工程热力学第三章汇总
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工程热力学03章：理想气体的性质
c q 或 c q
dT
dt
1mol物质的热容称为摩尔热容『Cm, J/（mol·K）』。
标态下1m3 物质的热容为体积热容『C ’, J/(m3N·K)』。
上述三种比热容之间的关系为：
Cm Mc 0.0224141C （3-9）
热力设备中，工质往往是在接近压力不变或体积不变的 条件下吸热或放热的，因此定压过程和定容过程的比热容最
<4> 平均比热容直线关系式
c
|t2
t1
b 2
t2
t1
（3-17）
§3-4 理想气体的热力学能、焓和熵
一、热力学能和焓 du cV dt cV dT
dh cpdt cpdT
二、状态参数熵
（见1－6节）
ds qrev
T
三、理想气体的熵变计算
ds
cpdT vdp T
cp
dT T
Rg
dp p
v T
C1
pc
p T
C2
vc
pv C3Tc
pv T
C
Rg
（3-1）
注：式（3-1）可反证之
显然，上式中的Rg只与气体种类有关，而与气体所
处状态无关，故称之为某种气体的气体常数。
二、摩尔质量和摩尔体积
摩尔（mol）是表示物质的量的基本单位。
摩尔质量( ) ：1mol物质的质量，单位是g/mol或
s12
c T2
T1 p
dT T
Rg
ln
p2 p1
（3-18） （3-19） （3-20）
（3-21） （3-22）
基准状态的确定：
规定p0＝101325Pa、T0＝0K时，熵s00K 0。则任
工程热力学-第3章 工质的热力性质
理想气体的状态方程式
根据分子运动论：
2 mc 2 p n 3 2
1m3体积分子数 玻尔兹曼常数
pv nvkT
每个分子的动能 与气体的种类有关, 与气体的状态无关
1 kg 理想气体状态方程式气体：
Pa
k) m3/kg J/(kg·
K
通用气体常数
●阿伏加德罗定律：
相同 p 和 T 下各理想气体的摩尔容积V0相同。
v v测 0.84992 0.84925 0.02% 相对误差= v测 0.84925
10
例 题
1. 某人从煤气表上读得煤气消耗量是V1=68.37m3， 使用期间煤气表的平均表压力pe=44mmH2O，平均 温度T1=290K，此时大气平均压力pb=751.4mmHg， 求消耗了多少标准立方米(Nm3)的煤气。 解：由于压力较低，故煤气可作理想气体。
（3.43）
式（3.43）也是定压比热容的定义式。对于理想气 体，热力学能u是温度T的单值函数，式（3.43）可 表示为cp=dh/dT，即可得： dh=cpdT （3.44） （3.45）
理想气体不论经过何种过程，其热力学能及焓的变 化量都可按式（3.41）和（3.45）确定。
通常，热工计算中只要求确定热力过程中热力学能或焓值
1) t 的系数已除过2 2) t 需用t1+t2代入
4.比热容与气体性质的关系
定值比热容：工程上，当理想气体温度在室温附近， 温度变化范围不大或者计算精确度要求不太高时，可 将比热容近似作为定值处理。 1 mol理想气体的热力学能： UM=iR0T/2
CvM=δQv/dT=iR0/2 CpM=(i+2)R0/2 k=(i+2)/i
工程热力学第三章热力学第一定律1
规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
膨胀功是热变功的源泉
2、轴功Ws 系统通过机械轴与外界传递的机械功
规定: 系统输出轴功为正，外界输入轴功为负。
热能转换为机械能通常都是靠轴功实现的
§3-3闭口系统能量方程
一、闭口系统能量方程表达式 某一热力过程系统总储存能的变化 E U U2 U1
外储存能 与外界有关的能量
一、热力学能（内能） 热力系统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。 内动能（移动、转动、振动）与温度有关
内位能（克服分子间相互作用力所形成的） 与比体积有关
u f (T,v)
热力学能是状态参数 U : 广延性参数 [ J ] u : 比参数 [J/kg]
重力位能：
系统工质与重力场的相互作用所具有的能量。
Ep mgz
外储存能的实质：机械能
三、系统的总能 内储存能和外储存能之和
E = U + Ek + Ep
E U 1 mc2 mgz 2
e u 1 c2 gz 2
对于无宏观运动，且高度为零的系统 E=U 或 e=u
§3-2系统与外界传递的能量
两状态间内能变化 u cv (T2 T1)
混合气体内能
n
U U1 U 2 U n U i i 1 n
mu m1u1 m2u2 mnun miui i 1
n
u giui i 1
例题
［例3-1］一定质量工质，经 历一个由四个过程组成的 循环，试填充下表中所缺 数据，并判断该循环是正 循环还是逆循环。
过程
Q
W
△U
(kJ)
(kJ)
(kJ)
1-2
1390
膨胀功是热变功的源泉
2、轴功Ws 系统通过机械轴与外界传递的机械功
规定: 系统输出轴功为正，外界输入轴功为负。
热能转换为机械能通常都是靠轴功实现的
§3-3闭口系统能量方程
一、闭口系统能量方程表达式 某一热力过程系统总储存能的变化 E U U2 U1
外储存能 与外界有关的能量
一、热力学能（内能） 热力系统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。 内动能（移动、转动、振动）与温度有关
内位能（克服分子间相互作用力所形成的） 与比体积有关
u f (T,v)
热力学能是状态参数 U : 广延性参数 [ J ] u : 比参数 [J/kg]
重力位能：
系统工质与重力场的相互作用所具有的能量。
Ep mgz
外储存能的实质：机械能
三、系统的总能 内储存能和外储存能之和
E = U + Ek + Ep
E U 1 mc2 mgz 2
e u 1 c2 gz 2
对于无宏观运动，且高度为零的系统 E=U 或 e=u
§3-2系统与外界传递的能量
两状态间内能变化 u cv (T2 T1)
混合气体内能
n
U U1 U 2 U n U i i 1 n
mu m1u1 m2u2 mnun miui i 1
n
u giui i 1
例题
［例3-1］一定质量工质，经 历一个由四个过程组成的 循环，试填充下表中所缺 数据，并判断该循环是正 循环还是逆循环。
过程
Q
W
△U
(kJ)
(kJ)
(kJ)
1-2
1390
工程热力学第三章
A B
作业题、 作业题、例题
q = dw + du q = vdp + ∆u
Q = ∫ pdv + ∆H
1 2 Q = ∆h + ∆c + gdz + w 2 1 2 q = ∆h + (c2 − c1 ) + g ∆z + wt 2
Байду номын сангаас
2.说明下列公式的适用条件 2.说明下列公式的适用条件
δ q = du + pdv δ q = dh − vdp
1 2 1 2 δ Q = (h2 + c2 + gz2 )δ m2 − (h1 + c1 + gz1 )δ m1 + δ Ws + dEcV 2 2
五、开口系统稳态稳流能量方程
Q = Wt + ∆H q = wt + ∆h
δ Q = δ Wt + dH δ q = δ wt + dh
各方程的适用条件 1 2 技术功 wt = ∆c + g ∆z + ws
第三章 热力学第一定律 一、热力学能和总能 1.热力学能 1.热力学能 掌握热力学能是状态参数、单位、符号、 掌握热力学能是状态参数、单位、符号、 2.总能 2.总能 1
E = U + mc 2 + mgz 2 1 2 e = u + c + gz 2
二、系统与外界传递的能量 1.热量 1.热量 2.功量 2.功量
• •
5.流体的混合 5.流体的混合 m1 h1 + m2 h2 = (m1 + m2 )h3 6.绝热节流 6.绝热节流
h1 = h2
作业题、 作业题、例题
q = dw + du q = vdp + ∆u
Q = ∫ pdv + ∆H
1 2 Q = ∆h + ∆c + gdz + w 2 1 2 q = ∆h + (c2 − c1 ) + g ∆z + wt 2
Байду номын сангаас
2.说明下列公式的适用条件 2.说明下列公式的适用条件
δ q = du + pdv δ q = dh − vdp
1 2 1 2 δ Q = (h2 + c2 + gz2 )δ m2 − (h1 + c1 + gz1 )δ m1 + δ Ws + dEcV 2 2
五、开口系统稳态稳流能量方程
Q = Wt + ∆H q = wt + ∆h
δ Q = δ Wt + dH δ q = δ wt + dh
各方程的适用条件 1 2 技术功 wt = ∆c + g ∆z + ws
第三章 热力学第一定律 一、热力学能和总能 1.热力学能 1.热力学能 掌握热力学能是状态参数、单位、符号、 掌握热力学能是状态参数、单位、符号、 2.总能 2.总能 1
E = U + mc 2 + mgz 2 1 2 e = u + c + gz 2
二、系统与外界传递的能量 1.热量 1.热量 2.功量 2.功量
• •
5.流体的混合 5.流体的混合 m1 h1 + m2 h2 = (m1 + m2 )h3 6.绝热节流 6.绝热节流
h1 = h2
工程热力学-第三章热力学第一定律-稳定流动能量方程的应用
qm1h1 qm2h2 qm3h3
THANK YOU
,
q
内部贮能增量 0
wC wt h2 h1 q
02
2.3 换热器（heat exchanger）
流入：
qm1
h1
1 2
cf21
gz1
qm2
h3
1 2
cf23
gz3
流出：
qm1
h2
1 2
cf22
gz2
qm2
h4
若忽略位能差
h1
h2
1 2
(cf22
cf21)
02
2.7 混合
qm1、h1
qm2、h2 qm3、h3
流入：
qm1
h1
1 2
cf21
gz1
qm2
h3
1 2
cf23
gz3
流出：
qm3
h3
1 2
cf23
gz3
内增： 0 忽略动能差、位能差
第三章 热力学第一定律 之
稳定流动能量方程 的应用
CONTENTS
01. 常见设备及过程 02. 应用分析
01. 常见设备及过程
01
常见设备及过程
1.蒸汽轮机、气轮机 2.压气机，水泵类 3.换热器（锅炉、加热器等） 4. 管内流动 5. 绝热节流 6. 喷管 7. 混合
02. 应用分析
工程热力学-第三章热力学第一定律-能量方程
推导过程
最终形式
Qபைடு நூலகம் E
2 1
ejδmj
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能和位能的变化量
E U
δmi 0 δmj 0
δq du δw q u w δQ dU δW Q U W
第一定律第一解析式
02
2.2 开口系统稳态稳流能量方程
g z2 z1
（C）
热能转变 成功部分
流动功
机械能增量
02
第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
q
h2
h1
1 2
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
q h wt δq dh δwt
2
q h 1 vdp
稳定流动特征 1）各截面上参数不随时间变化。
推导过程
流入系统的能量:
qQ
qm1
u1
p1v1
cf21 2
gz1
2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0···
流出系统的能量:
Ps
qm2
u2
p2v2
1 2
cf22
gz2
系统内部储能增量: ΔECV
流出：δW δmjej
δQ
d 内部贮能的增量：dE
δQ dE ejδmj eiδmi δWtot
Q E
最终形式
Qபைடு நூலகம் E
2 1
ejδmj
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能和位能的变化量
E U
δmi 0 δmj 0
δq du δw q u w δQ dU δW Q U W
第一定律第一解析式
02
2.2 开口系统稳态稳流能量方程
g z2 z1
（C）
热能转变 成功部分
流动功
机械能增量
02
第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
q
h2
h1
1 2
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
q h wt δq dh δwt
2
q h 1 vdp
稳定流动特征 1）各截面上参数不随时间变化。
推导过程
流入系统的能量:
qm1
u1
p1v1
cf21 2
gz1
2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0···
流出系统的能量:
Ps
qm2
u2
p2v2
1 2
cf22
gz2
系统内部储能增量: ΔECV
流出：δW δmjej
δQ
d 内部贮能的增量：dE
δQ dE ejδmj eiδmi δWtot
Q E
工程热力学第三章 热力学第一定律
能量守恒原理：进入 控制体的增量－控制 体输出的能量＝控制 体中储存能的增量
进入控制体的能量Q(h11 2c12gz1)m1
离开控制体的能量W s(h21 2c2 2gz2)m 2
控制体储存能变化： dE cv(EdE )cvE cv 根据热力学第一定律建立能量方程
Q(h11 2c1 2gz1)m 1(h21 2c2 2gz2)m 2W sdEcv Q(h21 2c2 2gz2)m 2(h11 2c1 2gz1)m 1W sdEcv
可逆过程能量方程
可逆过程能量方程 以下二式仅适用可逆过程：
q du pdv
2
q u pdv 1
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，其热量、内能和膨 胀功三者之间的关系也适用于开口系统
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
h g i hi i 1
n
H n H i i 1
只有当混合气体的组成成分一定时，混合气体 单位质量的焓才是温度的单值函数
第六节 稳态稳流能量方程的应用
一、动力机
利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备
由q
(h2
h1)
1 2
(c22
c12
)
g(z2
z1)
ws
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
pv
对 移 动 1kg工 质 进 、 出 控 制 净 流 动 功
w
＝
f
p 2 v 2－
p1v1
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
进入控制体的能量Q(h11 2c12gz1)m1
离开控制体的能量W s(h21 2c2 2gz2)m 2
控制体储存能变化： dE cv(EdE )cvE cv 根据热力学第一定律建立能量方程
Q(h11 2c1 2gz1)m 1(h21 2c2 2gz2)m 2W sdEcv Q(h21 2c2 2gz2)m 2(h11 2c1 2gz1)m 1W sdEcv
可逆过程能量方程
可逆过程能量方程 以下二式仅适用可逆过程：
q du pdv
2
q u pdv 1
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，其热量、内能和膨 胀功三者之间的关系也适用于开口系统
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
h g i hi i 1
n
H n H i i 1
只有当混合气体的组成成分一定时，混合气体 单位质量的焓才是温度的单值函数
第六节 稳态稳流能量方程的应用
一、动力机
利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备
由q
(h2
h1)
1 2
(c22
c12
)
g(z2
z1)
ws
g(z2 z1) 0
1 2
(c22
pv
对 移 动 1kg工 质 进 、 出 控 制 净 流 动 功
w
＝
f
p 2 v 2－
p1v1
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
工程热力学第三章
9
3.2 理想气体的热容、 理想气体的热容、内能、 内能、焓和熵
一、热容和比热容 定义: 比热
C=
δq
dt
单位量的物质升高1K或1o C所需的热量 单位量的物质升高 或 所需的热量 kJ c : 质量比热容 kg ⋅K kJ Cm:摩尔比热容 kmol ⋅ K kJ C ′ : 容积比热容 Nm 3 ⋅ K
1 kmol : pVm = RmT
Vm：摩尔容积m3/kmol； Rm ：通用气体常数J/kmol·K； V：n kmol气体容积m3； P：绝对压力Pa ；v：比容 m3/kg； T：热力学温度K V：质量为m kg气体所占的容积；
1 kg : pv = RT
m kg : pV = mRT
3
4
R m与R的区别
27
pv v v = = RT RT / p v 0
相同温度、 相同温度、压力下， 压力下，实际气体体积与理想气 体体积之比
28
3.5 对比态定律与普遍化压缩因子
Z > 1, 即ν > ν 0
Z < 1, 即ν < ν 0
一、临界状态
临界点：C
p
C
相同温度、 相同温度、压力下， 压力下，实 相同温度 相同温度、 、压力下， 压力下， 际气体比理想气体难压 实际气体比理想气体 缩 易压缩 压缩因子反映了气体压缩性的大小。 性的大小。 压缩因子的大小不仅与物质种类 因子的大小不仅与物质种类有关 物质种类有关， 有关， 还与物质所处的状态 还与物质所处的状态有关 状态有关。 有关。
Rm——通用气体常数 通用气体常数 (与气体种类无关)
三、状态方程的应用
平衡态下的参数， 的参数，不能用于过程计算 1 求平衡态下的参数 两平衡状态间参数的计算 2 两平衡状态间参数的计算 标准状态与任意 状态与任意状态间的换算 任意状态间的换算 3 标准状态与 计算时注意事项 • 绝对压力 • 温度单位 温度单位 K • 统一单位 统一单位（ 最好均用国际单位 国际单位） （最好均用 国际单位 ）
3.2 理想气体的热容、 理想气体的热容、内能、 内能、焓和熵
一、热容和比热容 定义: 比热
C=
δq
dt
单位量的物质升高1K或1o C所需的热量 单位量的物质升高 或 所需的热量 kJ c : 质量比热容 kg ⋅K kJ Cm:摩尔比热容 kmol ⋅ K kJ C ′ : 容积比热容 Nm 3 ⋅ K
1 kmol : pVm = RmT
Vm：摩尔容积m3/kmol； Rm ：通用气体常数J/kmol·K； V：n kmol气体容积m3； P：绝对压力Pa ；v：比容 m3/kg； T：热力学温度K V：质量为m kg气体所占的容积；
1 kg : pv = RT
m kg : pV = mRT
3
4
R m与R的区别
27
pv v v = = RT RT / p v 0
相同温度、 相同温度、压力下， 压力下，实际气体体积与理想气 体体积之比
28
3.5 对比态定律与普遍化压缩因子
Z > 1, 即ν > ν 0
Z < 1, 即ν < ν 0
一、临界状态
临界点：C
p
C
相同温度、 相同温度、压力下， 压力下，实 相同温度 相同温度、 、压力下， 压力下， 际气体比理想气体难压 实际气体比理想气体 缩 易压缩 压缩因子反映了气体压缩性的大小。 性的大小。 压缩因子的大小不仅与物质种类 因子的大小不仅与物质种类有关 物质种类有关， 有关， 还与物质所处的状态 还与物质所处的状态有关 状态有关。 有关。
Rm——通用气体常数 通用气体常数 (与气体种类无关)
三、状态方程的应用
平衡态下的参数， 的参数，不能用于过程计算 1 求平衡态下的参数 两平衡状态间参数的计算 2 两平衡状态间参数的计算 标准状态与任意 状态与任意状态间的换算 任意状态间的换算 3 标准状态与 计算时注意事项 • 绝对压力 • 温度单位 温度单位 K • 统一单位 统一单位（ 最好均用国际单位 国际单位） （最好均用 国际单位 ）
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问题: 能量是否还有其它的传递方式?
观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。 问题：过程可逆的条件是什么？
气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
宏观动能：
Ek
1 2
mc2f
重力位能： Ep mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 U
宏观动能
Ek
宏观位能
EP
系统的储存能 E
即 E U Ek EP
或
E
U
1 2
mc2f
mgz
1kg工质的总能为比总能：
e
u
1 2
c
2 f
gz
内能 宏观动能 宏观位能 储存能
U Uk Up J
Ek
mc2 2
J
Ep mgz J
mc2 E U mgz
2
3-2 系统与外界传递的能量
一、作功与传热
✓ 作功和传热是能量传递的两种方式，因此功 量与热量都是系统与外界所传递的能量，其 值并不由系统的状态确定，而是与传递时所 经历的具体过程有关。所以，功量和热量不 是系统的状态参数，而是与过程特征有关的 过程量，称为迁移能。
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
热 源
左止点p1续4飞1源自轮v气缸热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
问题：左图中 阴影部分的面 积代表什么？
能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能 量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一 定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转 换中，能量的总量恒定不变。
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 间的相互转换的数量关系。
热力学第一定律：热能和机械能在转移 和转换的过程中，能量的总量必定守恒。
热力学能 比热力学能
符 号：
U
u
单 位： 焦耳（J）
J/kg
千焦(kJ)
kJ/kg
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
2
U 1 dU U2 U1
dU 0
u u u2 u1
du 0
二、外部储存能
需要用系统外的参考坐标系测量的参数来 表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的 宏观动能和重力位能：
pAl pV mpv
在作推动功时，工质的状态 没有改变（如图中的C点）， 因此推动功不会来自系统的 储存能－热力学能，而是系 统以外的物质，这样的物质 称为外部功源。
工质在传递推动功时只是单 纯地传递能量，像传输带一 样，能量的形态不发生变化。
✓ 工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面 作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功 （也是系统为维持工质流动所需的功）。
汽轮机简单模型
Wf p2V2 p1V1 ( pV )
wf p2v2 p1v1 ( pv)
工质从进口到出口，从状 态1膨胀到状态2，膨胀功 为w ，在不计工质的动能 与位能变化时，开系与外 界交换的功量应为膨胀功 与流动功之差w - ( pv )
四、 焓 一、焓的定义：
H U pV h u pv
热力系
内部能量
z 外部势能
一、热力学能(内能)
热力学能是储存在系统内部的能量， 它与系统内工质的内部粒子的微观运动和 粒子的空间位置有关，是下列各种能量的 总和：
✓ 分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
✓ 分子间相互作用形成的内位能。它是比体积 和温度的函数。
✓ 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。
第三章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练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。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；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；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。
德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环 保等相关的可持续发展观念的教育。
重 点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系 统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件， 在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过 程的计算。
难 点：热力学第一定律及其应用是本课程的重 点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢 固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件， 并能将理论与工程实际相联系。
焓的单位：J，比焓的单位：J/kg
二、焓是状态参数
h f ( p, v), h f ( p,T ), h f (T , v)
2
h1a2 h1b2 1 dh h2 h1 dh 0
三、焓的意义
✓焓是物质进出开口系统时带入或带出的热 力学能与推动功之和，是随物质一起转移 的能量。
热
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
3-1 热力学能和总能
➢能量是物质运动的度量，运动有各种不同 的形态，相应的就有各种不同的能量。
➢系统储存的能量称为储存能，它有内部储 存能与外部储存能之分。系统的内部储存 能即为热力学能，又称为内能。
下面的热力学系统具有哪些方面的能量?
cf
外部动能
作功： ✓ 借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。 ✓ 作功过程中往往伴随着能量形态的变化。
气缸
飞
轮
热 源
传热：
左止点
✓ 借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。
✓ 传热是相互接触的物体间存在温差时发生的 能量传递过程。
二、容积功
气缸
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
2
w 1 pdv
v
p 1
2
2
w 1 pdv
v
强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功
2. dv 0有 w 0 w 称为膨胀功 dv 0 有 w 0 w 称为压缩功 dv 0 有 w 0
可
逆
ｐ
过 程
│
中
ｖ容
图积
上功
的在
表
示
三、随物质流传递的能量
✓ 工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。
观察下面的过程,看热能是如何转换为功的
气缸
活塞
飞轮
热 源
工质、机器和热源组成的系统
假设过程是可逆的。 问题：过程可逆的条件是什么？
气缸
可逆过程模拟
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
宏观动能：
Ek
1 2
mc2f
重力位能： Ep mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 U
宏观动能
Ek
宏观位能
EP
系统的储存能 E
即 E U Ek EP
或
E
U
1 2
mc2f
mgz
1kg工质的总能为比总能：
e
u
1 2
c
2 f
gz
内能 宏观动能 宏观位能 储存能
U Uk Up J
Ek
mc2 2
J
Ep mgz J
mc2 E U mgz
2
3-2 系统与外界传递的能量
一、作功与传热
✓ 作功和传热是能量传递的两种方式，因此功 量与热量都是系统与外界所传递的能量，其 值并不由系统的状态确定，而是与传递时所 经历的具体过程有关。所以，功量和热量不 是系统的状态参数，而是与过程特征有关的 过程量，称为迁移能。
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
2
v
气缸
热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
热 源
左止点p1续4飞1源自轮v气缸热 源
左止点
p
1
续4飞1 轮
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
气缸
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
v
问题：左图中 阴影部分的面 积代表什么？
能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有能 量。能量既不可能创造，也不能消灭，它只能在一 定的条件下从一种形式转变为另一种形式。而在转 换中，能量的总量恒定不变。
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 间的相互转换的数量关系。
热力学第一定律：热能和机械能在转移 和转换的过程中，能量的总量必定守恒。
热力学能 比热力学能
符 号：
U
u
单 位： 焦耳（J）
J/kg
千焦(kJ)
kJ/kg
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
2
U 1 dU U2 U1
dU 0
u u u2 u1
du 0
二、外部储存能
需要用系统外的参考坐标系测量的参数来 表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的 宏观动能和重力位能：
pAl pV mpv
在作推动功时，工质的状态 没有改变（如图中的C点）， 因此推动功不会来自系统的 储存能－热力学能，而是系 统以外的物质，这样的物质 称为外部功源。
工质在传递推动功时只是单 纯地传递能量，像传输带一 样，能量的形态不发生变化。
✓ 工质在流动时，总是从后面获得推动功，而对前面 作出推动功，进出系统的推动功之差称为流动功 （也是系统为维持工质流动所需的功）。
汽轮机简单模型
Wf p2V2 p1V1 ( pV )
wf p2v2 p1v1 ( pv)
工质从进口到出口，从状 态1膨胀到状态2，膨胀功 为w ，在不计工质的动能 与位能变化时，开系与外 界交换的功量应为膨胀功 与流动功之差w - ( pv )
四、 焓 一、焓的定义：
H U pV h u pv
热力系
内部能量
z 外部势能
一、热力学能(内能)
热力学能是储存在系统内部的能量， 它与系统内工质的内部粒子的微观运动和 粒子的空间位置有关，是下列各种能量的 总和：
✓ 分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。
✓ 分子间相互作用形成的内位能。它是比体积 和温度的函数。
✓ 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。
第三章 热力学第一定律
教学目标：使学生深入理解并熟练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。 知识点：理解和掌握热力学第一定律基本表达式——基 本能量方程；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；掌握能量方程的内在联系 与共性，热变功的实质。 能力点：培养学生正确、灵活运用基本能量方程，对工 程实际中的有关问题进行简化和建立模型的能力。培养 学生结合系统的特点推导出闭口系、开口系及稳定流动 过程能量方程的逻辑思维能力和演绎思维能力。
德育点：对学生进行能源的合理利用、节能及环 保等相关的可持续发展观念的教育。
重 点：热力学第一定律的实质，闭口、开口系 统热力学第一定律解析式的表述形式及适用条件， 在不同工程场合中的热工计算，及充气和放气过 程的计算。
难 点：热力学第一定律及其应用是本课程的重 点内容，应深刻理解这个定律的普遍适用性，牢 固掌握各种热力学第一定律表达式的适用条件， 并能将理论与工程实际相联系。
焓的单位：J，比焓的单位：J/kg
二、焓是状态参数
h f ( p, v), h f ( p,T ), h f (T , v)
2
h1a2 h1b2 1 dh h2 h1 dh 0
三、焓的意义
✓焓是物质进出开口系统时带入或带出的热 力学能与推动功之和，是随物质一起转移 的能量。
热
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
3-1 热力学能和总能
➢能量是物质运动的度量，运动有各种不同 的形态，相应的就有各种不同的能量。
➢系统储存的能量称为储存能，它有内部储 存能与外部储存能之分。系统的内部储存 能即为热力学能，又称为内能。
下面的热力学系统具有哪些方面的能量?
cf
外部动能
作功： ✓ 借作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。 ✓ 作功过程中往往伴随着能量形态的变化。
气缸
飞
轮
热 源
传热：
左止点
✓ 借传热来传递能量不需要物体的宏观移动。
✓ 传热是相互接触的物体间存在温差时发生的 能量传递过程。
二、容积功
气缸
可逆过程的容积功在p—v图中的表示
续4飞1 轮
热 源
左止点
p
1
右止点
2
2
w 1 pdv
v
p 1
2
2
w 1 pdv
v
强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功
2. dv 0有 w 0 w 称为膨胀功 dv 0 有 w 0 w 称为压缩功 dv 0 有 w 0
可
逆
ｐ
过 程
│
中
ｖ容
图积
上功
的在
表
示
三、随物质流传递的能量
✓ 工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。