2-热力学第一定律(工程热力学)解析
相应量
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
2－2 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
工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。
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。
pAl pV mpv
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
问题：左图中阴影 部分的面积代表什 么？
1
2
2
v
p
1
ｐ
2
w pdv
1
2
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
ｖ 图 上 的 表 示
可 逆 过 程 中 容 积 功 在
│
dv 0 有 w 0
三、推动功和流动功
宏观动能：
1 2 Ek mc f 2
重力位能：
E p mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 宏观动能
U
Ek
即
宏观位能 系统的储存能
EP
E
E U Ek EP
或
1 2 E U mc f mgz 2
1kg工质的总能为比总能：
1 2 e u c f gz 2
内
能
U Uk U p
J
宏观动能 宏观位能
mc Ek 2
2
J
J
Ep mgz
储 存 能
mc 2 E U mgz 2
2－3 能量的传递与转化
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。
汽轮机简单模型
2－4 焓 一、焓的定义：
H U pV h u pv
2－1 热力学第一定律的实质
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
v
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。
传热：
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41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
w pdv
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？
可逆过程模拟
气缸
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
第二章 热力学第一定律
本章的基本要求
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。
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）。
W f p2V2 p1V1 ( pV ) w f 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 )
外部动能
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。
热力学能 符 号： U
比热力学能
u
J/kg
kJ/kg
单
位：
焦耳（J）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ千焦(kJ)
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
U dU U 2 U1
1 2
u u u2 u1
dU 0
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：
功
第一类永动机：不消耗能量而连续作功的设备。
2－2 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
工质在开口系统中流动而传递的功，叫推动功。
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。
pAl pV mpv
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
2
问题：左图中阴影 部分的面积代表什 么？
1
2
2
v
p
1
ｐ
2
w pdv
1
2
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
ｖ 图 上 的 表 示
可 逆 过 程 中 容 积 功 在
│
dv 0 有 w 0
三、推动功和流动功
宏观动能：
1 2 Ek mc f 2
重力位能：
E p mgz
系统的储存能
三、系统的总储存能（简称总能）
热力学能 宏观动能
U
Ek
即
宏观位能 系统的储存能
EP
E
E U Ek EP
或
1 2 E U mc f mgz 2
1kg工质的总能为比总能：
1 2 e u c f gz 2
内
能
U Uk U p
J
宏观动能 宏观位能
mc Ek 2
2
J
J
Ep mgz
储 存 能
mc 2 E U mgz 2
2－3 能量的传递与转化
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。
汽轮机简单模型
2－4 焓 一、焓的定义：
H U pV h u pv
2－1 热力学第一定律的实质
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
v
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。
传热：
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41
飞轮
热 源
左止点 右止点
p
1
w pdv
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？
可逆过程模拟
气缸
活塞
飞轮
热 源
左止点
p
1
v
气缸
活塞
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
飞轮
热 源
左止点
p
1
2
v
气缸
续41
第二章 热力学第一定律
本章的基本要求
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。
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）。
W f p2V2 p1V1 ( pV ) w f 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 )
外部动能
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。
热力学能 符 号： U
比热力学能
u
J/kg
kJ/kg
单
位：
焦耳（J）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ千焦(kJ)
热力学能是状态参数，是热力状态的单值函数：
U dU U 2 U1
1 2
u u u2 u1
dU 0
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：
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工程热力学-热力学第一定律
热力学第一定律的应用有助于开发更高效的节能技术，如改进热力发动机的效率，优化建筑物的能源 性能等。
减排措施
根据热力学第一定律，减少不必要的能量损失和排放是可行的，例如通过改进设备的保温性能和减少 散热损失来降低能耗。
环境保护
可持续发展
减少污染
热力学第一定律强调能量的有效利用和转换， 这有助于推动可持续发展，通过更环保的方 式满足人类对能源的需求。
该定律是热力学的基本定律之一，它 为能量转换和利用提供了理论基础。
内容
热力学第一定律可以表述为：在一个封闭系统中，能量总和保持不变，即能量转 换和传递过程中，输入的能量等于输出的能量加上系统内部能量变化。
该定律强调了能量守恒的概念，即能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化 为另一种形式。
符号和单位
热力平衡状态下的应用
能量转换
热力学第一定律可以用于分析能量转 换过程，如燃烧、热电转换等，以确 定转换效率。
热力设备设计
在设计和优化热力设备时，如锅炉、 发动机等，可以利用热力学第一定律 来分析设备的能量平衡，提高设备的 效率。
非平衡状态下的应用
热传导
在研究非平衡状态下的热传导过程时， 可以利用热力学第一定律来分析热量传 递的方向和大小。
VS
热辐射
在研究物体之间的热辐射传递时，可以利 用热力学第一定律来分析辐射能量的交换 。
热力过程的应用
热力循环
在分析热力循环过程，如蒸汽机、燃气轮机等，可以利用热力学第一定律来计算循环效 率。
热量回收
在热量回收过程中，如余热回收、热泵等，可以利用热力学第一定律来分析回收效率。
04 热力学第一定律的推论
熵增原理
定义
熵增原理是热力学第二定律的一个推论，它指出在一个封 闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行。
减排措施
根据热力学第一定律，减少不必要的能量损失和排放是可行的，例如通过改进设备的保温性能和减少 散热损失来降低能耗。
环境保护
可持续发展
减少污染
热力学第一定律强调能量的有效利用和转换， 这有助于推动可持续发展，通过更环保的方 式满足人类对能源的需求。
该定律是热力学的基本定律之一，它 为能量转换和利用提供了理论基础。
内容
热力学第一定律可以表述为：在一个封闭系统中，能量总和保持不变，即能量转 换和传递过程中，输入的能量等于输出的能量加上系统内部能量变化。
该定律强调了能量守恒的概念，即能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化 为另一种形式。
符号和单位
热力平衡状态下的应用
能量转换
热力学第一定律可以用于分析能量转 换过程，如燃烧、热电转换等，以确 定转换效率。
热力设备设计
在设计和优化热力设备时，如锅炉、 发动机等，可以利用热力学第一定律 来分析设备的能量平衡，提高设备的 效率。
非平衡状态下的应用
热传导
在研究非平衡状态下的热传导过程时， 可以利用热力学第一定律来分析热量传 递的方向和大小。
VS
热辐射
在研究物体之间的热辐射传递时，可以利 用热力学第一定律来分析辐射能量的交换 。
热力过程的应用
热力循环
在分析热力循环过程，如蒸汽机、燃气轮机等，可以利用热力学第一定律来计算循环效 率。
热量回收
在热量回收过程中，如余热回收、热泵等，可以利用热力学第一定律来分析回收效率。
04 热力学第一定律的推论
熵增原理
定义
熵增原理是热力学第二定律的一个推论，它指出在一个封 闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行。
工程热力学 第2章 热力学第一定律
6
δWtot
δmi ei
δQ
E
δm j e j
E+dE
δQ = dE + ⎡Σ ( ej δmj ) −Σ ( eiδmi ) ⎤ + δWtot ⎣ ⎦
或
τ
τ + dτ
Q = ΔE + ∫ ⎡Σ( ej δmj ) −Σ( eiδmi ) ⎤ +Wtot ⎦ τ1 ⎣
τ2
dE Φ= + ⎡Σ ( ej qmj ) −Σ ( ei qmi ) ⎤ + P ⎣ ⎦ tot dτ
二、总（储存）能(total stored energy of system) 热力学能，内部储存能
E =U+Ek +Ep
宏观动能 宏观位能 总能 外部储存能
e =u+ek +ep
3
外部储存能 宏观动能：质量为m的物体以速度cf运动时，该物 体具有的宏观运动动能为：
1 2 Ek = mc f 2
重力位能：在重力场中质量为m的物体相对于系统 外的参数坐标系的高度为z时，具有的重力位能为：
1 2 q − Δu = Δc f + gΔz + Δ( pv ) + wi 2
维持工质流动所需的流动功
21
稳定能量方程的物理意义：工质在状态变化过程 中，从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功。 技术功：技术上可资用的功，其数学表达式为：
由
1 2 wt = wi + Δc f + gΔz 2 q − Δu = w
E p = mgz
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数∂U ⎞ ⎛ ∂U ⎞ dU = ⎜ ⎟ dT + ⎜ ⎟ dV = cV dT + ⎢T ⎜ ⎟ − p ⎥ dV ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂V ⎠T ⎣ ⎝ ∂T ⎠V ⎦
δWtot
δmi ei
δQ
E
δm j e j
E+dE
δQ = dE + ⎡Σ ( ej δmj ) −Σ ( eiδmi ) ⎤ + δWtot ⎣ ⎦
或
τ
τ + dτ
Q = ΔE + ∫ ⎡Σ( ej δmj ) −Σ( eiδmi ) ⎤ +Wtot ⎦ τ1 ⎣
τ2
dE Φ= + ⎡Σ ( ej qmj ) −Σ ( ei qmi ) ⎤ + P ⎣ ⎦ tot dτ
二、总（储存）能(total stored energy of system) 热力学能，内部储存能
E =U+Ek +Ep
宏观动能 宏观位能 总能 外部储存能
e =u+ek +ep
3
外部储存能 宏观动能：质量为m的物体以速度cf运动时，该物 体具有的宏观运动动能为：
1 2 Ek = mc f 2
重力位能：在重力场中质量为m的物体相对于系统 外的参数坐标系的高度为z时，具有的重力位能为：
1 2 q − Δu = Δc f + gΔz + Δ( pv ) + wi 2
维持工质流动所需的流动功
21
稳定能量方程的物理意义：工质在状态变化过程 中，从热能转变而来的机械能总和等于膨胀功。 技术功：技术上可资用的功，其数学表达式为：
由
1 2 wt = wi + Δc f + gΔz 2 q − Δu = w
E p = mgz
4
宏观动能与内动能的区别
三、热力学能是状态参数∂U ⎞ ⎛ ∂U ⎞ dU = ⎜ ⎟ dT + ⎜ ⎟ dV = cV dT + ⎢T ⎜ ⎟ − p ⎥ dV ⎝ ∂T ⎠V ⎝ ∂V ⎠T ⎣ ⎝ ∂T ⎠V ⎦
工程热力学(第2章--热力学第一定律)
第一篇 工程热力学
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，
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，
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
工程热力学课后答案
工程热力学课后答案工程热力学是学习热力学基础和热力学应用的重要课程。
虽然每节课上老师会解释和演示相关内容和实例，但是在课后掌握和巩固知识点就需要有答案作为参考。
因此，在本篇文章中，我将为大家提供一些工程热力学课后练习题的答案，希望能够对大家学习和复习工程热力学有所帮助。
1. 热力学第一定律表明什么？热力学第一定律是能量守恒定律，表明能量既不能被创造，也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
2. 热力学第二定律表明什么？热力学第二定律是关于热力学过程可能发生的方向的规定。
它表明，热量不会自己从低温物体向高温物体流动，也不会使机械功完全转化为热量。
即，热量不能自发地从低温物体流向高温物体，而是需要一定的外力作用。
这个过程在自然中总是不可逆的。
3. 什么是熵？它的单位是什么？熵是热力学状态函数，通常用符号S表示，表示物体的无序程度。
在一个封闭系统中，熵的增加意味着该系统内部的无序程度增加。
熵的单位是焦耳/开尔文（J/K）。
4. 什么是焓？它的单位是什么？焓是热力学状态函数，通常用符号H表示，表示在恒定压力下，系统的总能量。
焓是一种状态函数，它只与系统的初始状态和结束状态有关，而与系统的历史路径无关。
焓的单位是焦耳（J）。
5. 什么是热容？它的单位是什么？热容是指物体在接受热量时所发生的温度变化。
它的单位是焦耳/开尔文（J/K）。
6. 什么是定常流动？定常流动是一种稳定状态，其中流体的流量、速度、温度和压力在空间和时间上都是恒定的，不随时间而变化。
7. 什么是等熵流动？等熵流动是一种不发生能量转化的流动过程，也称为绝热流动。
在这种流动中，热流量和机械功是恒定的，并且没有热交换。
在等熵流动中，熵保持不变。
8. 什么是朗肯循环？朗肯循环是一种理想的热力学循环，常用于内燃机以及蒸汽动力机的操作中。
朗肯循环包括四个过程：恒容热量加热、等熵膨胀、恒容冷却和等熵压缩。
9. 什么是布雷顿-珀西循环？布雷顿-珀西循环是一种用于产生电力的循环，常见于燃煤或天然气发电厂中。
热力学第一定律
热力学第一定律热力学第一定律是热力学中最基本的定律之一，也被称为能量守恒定律。
它描述了能量在物质系统中的转化和守恒关系。
在本文中，我们将深入探讨热力学第一定律的原理和应用。
1. 热力学第一定律的原理热力学第一定律表明，一个系统的内能的增量等于吸热与做功之和。
简单来说，即能量的增加等于热量输入和功输入之和。
在一个封闭系统中，内能变化可以表示为ΔU = Q + W，其中ΔU表示内能变化量，Q表示吸热，W表示做功。
根据能量的守恒原理，一个系统的能量不会凭空消失或增加，而是转化成其他形式。
2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律在各个领域都有广泛的应用。
以下是其中一些常见的应用场景：2.1. 理想气体的过程分析在理想气体的过程分析中，热力学第一定律被广泛应用于计算气体的工作、吸热和内能变化等参数。
根据热力学第一定律的原理，我们可以通过测量系统吸热和做功的量来计算内能的变化。
2.2. 热机效率的计算热力学第一定律也可用于计算热机的效率。
根据热力学第一定律原理，热机的效率可以表示为η = 1 - Q2/Q1，其中Q1表示热机输入的热量，Q2表示热机输出的热量。
通过计算输入和输出的热量可以确定热机的效率。
2.3. 化学反应的能量变化热力学第一定律也可用于描述化学反应的能量变化。
在化学反应中，热力学第一定律可以帮助我们计算反应的吸热或放热量，从而确定反应是否放热或吸热以及能量变化的大小。
3. 热力学第一定律在能源利用中的应用能源利用是热力学第一定律的一个重要应用领域。
通过研究能源的转化过程和能量损失，我们可以更有效地利用能源资源。
3.1. 热力学循环热力学循环是将热能转化为功的过程，如蒸汽轮机和内燃机。
通过分析热力学循环中各个环节的能量转化和损失，可以优化循环系统的效率，提高能源利用率。
3.2. 可再生能源利用热力学第一定律也可以应用于可再生能源的利用。
通过分析可再生能源的收集、转化和储存过程中的能量转化和守恒关系，可以优化利用这些能源的方式，减少能量的损失和浪费。
工程热力学 二热力学第一定律
从上式可以看出在工质流动过程中，工 质作出的膨胀功除去补偿流动功及宏观 动能和宏观位能的差额即为轴功。
⑵技术功与轴功、膨胀功、流动功 由式 ｗt=ｗs+1/2(wg22－wg12 )+ｇ(ｚ2－ｚ1) =(ｑ－△ｕ)－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) =ｗ－(ｐ2ｖ2－ｐ1ｖ1) 可以看出当忽略工质进出口处宏观动能和宏观 位能的变化，技术功就是轴功；且技术功等于 膨胀功与流动功之差。
即：ｈ1＝ｈ2。
稳态稳流过程在工程中广泛地存在。例如热 工设备的正常运行条件下，但其启动和关闭 情况除外。 其能量方程式如下： Q＝（H2-H1)＋m(wg2２-wg1２)/2 +mg(z2-z1）+Ws J q=△h+△wg２/2+g△z+ws J/Kg
一、换热器（Heat Exchanger）
实现冷、热流体热量 交换的设备。 因ws＝０，△wg２/2 ＝０，g△z＝０，所 以有： q＝h2-h1 说明工质吸收 ( 放热 ) 的热量等于其焓升 (降) 。
二、喷管（Nozzle）和扩压管
喷管实现流体压力降低、 流速增加的设备。 扩压管是流速降低，压 力增加的管道。 因ｑ＝０，ws＝０， g△z＝０，所以有： (wg2２-wg1２)/2＝h1-h2 说明气体流动动能的增加 等于其焓降。
三、气轮机（ Engine ）
利用工质在机器中膨胀而获得机械 功的设备。 因ｑ=０，△wg２/2=０，g△z＝０， 所以有： ws＝h1-h2 说明工质对外所作轴功等于其焓降。
对于可逆过程有 wt=∫21pdv－p2v2+p1v1 =∫21pdv－∫21ｄ(pv) =－∫21vdp 在Ｐ－ｖ图上是右图中的阴影面积。 注意：ｑ＝△ｈ＋ｗｔ及ｑ＝△ｕ＋ｗ对 于开口系统和闭口系统均适用，只不过 前者仅对开口系统稳态稳流过程、后者 仅对闭口系统有实在的物理意义。
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-02热力学第一定律
由可逆过程 δq du pdv， h u pv ，有 δq d(h-pv) pdv dh d( pv) pdv
即 δq dh vdp 可逆过程中热力学第一定律另一主要形式。
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
15
2-5 轴功
由稳定流动能量方程式，可得轴功与其他形式能量间的关系为：
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
10
2-3 开口系统能量方程式
质量守恒： dm δm1 δm2
dm
d
δm1
d
δm2
d
qm1 qm2
该式称为连续性方程式，它说明单位时间内开口系统中工质质 量增加的数量等于流入和流出系统的质量流量之差。
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
11
推动功: 在进出口边界上推动工质流入或流出系统所消耗的功量。
z1)
ws
2020年8月4日
第二章 热力学第一定律
14
焓 h u pv H U pV 状态参数
对1kg流动工质，其稳定状态稳定流动能量方程式:
q
(h2
h1)
1 2
(cf22
cf21)
g
(
z2
z1)
ws
• 焓并不能看作是工质储存的能量，可近似看成随工质 流动一起转移的能量。
• 热力学能是工质内部储存能量的唯一形式。
自然界中物质所具有的能量，既不能创造也不能消灭，而只能从一 种能量形态转换为另一种能量形态，转换中能量的总量守恒。
对任何系统，各项能量之间的平衡关系一般可表示为： 进入系统的能量 - 离开系统的能量 =系统储存能量的变化
热力学第一定律： 热能作为一种能量形态，可以和其它能量形态相互转换，转
《工程热力学》第二章 热力学第一定律
热力学第一定律是热力学的基本定律，是热 力过程能量传递与转换分析计算的基本依据。它 普遍适用于任何工质、任何过程。
6
2-2 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
Q U W
Q 0 W ? 0 U 0 即U1 U2
强调：功是通过边界传递的能量。
30
h1 a 2
h1 b 2
2
dh
1
h2 h1
dh 0
21
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。
焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系 统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存 在。
焓是随着质量交换而交换的一种“转移能”， 只有在质量跨越边界的前提下，焓的物理意义 及其能量属性才能体现出来。
第二章 热力学第一定律
1
本章基本要求
深刻理解热能、储存能、功的概念，深刻理解内 能、焓的物理意义；
理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的 联系与区别；
本章重点
熟练应用热力学第一定律解决具体问题
2
2-1 热力学第一定律的实质
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪 三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的 总量始终不变。
不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不 可能制造成功的。
4
5
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系 统储存能量的变化
在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机 械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定 律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热， 在相互转变时能的总量是不变的。
6
2-2 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
Q U W
Q 0 W ? 0 U 0 即U1 U2
强调：功是通过边界传递的能量。
30
h1 a 2
h1 b 2
2
dh
1
h2 h1
dh 0
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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。
焓是一种宏观存在的状态参数，不仅在开口系 统中出现，而且在分析闭口系统时，它同样存 在。
焓是随着质量交换而交换的一种“转移能”， 只有在质量跨越边界的前提下，焓的物理意义 及其能量属性才能体现出来。
第二章 热力学第一定律
1
本章基本要求
深刻理解热能、储存能、功的概念，深刻理解内 能、焓的物理意义；
理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的 联系与区别；
本章重点
熟练应用热力学第一定律解决具体问题
2
2-1 热力学第一定律的实质
19世纪30-40年代，迈耶，焦耳等发现并确 定了能量转换与守恒定律。恩格斯将这列为19世纪 三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
在热能与其它形式能的互相转换过程中，能的 总量始终不变。
不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不 可能制造成功的。
4
5
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系 统储存能量的变化
在工程热力学的范围内，主要考虑热能与机 械能之间的相互转换与守恒，因此热力学第一定 律可表述为：热可以变为功，功也可以变为热， 在相互转变时能的总量是不变的。