第2章 热力学第一定律和第二定律
热力学第一二定律
热力学第一二定律热力学是物理学的一个分支，研究能量的转化和能量之间的关系。
其中，热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的两个基本定律。
本文将详细介绍热力学第一定律和热力学第二定律的概念和应用。
热力学第一定律，又称能量守恒定律，表明能量在物理过程中的转化是守恒的。
简单来说，能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律的数学表达式为：∆U = Q - W其中，∆U代表系统内能量的变化，Q代表从外界传递给系统的热量，W代表系统对外界做的功。
根据热力学第一定律，一个封闭系统的内能变化等于系统所吸收的热量减去系统所做的功。
热力学第一定律的一个重要应用是热机效率的计算。
根据热力学第一定律，热机工作时，吸收的热量用来产生功和增加系统内能。
热机效率定义为输出功与吸收热量的比值，数学表达式为：η = W/Qh其中，η代表热机效率，W代表输出功，Qh代表吸收的热量。
根据热力学第一定律和热机效率的定义，可以计算出热机的效率。
热力学第二定律是指自然界中热量只能从高温物体传递到低温物体的方向性规律。
热能不可能自发地从低温物体传递到高温物体，这是因为熵增加的原因。
熵是一个衡量系统无序程度的物理量，也可以理解为系统的混乱程度。
热力学第二定律可以用多种方式表达，常见的表达方式之一是克劳修斯表达式：ΔS ≥ Q/T其中，ΔS代表系统的熵变，Q代表系统吸收的热量，T代表系统的温度。
根据热力学第二定律，系统的熵在吸收热量的情况下只能增加或者不变，但绝不会减少。
热力学第二定律的应用之一是热力学循环的研究。
热力学循环是指热机、制冷机等设备在工作中所经历的一系列热量和功的转化过程。
根据热力学第二定律，热力学循环的效率不可能达到100%，存在一个理论上的极限值，即卡诺循环效率。
卡诺循环效率由热机工作温度的比值决定，只有在温度无限接近的情况下，热机的效率才能无限接近卡诺循环效率。
总结起来，热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的两个基本定律。
热力学第一定律与第二定律
热力学第一定律与第二定律热力学是研究能量与热的转化和传递规律的科学，它是自然科学中重要的分支之一。
在热力学中，第一定律和第二定律是两个基本的定律，它们定义了能量守恒和能量转化的方向，对于理解热力学系统的行为和实际应用具有重要意义。
1. 热力学第一定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表明能量在系统与环境之间的传递和转化后总量保持不变。
它可以通过下式表达：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做的功。
根据热力学第一定律，一个封闭系统的能量是守恒的，能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律还可以用来推导出热机效率的表达式。
在一个热机中，根据热力学第一定律，系统吸收的热量等于系统对外界做的功加上系统内能的变化。
根据这个原理，我们可以得到热机效率的公式：η = 1 - Qc/Qh其中，η表示热机的效率，Qc表示热机向冷源放出的热量，Qh表示热机从热源吸收的热量。
这个公式表明，在一个热机中，不能把吸收的热量完全转化为功，一部分热量必须放出到冷源中，效率小于1。
2. 热力学第二定律热力学第二定律是热力学中最重要的定律之一，它表明热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，而是自发地从高温物体传递到低温物体。
热力学第二定律有多种等效的表述方式，其中最常见的是克劳修斯表述和开尔文表述。
克劳修斯表述中，热量不会自发地从冷热源传递到热热源，即不存在一个热机，它只从一个热源吸热，然后完全转化为功，再把一部分热量放到冷热源上，不对环境产生任何影响。
这相当于说，在一个封闭系统中，不存在一个循环过程，使得系统对外界做的功等于输入的热量。
这个等效表述被称为克劳修斯表述。
开尔文表述中，不可能制造一个只从一个热源吸热，然后完全转化为功的热机，而不对环境产生任何影响。
这相当于说，在一个封闭系统中，不存在一个循环过程，使得系统吸收的热量完全转化为功，不放出热量到冷热源。
第2章 热力学第一定律3
§2.3 恒容热，恒压热，焓
化学化工中常遇到两种特定条件下的过程
热：恒容热、恒压热。
1. 恒容热（QV）
对于封闭系统、恒容、W’
=0 ，系统与环 境交换的热，称为恒容热（QV） 。 dU =δQV + δW = δQV－pambdV +δ W ’ ∵ dV＝0，δ W ’=0 ∴δQV = dU QV = ΔU 积分式 ∵U只取决于系统的始态和末态。∴恒容 热QV也必然只取决于系统的末态和始态。
4. QV=ΔU，Qp=ΔH两关系式的意义
热虽然不是状态函数，但是在W’=0，恒压条件下， ΔH = Qp ；在W’=0，恒容条件下， ΔH =QV。 当不同的途径均满足恒容非体积功为零或恒压非体 积功为零的特定条件时，不同途径的热已经分别与 过程的热力学能变、焓变相等，故不同途径的恒容 热相等，不同途径的恒压热相等，而不再与途径有 关。设计恒容或恒压过程计算Q。
等 反 温 抗 外
压
等温
末态（273K，101325 Pa）
反 压
反抗外压（101325 Pa）膨胀 途径Ⅰ
等 抗 温 外
101325 Pa
506625 Pa
（273 K，506625 Pa）
途径Ⅱ
气体单纯pTV变化过程的不同途径
途径c 途径a 途径b
水升温蒸发过程的不同途径
热力学常见的过程：
11
（3） 平衡态
如果系统与环境之间没有任何物质和能量的交换， 系统中各个状态性质又均不随时间而变化，则称系 统处于热力学平衡态。 热力学平衡一般包括热平衡、力学平衡、化学平衡、 相平衡这四个平衡。 1） 热平衡：系统各部分的温度应相等。(T=T环) 2） 力学平衡：系统各部分之间在没有刚性壁存在 的情况下，系统各部分的压力相等。 (p=p环) 3）化学平衡：当系统各物质之间发生化学反应时达到 平衡后，系统的组成不随时间而改变。 4）相平衡：系统各相的组成和数量不随时间而改变。
工程热力学 第二章 热力学第一定律
wt
1 2
cf22
cf21
gz2
z1 ws
(2-11)
将轴功的表达式代入上式，即有：
2
1 d ( pv)
2
2
1 pdv 1 vdp
wt 12 pdv p2v2 p1v1 12 vdp (2-11a)
由上式可知，准静态过程的 技术功的大小可用过程线左边的 面积来表示。
准静态 pdv d( pv) wt
wt pdv d( pv) pdv ( pdv vdp) vdp
wt vdp wt vdp
准静态
q du pdv
q dh vdp
热一律解析式之一 热一律解析式之二
技术功在示功图上的表示
q12 (u2 u1) w12
Q dU pdV (2-4)
2
Q12
(U2
U1)
pdV
1
(2-4a)
q du pdv (2-4b)
2
q12
(u2 u1)
pdv
1
(2-4c)
2-3 开口系统能量方程 Energy balance for open system
式中各项的正负号规定为：系统吸热为正，放热为负； 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。
上式既适用于准静态过程，也适用于非准静态过程。
对于无耗散的准静态过程， w pdv
因此上述诸式可写为：
Q dU W
Q12 (U2 U1) W12
对1kg工质，有：
q du w
所以有：
h1 h2
1 2
3第二章热力学第一定律
●闭口热力系统总储存能的变化： △E=△U=U2-U1 闭口热力系统总储存能的变化：
热力学第一定律： 热力学第一定律： Q －W=△E=△U 或 Q =△U+ W
Q
W
一、闭口系统能量方程式
Q = U + W 一 δQ = dU + δW
般 式 q = u + w
Q
W
δq = du + δw δq = du + pdv
2
单位工质
适用条件： ） 适用条件：1）任何工质 2) 任何过程
●过程量
符号w ●符号
轴功
●定义 ●符号 ●实例
系统通过机械轴与外界传递的机械功 ws 规定系统输出轴功为正，输入为负 规定系统输出轴功为正， ws
…………… …………… …………… …………… ……………
ws
闭口系统
开口系统
2-4 焓enthalpy
流动工质传递的总能量 pV + U + 0.5mc2 + mgz h= u + pv 定义焓： 定义焓：H=U+ pV 单位： 单位： J（kJ） kJ） J/kg（kJ/kg） J/kg（kJ/kg） 对理想气体：h=u+pv=u+RT=f( ●H是状态参数 ，对理想气体：h=u+pv=u+RT=f(T) 是 H为广延参数 h为比参数 ● H为广延参数 H=U+pV= m(u+pv)= mh， h为比参数 物理意义： ●物理意义：
热力学第一定律与热力学第二定律的联系与区别
热力学第一定律与热力学第二定律的联系与区别热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的两个基本定律,描述了热力学系统的动态过程和平衡状态。
热力学第一定律指出,在一个封闭系统中,热量总是从高温物体流向低温物体,直到系统达平衡状态,即温度保持不变。
这意味着热量不能自由流动,必须有外力强制它流动。
热力学第二定律则指出,热量不可能自发地从低温物体流向高温物体,即热量的总供应量等于总需求。
这意味着热量的流动必须是有方向的,并且热量的分配必须遵守热力学第二定律。
联系:
热力学第一定律和热力学第二定律都是关于热量流动的规律,它们都强调了热量在系统中的平衡和流动是有方向的。
区别:
1. 解释不同:热力学第一定律强调的是热量的流动方向,而热力学第二定律强调的是热量的流动必须遵守一定的规律。
2. 适用范围不同:热力学第一定律适用于任何可逆热力学过程,而热力学第二定律仅适用于封闭的系统。
3. 限制条件不同:热力学第一定律没有限制热量的供应量或需求,而热力学第二定律则规定了热量的总供应量必须等于总需求,从而限制了热量的流动。
第二章 热力学第一定律
(ｐ始 =ｐ末，为等压过程）
3) 恒容过程： 过程中系统的体积始终保持不变(dV =0)
4) 绝热过程： 系统与环境间无热交换的过程，过程热Q＝0
5) 循环过程： 经历一系列变化后又回到始态的过程。 循环过程始末所有状态函数变化量∆X均为零 。
习题2.3：在25oC及恒定压力下，电解1molH2O(l), 求过程的体积功。
分析：利用体积功的计算式 恒压过程 (pamb = p)： W＝－p(V2－V1)
解：
H
2O(l )
H
2
(
g
)
1 2
O2
(g)
1mol
1mol 0.5mol
W p(V2 V1) pV2 ( ng )RT
(1.5 8.314 298.15)J 3.718kJ
∆12 X = X2 – X1
X1
始态
1
X2
2
末态
3
∆X
➢3. 对于循环过程，由于始末态相同，状态函数变化值为0。 ➢4. 定量，组成不变的均相流体系统，任一状态函数是另外 两个状态函数的函数，如V = f (T, p)。即状态函数之间互为函 数关系。
A
异途同归，值变相等；周而复始，其值不变
下列叙述中不是状态函数特征的是（ D ） A. 系统状态确定后，状态函数的值也确定 B. 系统变化时，状态函数的改变值只由系统 的始末态决定 C. 经循环过程，状态函数的值不变 D. 状态函数均有加和性
（2）经典热力学只考虑平衡问题：只考虑系统由始态到末 态的净结果，并依此解决诸如过程能量衡算、过程的方向、 限度的判断等热力学问题，至于由始态到末态的过程是如 何发生与进行的、沿什么途径、变化的快慢等等一些问题， 经典热力学往往不予考虑。
热力学第一定律和第二定律
热力学第一定律和第二定律热力学第一定律1. 内容：一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么外界对物体做的功W，与物体从外界吸收的热量Q之和,等于物体的内能的增加量2. 数学表达式：W+Q=ΔU(1)Q取决于温度变化：温度升高，Q>0;温度降低，Q<0.(2)W取决于体积变化：V增大时，气体对外做功，W<0;V减小时，外界对气体做功，W>0.(3)特例：如果气体向真空扩散，那么W=0.(4)绝热过程Q=0，关键词是“绝热材料”或“变化迅速”。
3. 热力学第1定律的理解(1)做功改变物体的内能：外界对物体做功，物体内能增加;物体对外做功，物体内能减少。
在绝热过程，物体做多少功，改变多少内能。
(2)热传递改变物体的内能：外界向物体传递热量，即物体吸热，物体的内能增加;物体向外界传递热量，即物体放热，物体的内能减少。
传递多少热量，内能就改变多少。
(3)做功和热传递的实质，做功改变内能是能量的变化，用功的数值来度量;热传递改变内能是能量的转移，用热量来度量。
热力学第二定律1.热传导的方向性：热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传导具有方向性，是一个不可逆过程。
2.补充说明：(1)“自发地”过程就是不受外界干扰的条件下进行的自然过程;(2)热量可以自发地从高温物体向低温物体传递，却不能自发的从低温物体传向高温物体;(2)热力学第二定律的能量守恒表达式：ds≥δQ/T(3)热量可以从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。
3.热力学第二定律的两种表述(1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传向高温物体。
(2)开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功，而不引起其他变化。
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cf21
h0
滞止（总）焓
绝热滞止
16
q
h2
h1
1 2
(cf22
cf21 )
g(z2
z1 )
ws
(B)
3）蒸汽轮机、燃气轮机
流进系统： u1 p1v1 h1
流出系统： u2 p2v2 h2 , ws
内部储能增量： 0；q=0；忽略进出口动能和位能
h1 h2 ws wt
4) 压气机，水泵类
4302661 *4303771
8
2.2 稳定流动能量方程式
2.2.1 稳定流动特征
1）各截面上参数不随时间变化。 2）ΔECV = 0， ΔSCV = 0， ΔmCV = 0··· 注意：区分各截面间参数可不同。
9
2.2.2 稳定流动能量方程式
流入系统的能量
qm1
u1
p1v1
cf21 2
因绝热 q 0 据
2
q h 1 vdp
h p2 vdp p1
h
1 2
cf2
gz
ws
0
p2 p1
vdp
v( p2
p1 )
1
( p2
p1 )
14
q
h2
h1
1 2
(cf22
cf21 )
g(z2
z1 )
ws
(B)
若流体不可压缩
p2 p1
vdp
v( p2
p1 )
1
( p2
p1 )
p1
c2 f,1
解： 有理由认为便携式吹风机前后的空气压力和温度均无 显著变化，以吹风机为控制体积，能量方程
4
★ 热力学第一定律的解析式
加入系统的能量总和－热力系统输出的能量总和 = 热力系总储存能的增量
δW
δmiei
E
δm j e j
E+dE
δQ
d
流入： δQ δmiei
流出： δW δmjej
内部贮能的增量：dE
5
δW
δmiei
E
δm j e j
E+dE
δQ
d
δQ dE (eδm) j (eδm)i δWtot
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
q h wt δq dh δwt
2
可逆
q h 1 vdp
δq dh vdp
13
q
h2
h1
1 2
(cf22
cf21 )
g(z2
z1 )
ws
(B)
2.2.3 稳定流动能量方程式应用
1) 伯努利方程
流体在通道中一维稳定绝热流 动，截取的控制体积列能量方程
2
gz1 ws
p2
c2 f,2
2
gz2
0
进口截面流体总能量加上输入的轴功等于流出截面的总能量
p1
c2 f,1
2
gz1
p2
c2 f,2
2
gz2
理想流体伯努利方程
如果液体静止 cf,1 cf,2 0
p1
c2 f,1
2
gz1
p2
c2 f,2
2
gz2
p1
gz1
p2
gz2
流体静力学方程
15
h3
1 2
cf23
gz3
流出：
qm1
h2
1 2
cf22
gz2
qm2
h4
1 2
cf24
gz4
内部储存能增量：0；q=0
若忽略动能差、位能差
h4
h3
qm1 qm2
h1 h2
A4131333 A4312661 A4332771
18
例1 便携式吹风机以18m/s吹出空气，流量为0.2kg/s，求吹风机 的最小功率。
δq du δw
第一定律第一解析式— 热
功的基本表达式
7
讨论：
Q U W q u w
δQ dU δW δq du δw
1）对于可逆过程
δQ dU pdV
2）对于循环 Q dU W Qnet Wnet
3）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的 “+‖、“–‖、数值大小。
或
Q E
2 1
(eδm)
j
(eδm)i
Wtot
dE
d
(eqm )
j
(eqm )i
Ptot
6
2.1.2 闭口系统能量方程
闭口系， δmi 0 δmj 0
Q E
2 1
e j δm j
eiδmi
Wtot
忽略宏观动能Ek和位能Ep， E U
Q U W δQ dU δW
q u w
第二章 习题1
P.61-62 2-2；2-3；2-7；2-9；2-10； 2-12.
1
热工学
PYROLOGY 第二章 热一律和热二率 同济大学机械与能源工程学院
吴家正
2
目录
2.1 热力学第一定律及其解析式 2.2 稳定流动能量方程式 2.3 热力学第二定律 2.4 熵方程和孤立系统熵增原理 2.5 能量的作功能力、火用
1 2
cf22 cf21
g
z2 z1
ws
(B)
讨论： 1）改写式（B）为式（C） 输出轴功
q
u
ws
p2v2
p1v1
1 2
cf22 cf21
g z2 z1
（C）
热能转变 成功部分
流动功
机械能增量
11
2）技术功— 技术上可资利用的功 wt
wt
ws
1 2
cf2
gz
由式（C） q
u
gz1
– 流出系统的能量
Ps
qm2
u2
p2v2
1 2
cf22
gz2
= 系统内部储能增量 ΔECV
考虑到稳流特征： ΔECV=0 qm1= qm2= qm; 及h = u+ pv
10
qm
h2
h1
qm
cf22 2
cf21 2
qm g
z2
z1
PS
( A)
q
h2
h1
3
2.1 热力学第一定律及其解析式
热力学第一定律的本质是能量守恒与转换定律。
2.1.1 热力学第一定律的表述和一般关系式
★热力学第一定律 热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们
之间的比值是一定的。 或： 热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时必定产生相
应量的功；消耗一定量的功时，必出现与之相应量的热。
ws
p2v2
p1v1
1 2
cf22 cf21
g z2 z1
q u wt p2v2 p1v1 (D)
wt w p2v2 p1v1
δwt δw d pv
可逆过程
δwt pdv d pv vdp
12
3) 热力学第一定律第二解析式
wt
ws
1 2
cf2
gz
1
q h2 h1 2
流入
h1
,
cf21 2
gz1
,
ws
流出
h2
,
cf22 2
gz2
,q
内部储能增量：0； 忽略进出口动能和位能
wC wt h2 h1 q
17
q
h2
h1
1 2
(cf22
cf21 )
g(z2
z1 )
ws
(B)
5）换热器（锅炉、加热器等）
流入：
qm1
h1
1 2
cf21
gz1
qm2
q
h2
h1
1 2
(cf22
cf21 )
g(z2
z1 )
ws
(B)
2） 绝热滞止
流体在不作功的绝热流动过程中，因受 到某种物体的阻碍而流速降低为零的过 程称为绝热滞止过程。
h
1 2
cf2
gz
ws
0
cf 0, h hmax
对于气体工质，忽略位能
h2
1 2
cf22
h1
1 2
cf21
hmax
h1
1 2