工程热力学 课件 第二章 热力学第一定律
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▪ 热力学能用符号U表示，单位是焦耳（J）；比 热力学能用符号u表示，单位是J/kg
▪ 热力学能是状态参数，可以表示为两个独立状态 参数的函数
ufT,v 或ufT,p u，fp,v
h
2
➢ 总能
▪ 内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏 观运动动能及位能的总和，叫做工质的总储存能， 简称总能
▪ 总能用E表示，动能和位能分别用Ek和Ep表示，则
Q W U U 2 U 1
或
QUW
其微分形式是 QdU W
对于1kg工质 quw
qduw
h
8
▪ 系统吸热Q为正，系统对外作功W为正，反之则 为负；系统的热力学能增大ΔU为正，反之为负
▪ 该式适用于可逆过程也适用于不可逆过程，对工 质性质也没有限制
▪ 对于可逆过程， W pdV
2
故 QdUpdV Q ，U1 pdV
w-(p2v2-p1v1) ▪ 热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压
缩联系在一起的
h
5
h
6
2-4 焓
➢焓
▪ 焓用符号H表示，单位为J，比焓用h表示，单位为 J/kg
HUpV hupv
▪ 焓是状态参数，可以表示为两个独立状态参数的函 数
hfT,v 或hfT,p h，fp,v
2
h 1 a 2 h 1 b 21d hh 2h 1
dh 0
▪ 工质通过界面流入热力系统时，把热力学能和从外
部功源获得的推动功带进系统，随工质移动而转移 的能量等于焓
h
7
2-5 热力学第一定律的基本能量方程式
➢ 能量平衡方程式
▪ 系统能量平衡的基本表达式
进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能 量的增加
▪ 热力学第一定律的基本能量方程式—闭口系能量 方程式
第二章 热力学第一定律
2-1 热力学第一定律的实质
➢ 热力学第一定律
▪ 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时， 它们间的比值是一定的
▪ 热可以变为功，功也可以变为热，一定量的热消失 时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与 之对应的一定量的热
h
1
2-2 热力学能和总能
➢ 热力学能
▪ 内动能、内位能及维持一定分子结构的化学能和 原子核内部的原子能，以及电磁 场作用下的电 磁能等一起构成所谓的热力学能
由于E=me，V=mv，h=u+pv，则得开口系能量方程
Q dCE V h 2 c 2 2 f2 g2 zm 2 h 1 c 2 2 f1 g1 z m 1W i Q dC E Vj h c 2 2 f g o zu m o t uit h c 2 2 f g iz n m in W i d d C E Vj h c 2 2 f g o zq u m ,o t uti h c 2 2 f g iz n q m ,in P i
EUEkEp
Ek
1 2
mc2f
Ep mgz
EU12mc2f mgz
eu12c2f gz
h
3
2-3 能量的传递和转化
➢ 作功和传热
▪ 能量传递的两种方式：作功和传热
▪ 借作功来传递热量总是和物体的宏观位移有关， 而传热则不需要有物体的宏观移动
▪ 热能变机械能的过程：一是能量转换的热力学过 程，二是单纯的机械过程
离开系统的能量 d2 Ep2d2 VW i
控制容积的储存能增量 dECV
根据热力学第一定律 d 1 p 1 E d 1 Q V d 2 p E 2 d 2 W V i d CE V
h
12
整理得 Q d C E d V 2 p 2 E d 2 d V 1 p 1 E d 1 W V i
2
或 qdupdv ，qu1 pdv
对于循环 QdU W
由于 dU0 所以QW
即
Qnet Wnet
，qnet wnet
h
9
Biblioteka Baidu
h
10
h
11
2-6 开口系统能量方程式
➢ 开口系能量方程
▪ 工质在同一截面上各点的热力状态参数及流速近 似相同
▪ 开口系能量方程
微元过程中的能量平衡
进入系统的能量 d1E p1d1V Q
2
QH Vdp 1
Q ，dHVdp
h
18
h
19
2-7 能量方程式的应用
➢ 动力机
▪ 工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降 低，对机器作功，忽略动能差，位能差及散热损 失，1kg工质对机器所作的功为
2
2
2
2
w t 1p d p 1 v 1 v p 2 v 2 1p d 1d v p v 1vd
或 wt vdp
▪ 引进技术功概念后，稳定流动能量方程式改写为
qh 2h 1w t hw t
对于质量为m的工质 QHWt
对于微元过程 qdhwt
QdHWt
2
若过程可逆 qh vdp 1
，qdhvdp
h
15
当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程可写 作
QH1 2mc2 f mg zW i
或 QdH 1 2m2 fdm c gdW iz
▪ 稳定流动能量方程式是根据能量守恒与转换定律导 出的，除流动必须稳定外无任何附加条件
h
16
➢ 稳定流动能量方程式的分析
▪ 稳定流动能量方程式改写为
q u1 2 c2 f g z pv w i
h
4
➢ 推动功和流动功
▪ 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功 推动功 = pV = mpv
▪ 工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也不 会有能量形态的变化
▪ 推动功只有在工质移动位置时才起作用 ▪ 流动功：推动功差Δ(pv)=p2v2-p1v1是系统为维
持工质流动所需的功，称为流动功 ▪ 开口系与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差
h
13
h
14
➢ 稳定流动能量方程
▪ 稳定流动过程：流动过程中开口系统内部及其边 界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间 而变
▪ 稳定流动的必要条件可表示为
dECV 0
d
， qm ,in qm ,out
代入开口系能量方程，得到
qh1 2c2f gzwi
或 qdh 1 2d2 fcgdzwi
▪ 工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能 总等于膨胀功
▪ 技术功：工质的动能、位能与工质对机器作的功 之和是技术上可资利用的功，称之为技术功
w tw i1 2c2 f2c2 f1gz2z1
由于 quw ，则
w t w p w v p 2 v 2 p 1 v 1
h
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对于可逆过程
▪ 热力学能是状态参数，可以表示为两个独立状态 参数的函数
ufT,v 或ufT,p u，fp,v
h
2
➢ 总能
▪ 内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏 观运动动能及位能的总和，叫做工质的总储存能， 简称总能
▪ 总能用E表示，动能和位能分别用Ek和Ep表示，则
Q W U U 2 U 1
或
QUW
其微分形式是 QdU W
对于1kg工质 quw
qduw
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▪ 系统吸热Q为正，系统对外作功W为正，反之则 为负；系统的热力学能增大ΔU为正，反之为负
▪ 该式适用于可逆过程也适用于不可逆过程，对工 质性质也没有限制
▪ 对于可逆过程， W pdV
2
故 QdUpdV Q ，U1 pdV
w-(p2v2-p1v1) ▪ 热能和机械能的可逆转换总是与工质的膨胀和压
缩联系在一起的
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2-4 焓
➢焓
▪ 焓用符号H表示，单位为J，比焓用h表示，单位为 J/kg
HUpV hupv
▪ 焓是状态参数，可以表示为两个独立状态参数的函 数
hfT,v 或hfT,p h，fp,v
2
h 1 a 2 h 1 b 21d hh 2h 1
dh 0
▪ 工质通过界面流入热力系统时，把热力学能和从外
部功源获得的推动功带进系统，随工质移动而转移 的能量等于焓
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2-5 热力学第一定律的基本能量方程式
➢ 能量平衡方程式
▪ 系统能量平衡的基本表达式
进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能 量的增加
▪ 热力学第一定律的基本能量方程式—闭口系能量 方程式
第二章 热力学第一定律
2-1 热力学第一定律的实质
➢ 热力学第一定律
▪ 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时， 它们间的比值是一定的
▪ 热可以变为功，功也可以变为热，一定量的热消失 时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与 之对应的一定量的热
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2-2 热力学能和总能
➢ 热力学能
▪ 内动能、内位能及维持一定分子结构的化学能和 原子核内部的原子能，以及电磁 场作用下的电 磁能等一起构成所谓的热力学能
由于E=me，V=mv，h=u+pv，则得开口系能量方程
Q dCE V h 2 c 2 2 f2 g2 zm 2 h 1 c 2 2 f1 g1 z m 1W i Q dC E Vj h c 2 2 f g o zu m o t uit h c 2 2 f g iz n m in W i d d C E Vj h c 2 2 f g o zq u m ,o t uti h c 2 2 f g iz n q m ,in P i
EUEkEp
Ek
1 2
mc2f
Ep mgz
EU12mc2f mgz
eu12c2f gz
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2-3 能量的传递和转化
➢ 作功和传热
▪ 能量传递的两种方式：作功和传热
▪ 借作功来传递热量总是和物体的宏观位移有关， 而传热则不需要有物体的宏观移动
▪ 热能变机械能的过程：一是能量转换的热力学过 程，二是单纯的机械过程
离开系统的能量 d2 Ep2d2 VW i
控制容积的储存能增量 dECV
根据热力学第一定律 d 1 p 1 E d 1 Q V d 2 p E 2 d 2 W V i d CE V
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整理得 Q d C E d V 2 p 2 E d 2 d V 1 p 1 E d 1 W V i
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或 qdupdv ，qu1 pdv
对于循环 QdU W
由于 dU0 所以QW
即
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，qnet wnet
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2-6 开口系统能量方程式
➢ 开口系能量方程
▪ 工质在同一截面上各点的热力状态参数及流速近 似相同
▪ 开口系能量方程
微元过程中的能量平衡
进入系统的能量 d1E p1d1V Q
2
QH Vdp 1
Q ，dHVdp
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2-7 能量方程式的应用
➢ 动力机
▪ 工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机时，压力降 低，对机器作功，忽略动能差，位能差及散热损 失，1kg工质对机器所作的功为
2
2
2
2
w t 1p d p 1 v 1 v p 2 v 2 1p d 1d v p v 1vd
或 wt vdp
▪ 引进技术功概念后，稳定流动能量方程式改写为
qh 2h 1w t hw t
对于质量为m的工质 QHWt
对于微元过程 qdhwt
QdHWt
2
若过程可逆 qh vdp 1
，qdhvdp
h
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当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程可写 作
QH1 2mc2 f mg zW i
或 QdH 1 2m2 fdm c gdW iz
▪ 稳定流动能量方程式是根据能量守恒与转换定律导 出的，除流动必须稳定外无任何附加条件
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➢ 稳定流动能量方程式的分析
▪ 稳定流动能量方程式改写为
q u1 2 c2 f g z pv w i
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➢ 推动功和流动功
▪ 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功 推动功 = pV = mpv
▪ 工质在传递推动功时没有热力状态的变化，也不 会有能量形态的变化
▪ 推动功只有在工质移动位置时才起作用 ▪ 流动功：推动功差Δ(pv)=p2v2-p1v1是系统为维
持工质流动所需的功，称为流动功 ▪ 开口系与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差
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➢ 稳定流动能量方程
▪ 稳定流动过程：流动过程中开口系统内部及其边 界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间 而变
▪ 稳定流动的必要条件可表示为
dECV 0
d
， qm ,in qm ,out
代入开口系能量方程，得到
qh1 2c2f gzwi
或 qdh 1 2d2 fcgdzwi
▪ 工质在状态变化过程中从热能转变而来的机械能 总等于膨胀功
▪ 技术功：工质的动能、位能与工质对机器作的功 之和是技术上可资利用的功，称之为技术功
w tw i1 2c2 f2c2 f1gz2z1
由于 quw ，则
w t w p w v p 2 v 2 p 1 v 1
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对于可逆过程