第二章热力学第一定律及其应用解读
工程热力学(第2章--热力学第一定律)
第二章 热力学第一定律
本章主要内容
热力学第一定律的实质 系统储存能 闭口系能量方程 状态参数焓 开口系能量方程及其应用
2
2-1 热力学第一定律的实质
➢19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生） 发现并确定了能量转换与守恒定律。恩格斯 将其列为19世纪三大发现之一（细胞学说、 达尔文进化论）。
5
永动机设想？
Q
电
锅 炉
加 热 器
汽轮机 发电机
凝
给水泵
汽
器
Wnet
Qout
6
2-2 系统储存能
➢ 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。
系统储存能
内部储存能 （热力学能）
外部储存能 （宏观机械能）
➢能量转换与守恒定律指出：一切物质都具有 能量。能量既不可能被创造，也不可能被消 灭，它只能在一定的条件下从一种形式转变 为另一种形式。而在转换过程中，能的总量 保持不变。
3
实质：热力学第一定律是能量转换与守恒 定律在热力学中的具体应用。
热功转换可归结为两种运动形式之间的转化：
宏观物体的机械运动 微观分子的热运动
说明：由计算结果可知，将汽轮机的散热量忽略不计时，对汽轮机
功率的影响并不大。所以，将汽轮机内蒸汽的膨胀作功过程看成是绝热 过程来分析是合理的。
30
例2-3 某300MW机组，锅炉的出力为qm=1024×103kg/h，出口蒸
汽锅每焓炉小为的时h效的2=率燃33煤η92量炉.=3B9K？2J%/，kg标，准锅煤炉发进热口量给q水煤=焓29为27h01=K1J1/9k7g.，3K求J/锅kg炉，
热工流体第二章 热力学第一定律
第二章 热力学第一定律第一节 第一定律的实质及热力学能和总能能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一，它指出：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量总量不变。
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
它确定了热力过程中热力系统与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。
一、热力学能热力学能是与物质内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关的能量。
它包括分子移动、转动、粒子震动运动的内动能和分子间由于相互作用力的存在而具有的内位能，故又称内能。
内动能取决于分子热运动，是温度的函数，而内位能取决于分子间的距离，是比体积的函数，即u = f ( T, v )二、总能除热力学能外，工质的总能量还包括工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观运动速度而具有动能、因有不同高度而具有位能。
前一种能量称之为内部储存能，后两种能量则称之为外部储存能。
我们把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和位能的总和，叫做工质的总储存能，简称总能。
即p k E U E E =++ （2-1）E---总能； U---热力学能； E k ---宏观动能； E p ---宏观位能。
第二节 第一定律的基本能量方程及工质的焓一、焓在有关热力计算总时常有U+pV 出现，为了简化公式和计算，把它定义为焓，用符号H 表示，即H=U+pV （2-2）1kg工质的焓值称为比焓，用h表示，即h=u+pv （2-3）焓的单位是J，比焓的单位是J/kg。
焓是一个状态参数，在任一平衡状态下，u、p和v都有一定得值，因而焓h也有一定的值，而与达到这一状态的路径无关。
当1kg工质通过一定的界面流入热力系统时，储存于它内部的热力学能当然随着也进入到系统中，同时还把从外部功源获得的推动功pv带进了系统。
因此系统中因引进1kg工质而获得的总能量是热力学能与推动功之和（u+pv），即比焓。
02第二章 热一律2-1热力学第一定律的实质及表达式
吸热膨胀作功（参看图2-3c） 吸热膨胀作功 外界供给热量 –Q 膨胀功 –W 热力学能 –U2
排气过程中（参看图2-3d） 排气过程中 外界消耗排气功 外界获得推动功 排气后（参看图2-3a） 排气后 质量 m = 0 总能量 E2 = 0
开口系在一个工作周期中的能量进出情况
Q=Q ∆E = 0
1 2 2 w = ( p2 v2 − p1v1 ) + (c2 − c1 ) + g ( z 2 − z1 ) + wsh 2
（2-16）
总功（Wtot ）、膨胀功（W ）、技术功（ W t ）和轴功 （W sh ）之间的区别和内在联系 膨胀功、技术功、轴功孰大孰小取决于 ( p 2 v2 − p1v1 ) 1 2 2 (c2 − c1 ) 、 g ( z 2 − z1 ) 的大小和正负。
二、热力学第一定律表达式
1、一般热力系能量方程
- 热力学第一定律基本表达式
热力系总能量(total stored energy of system)为E（图2-1a）。它是 热力学能（U）、宏观动能（EK）和重力位能（EP）的总和： 热力学能，内部储存能 热力学能，
E =U+Ek +Ep
宏观动能 总能 宏ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位能 外部储存能
e =u+ek +ep
根据质量守恒定律可知：热力系质量的变化等于流进和流出 质量的差：
dm = δm1 − δm2
根据热力学第一定律可知：
热力系输出的能量的总和= 加入热力系的能量的总和 - 热力系输出的能量的总和=热力系总能量的增量
（δQ + e1δm1） (δW总 + e2δm2 ) = ( E + dE ) − E −
第二章 热力学第一定律
（二）热力学第一定律
热力学第一定律实质就是能量守恒和转换 定律在热现象上的应用。 表述1：热可以变为功，功也可以变为热；一 定量的热消灭，必产生一定量的功；消耗一 定量的功时，必出现与之相应数量的热。
表述2：第一类永动机是造不成的
First Law of Thermodynamics
In 1843, at the age of 25, James Prescott Joule did a series of careful experiments to prove the equivalence of heat and work.
A p V
dl
对推进功的说明
1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在 2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化
3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量 4、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
4、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。
三、稳定流动能量方程
Energy balance for steady-flow systems
稳定流动条件
（P22)
1、
•
•
•
mout min m
2、
•
Q Const
min
uin 1 2
c
2 in
gzin
3、
•
•
Wnet ConstWs
三、总能
热力系统的储存能： 储存于热力系统的能量。 （1）内部储存能———热力学能 （2）外部储存能———宏观动能，宏观位能。
热力学第一定律的含义与应用
热力学第一定律的含义与应用热力学是研究能量转化和能量传递规律的科学，而热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，它揭示了能量守恒的基本原理。
本文将详细探讨热力学第一定律的含义及其在实际生活和工程中的应用。
一、热力学第一定律的含义热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，它表明能量在系统中的转换和传递是有限制的。
换句话说，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式或从一处传递到另一处。
根据热力学第一定律，一个封闭系统中的能量变化等于能量输入减去能量输出，即ΔU = Q - W。
其中，ΔU表示内能的变化，Q表示系统从外界吸收的热量，W表示系统对外界做的功。
这个公式清楚地说明了能量的守恒性质。
热力学第一定律的含义可以理解为，能量不会从不存在的地方出现，也不会无中生有地消失，它只是在系统中不断地转换和传递。
这个定律对于研究能量转化和能量传递具有重要的指导意义，可以帮助我们理解和解释各种自然和工程现象。
二、热力学第一定律的应用1. 动力系统中的应用热力学第一定律在动力系统中有广泛的应用。
以内燃机为例，根据热力学第一定律，内燃机的输出功等于燃烧室吸收的热量减去排出的废气所做的工作。
通过合理地控制热量的输入和输出，可以提高内燃机的效率，减少能量的浪费。
2. 热力学循环中的应用热力学第一定律也在热力学循环中有着重要的应用。
例如在汽车的发动机中，根据热力学第一定律，我们可以分析汽缸内的热量输入和输出情况，从而确定汽车发动机的效率。
同时，还可以通过热力学循环的优化设计，提高汽车发动机的工作效率，降低油耗和排放。
3. 能源利用中的应用热力学第一定律的应用还可以拓展到能源利用领域。
能源的开发和利用是人类社会的重要任务，而热力学第一定律可以帮助我们优化能源的利用方式。
通过对能量输入和输出的分析，可以提出合理的能源利用方案，高效地利用能源资源，降低能源消耗和环境污染。
4. 生态系统中的应用除了工程领域，热力学第一定律在生态系统中也有一定的应用。
02第二章 热力学第一定律 重点和难点
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 有
2 2 cf2 cf1 Q H 2 H1 qm qm g z2 z1 WS 2 2 1 2 q h2 h1 cf2 cf21 g z2 z1 ws 2
3)第一定律第二解析式 把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式
1 2 q h2 h1 cf 2 cf21 g z2 z1 ws 2 ( B)
2
q h wt δq dh δwt
可逆 q h 1 vdp
δq dh vdp
几种功及相互之间的关系
名称 含义 说明
1）当系统可逆时δw＝pdv 2）膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉 3）膨胀功往往对应闭口系所求的功 1）轴功是开口系所求的功 W 2) 当工质进出口间的动、位能差被忽略时， pdV Wt＝Ws此时开口系统所求的功也是技术功
2 1
体积变化 系统体积变化 功W 所完成的功
轴功Ws 流动功 Wf. 系统通过轴与 外界交换的功
开口系付诸于质 量迁移所作的功
流动功是进出口推动功之差， 即Wf=Δ(pV)=p2V2-p1V1
技术功Wt 技术上可资利 用的功
1)Wt与Ws的关系 Wt＝m Δ cf2/2+mg Δz+Ws 2) Wt与W，Wf的关系 Wt=W－Wf 3)当过程可逆时， δ W＝－Vdp，这也是动、 位能差不计时的最大轴功
2）技术功(technical work)—技术上可资利用的功 wt 1 2 wt ws cf g z 2 由（C）
q u wt p2v2 p1v1 (D)
工程传热学-第二章 热力学第一定律
1 2
c
2 f
2
gz2 )
p2v2 ]
m1[(u1
1 2
c
2 f
1
gz1 )
p1v1 ]
W s
Q
dE
d
qm2
[(u2
1 2
c
2 f
2
gz2 )
p2v2 ]
qm1 [(u1
1 2
c
2 f
1
gz1 )
p1v1 ]
Ps
2.4 稳定状态稳定流动能量方程式
Q - W U Q U W
对热力过程：
Q1-2 U1,2 W1-2
q1-2 u1,2 w12 (u2 u1 ) w12
对微元过程：
q w du
适用范围：Ek 0, E p 0，初、终态平衡状态，
闭口系统，任意工质，任意过程。
开口系统遵循的定律：能量守恒，质量守恒。
质量守恒定律：开口系统内增加的质量等于流入和流出系统 的质量之差：
dm m1 m2 dm m1 m2 d d d
dm
d qm1 qm2
（连续性方程）
能量守恒定律：输入系统的能量—由系统输出的能量=系统 贮存能量的变化
① 轴功δ Ws：开口系统和外界通过进出口截面以外的边界 (一般为机器轴)所传递的功。
②推动能：微元工质流经进口截面1-1处，外界推动工质进 入系统需要消耗能量，其大小为：
p 1 A 1 dx p1 dV1 p1 v 1m 1
同理在出口截面2-2 ，系统将消耗能
热力学第一定律与第二定律的解释和应用
热力学第一定律与第二定律的解释和应用热力学是研究能量转化和守恒的物理学科，而热力学的两个基本定律：第一定律和第二定律，则为我们提供了描述能量转化和守恒的重要规律。
在本文中，我们将详细解释这两个定律，并探讨它们在实际应用中的重要性。
首先，我们来解释热力学的第一定律。
第一定律也被称为能量守恒定律，它表明能量不会消失或产生，只会从一种形式转化为另一种形式。
换句话说，系统的内部能量是一个守恒量，它可以通过传热和做功的方式进行转移。
这里的“传热”指的是热量从高温物体流向低温物体，而“做功”则是指通过力的作用使物体的位置发生变化。
根据第一定律，一个系统在吸热（Q）和做功（W）的过程中，其内部能量的变化（ΔU）可以通过以下方程表示：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内部能量的变化，Q表示传给系统的热量，W表示系统对外做的功。
这个方程告诉我们，系统的内部能量的增加等于由外界传给系统的热量减去系统对外做的功。
通过控制传热和做功的过程，我们可以实现能量的转化和控制。
接下来，我们来讨论热力学的第二定律。
第二定律是描述自然过程中不可逆性的原理，也被称为热力学箭头定律。
根据第二定律，自然界中一些过程是不可逆的，这意味着它们只能在一个特定的方向上发生。
最经典的例子就是热量从高温物体流向低温物体，而不会发生反方向的现象。
这个方向性规律被称为熵增原理，也可以用熵的概念来描述。
熵是衡量系统无序程度的物理量。
根据熵增原理，一个孤立系统的熵在不可逆过程中总是增加的，而在可逆过程中保持不变。
换句话说，自然界的过程倾向于朝着更加无序和不稳定的状态发展。
例如，一个热杯中的热水最终会均匀分布在整个杯子中，而不是保持局部的热度。
这个过程中热量的传递会产生系统的熵增加。
第二定律在能源转化和热机工作中起着重要作用。
例如，著名的卡诺循环是一种理论上最高效的热机循环，它基于第二定律的原理。
卡诺循环利用了两个热源之间的温差，从高温热源吸收热量，并将一部分功用于做功，最终将剩余的热量排放到低温热源。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(1) 单纯 pVT 变化 (2) 相变化 (3) 化学变化
具体的常见过程：
1) 恒温过程(T＝T环＝C) 2) 恒压过程（P=P外压＝C）
3) 恒容过程(V=定值)
4) 绝热过程(Q=0)
5) 循环过程(△X=0)
可逆过程
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
开心一练
1．当系统的状态一定时，所有的状态函数都有一
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
系统分类
（3）敞开系统（open system） 系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
系统分类
例．在一个绝热容器中盛有水，水中浸有电热丝，通电加热， 如将下列不同对象看作是系统，则分别为何种系统：
返回
2020/11/18
状态与状态函数
(2) 状态函数在数学上具有全微分的性质。
全微分的两个性质： (a)全微分的积分与积分途径无关
X
X2 X1
dX
X2
X1
环路积分为零 dX 0
(b) 全微分为偏微分之和。
dX
( X x
)
y
dx
(
X y
)x dy
(3) 热力学状态函数是系统热力学状态的单值函数
不具有加和性，如温度、
2020/11/18
状态与状态函数
V1, T1 V2, T2
V= V1+V2 T≠ T 1+ T 2
V：广度量 T：强度量
广度性质 广度性质
强度性质
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
状态与状态函数
平衡态：在一定条件下，系统中各个相的热力学性 质不随时间变化，且将系统与环境隔离后，系统的 性质仍不改变的状态，则体系就处于热力学平衡态。
环境
环境（surroundings）
与系统密切相关、有相互作用或影响所能及的部
分称为环境。
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
系统分类
根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （1）封闭系统（closed system）
系统与环境之间无物质交换，但有能量交换。
上一内容 下一内容 回主目录
平衡态
热平衡 力平衡 相平衡
单一温度 单一压力 无任何相变
化学平衡
上一内容 下一内容 回主目录
化学反应停止
返回
2020/11/18
状态与状态函数
热平衡 力平衡 相平衡 化学平衡
热力学 平衡态
确定数值和 物理意义的 强度性质的 状态函数
补充说明：若系统内有绝热壁和刚性壁隔开时，只要 壁的两侧各自处于平衡态，则系统也处于平衡态
定的数值。当系统的状态发生变化时，所有的状
态函数的数值也随之发生变化。
×
2． 在101.325kPa、100℃下有lmol的水和水蒸气
共存的系统，该系统的状态完全确定。 ×
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
4. 功和热
功和热是系统状态发生变化过程中，系统与环境 交换能量的两种形式。SI单位为焦耳(J)
(1)以液态水为系统； 敞开系统
(2)绝热箱中的所有水为系统； 封闭系统
g
(3)以绝热箱中的所有水和电热丝为系统；
l
封闭系统
(4)以绝热箱中的水、电热丝及外接电源为系统。 孤立系统
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
2.状态和状态函数
性质：用以描述系统的热力学状态，亦称热力学状 态函数 状态：指静止的系统内部的状态，也称热力学状态； 是系统的性质的总和。
物理化学电子教案—第二章
U Q W
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
热力学三定律 热力学第零定律 热力学第一定律
定义温度 能量衡算
热力学第二定律
变化的方向和限度
热力学第三定律
由热性质判断方向
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
第二章 热力学第一定律
§2.1 基本概念及术语 §2.2 热力学第一定律 §2.3 恒容热、恒压热、焓 §2.4 摩尔热容 §2.5 相变焓
系统所有性质确定后，系统就处于确定的状态。反之，系 统的状态确定后，系统的所有性质均有各自确定的值。
理想气体 T，p，V，n
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
状态与状态函数
体系的一些性质，其数值仅取决于体系 所处的状态，而与体系的历史无关；它的变 化值仅取决于体系的始态和终态，而与变化 的途径无关。具有这种特性的物理量称为状 态函数(state function)。
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
状态与状态函数
状态函数的分类：
(1) 广度性质（extensive properties） 又称为容量性质，它的数值与体系的物质的量成正比，
如体积、质量、熵等。这种性质有加和性。
(2) 强度性质（intensive properties） 它的数值取决于体系自身的特点，与体系的数量无关，
返回
2020/11/18
系统分类
（2）隔离系统（isolated system） 系统与环境之间既无物质交换，又无能量交
换，故又称为孤立系统。 有时把封闭系统和系统影响所及的环境一起
作为孤立系统来考虑。
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
系统分类
绝热，恒容，无非体积功的封闭系统为孤立系统
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
3. 过程与途径
系统从一个状态变到另一个状态，称为过程。
前一个状态称为始态，后一个状态称为末态
实现这一过程的具体步骤称为途径
过程是抽象的， 途径是具体的； 同一个过程可有
不同的途径 。
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
系统变化过程的分类
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
状态与状态函数
状态函数的特性： 异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。
状态函数的性质：
(1) 状态函数的值取决于状态，状态改变则状态函数必定改 变（但不一定每个状态函数都改变）；任何一个状态函数 改变，系统的状态就会改变。
上一内容 下一内容 回主目录
§2.7 化学反应焓
§2.8 标准摩尔反应焓的计算
§2.10 可逆过程与可逆体积功
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2020/11/18
1.系统与环境
系统（System）
在科学研究时必须先确定研究对
象，把一部分物质与其余分开，这种
分离可以是实际的，也可以是想象的
系统
。这种被划定的研究对象称为系统，
亦称为物系或体系。