态温流能量方程的应用
热力学第一定律
热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学 上的应用，确定了热能和机械能之间相互转换的 数量关系 能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一 种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到 另一个系统，而其总量保持恒定 热力学第一定律：热能和机械能在转移或转换时， 能量的总量必定守恒。
δ m 一个入口、一个出口
1 2 2 δQ (h2 h1 ) (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) δm δWs 2 1 2 2 Q (h2 h1 ) (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) m Ws 2 1 2 2 q (h2 h1 ) (c2 c1 ) g ( z2 z1 ) ws 2 1 2 h c g z ws 2 1 2 δq dh dc gdz δws 2
汽轮机
2. 轴功ws
系统通过机械轴与外界传递的机械功
内燃机 风机 压气机
闭口系统
开口系统
1.刚性闭口系统不能向外界输出膨胀功：无体积膨胀！
2.轴功可来源于能量转换，也可源于机械能的直接转递！
做功与传热
系统吸收热量为正，系统放出热量为负
系统对外做功为正，外界对系统做功为负 单位：1kCal=4.1868kJ 做功和物体的宏观位移有关，做功过程往 往伴随着能量形态的变化 热量传递不需要宏观的位移，但是需要温差
热力学第一定律适用于可逆过程与不可逆过程； 理想气体和实际气体 对可逆过程
δq du pdv q u pdv
1 2
微元过程 有限过程
闭口系统能量方程反映了热功转换的实质，是 热力学第一定律的基本方程式，在用于物质的 能量转换过程时，也适用于开口系统
二、热力学第一定律在循环过程中的应 用 q12 u2 u1 w12 q23 u3 u2 w23 q34 u4 u3 w34 q41 u1 u4 w41
外界之间传递的能量称为热量 热量一旦经界面传入系统，就变成了系 统的储存能的一部分 热量不是状态参数，是与过程特征有关 的过程量
热量
热能
二、功量
热力学定义：系统除温差以外的其它不
平衡势差所引起的系统与外界之间传递 的能量 形式多样：电功、磁功、机械拉伸功、 弹性变形功、表面张力功和膨胀功、轴 功 膨胀功是热力学能转换为功的必要途径
三、随物质流传递的能量
流动工质本身具有的热力学能、宏观动 能和重力位能
1 2 E U mc mgz 2 1 2 e u c gz 2
推动功（流动功）
为推动流体通过控制体界面而传递的机械功— —推动功
W f pfdS pδV pvδm
Wf wf
( m)
以房间为系统 闭口系能量方程
闭口系