第二章熱力學第一定律第二章熱力學第一定律第二章熱力學第一定律實質(zhì)：

兩種表述：

表述Ⅰ：

熱量與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換時,總量保持不變。

對于一個循環(huán)，則

表述Ⅱ：第一類永動機是不可能制成的。

是能量守恒及轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。12-1熱力學第一定律的實質(zhì)第二章熱力學第一定律實質(zhì)：兩種表述：是能量守恒及轉(zhuǎn)換定

針對工程上形形色色的熱工設(shè)備和熱力過程，常常將它們抽象簡化為不同的系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)與外界之間的能量關(guān)系不同，因此其相應(yīng)的熱力學第一定律表達式（能量方程）也不同，但其本質(zhì)都是相同的。系統(tǒng)收入能量－系統(tǒng)支出能量

＝系統(tǒng)總儲存能的增量根據(jù)能量守恒原理，熱力學第一定律的一般表達式為：2針對工程上形形色色的熱工設(shè)備和熱力過程，常常將它內(nèi)部儲存能是工質(zhì)內(nèi)部微觀粒子所具有的各種能量，取決于系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及微觀運動形式等有關(guān)，簡稱內(nèi)能，又稱熱力學能。

外部儲存能是系統(tǒng)作為宏觀整體所具有的宏觀能量，包括宏觀動能和重力位能，又稱轉(zhuǎn)移能。內(nèi)部儲存能外部儲存能32-2

系統(tǒng)的儲存能內(nèi)部儲存能是工質(zhì)內(nèi)部微觀粒子所具有的各種能量，取決于系統(tǒng)內(nèi)部

在簡單可壓縮系中，不涉及化學反應(yīng)和核反應(yīng)（化學內(nèi)能和核內(nèi)能不變），所以可認為工質(zhì)的內(nèi)能(即熱力學能)僅包括分子的內(nèi)動能和內(nèi)位能（物理內(nèi)能）。4在簡單可壓縮系中，不涉及化學反應(yīng)和核反應(yīng)（化學

內(nèi)動能包括分子的直線運動動能、旋轉(zhuǎn)運動動能以及分子內(nèi)部原子和電子的振動能。由分子運動論，內(nèi)動能與工質(zhì)的溫度有關(guān)，溫度越高，內(nèi)動能越大；內(nèi)位能是氣體分子間相互作用力而形成的分子位能，分子位能的大小與分子間的距離有關(guān)，亦即與氣體的比容有關(guān)。熱力學能（內(nèi)動能+內(nèi)位能）

1.5內(nèi)動能包括分子的直線運動動能、旋轉(zhuǎn)運動動能以及分子內(nèi)

因此簡單可壓縮系的內(nèi)能（熱力學能）是溫度和比容的函數(shù)，即U＝U（T、v）

J（kJ）比熱力學能：

J/kg（kJ/kg）6實驗規(guī)律表明：當一定量工質(zhì)由狀態(tài)1

狀態(tài)2

時，熱力學能總是由U1

→U2（只與狀態(tài)有關(guān)）。因此簡單可壓縮系的內(nèi)能（熱力學能）是溫度和比

結(jié)論：熱力學能U

（比熱力學能u）是狀態(tài)參數(shù)。u＝f（T，v）

或

u＝f（p，v）……對理想氣體：內(nèi)位能＝0，熱力學能＝內(nèi)動能，即：u＝f（T），

7結(jié)論：熱力學能U（比熱力學能u）是狀態(tài)參數(shù)（運動系統(tǒng)）宏觀動能＋重力位能外部儲存能

2.動能：

位能：

8總能（總儲存能）

3.或（運動系統(tǒng)）宏觀動能＋重力位能外部儲存能2.動能：位能：功量與熱量是系統(tǒng)與外界交換能量的2種方式（宏觀和微觀），只有在過程進行時才有能量遷移，所以功量和熱量均為過程量。102-3

功量與熱量功量與熱量是系統(tǒng)與外界交換能量的2種方式（宏觀和微觀），只有功量

1.

定義：功是在力的推動下，通過宏觀有序運動方式傳遞的能量。

常見形式：機械功、電磁功、化學功、表面張力功等。

容積功——機械功的一種形式，包括膨脹功和壓縮功（熱力學重點研究）。11功量1.定義：功是在力的推動下，通過宏觀(1)

可逆過程容積功及圖示W(wǎng)＝F·dx＝p·A·dx＝pdV對1kg工質(zhì)：由1→2時12(1)可逆過程容積功及圖示對1kg工質(zhì)：由1→2時12規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負。顯然

w1-a-2≠w1-b-2結(jié)論：可逆過程的容積功可由

p－v圖上過程線以下的面積表示；功是過程函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù)，微量記作w或W。13規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負。13熱量

2.14定義：由于系統(tǒng)內(nèi)外存在溫差而通過系統(tǒng)邊界傳遞的能量。(1)可逆過程的熱量（功、熱類比）在可逆過程中：過程推動力衡量能量交換的尺度功量pdv熱量Tds熱量2.14定義：由于系統(tǒng)內(nèi)外存在溫差而通過系統(tǒng)邊界傳遞的由15s的定義式：J/(kg·K)——可逆過程適用

式中

s——1kg工質(zhì)的熵，稱為比熵

T——工質(zhì)的絕對溫度q——1kg工質(zhì)的吸（放）熱量

規(guī)定：系統(tǒng)工質(zhì)吸熱為正、放熱為負。由15s的定義式：J/(kg·K)——可逆過程適用對mkg工質(zhì)：顯然過程中：ds>0→q>0，吸熱

ds<0→q<0，放熱ds＝0→q＝0，絕熱

18對可逆過程，熵變是判斷系統(tǒng)工質(zhì)與外界有無熱量交換及熱流方向的判據(jù)。J/k

對mkg工質(zhì)：顯然過程中：(2)可逆過程熱量在T-s

圖上的表示由q＝T·ds（微元面積）（過程線下面積）

20(2)可逆過程熱量在T-s圖上的表示由q＝T·ds14

結(jié)論：可逆過程的熱量可由

T－s圖上過程線以下的面積表示；熱量是過程函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù)，微量記作q

或Q。

注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱力過程中傳遞的一種能量，而熱能則是指物體內(nèi)部分子熱運動所具有的能量，熱能可儲存于系統(tǒng)內(nèi)部，如熱力學能。熱量是過程量，而熱能是狀態(tài)量。14結(jié)論：注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱(3)通過比熱容計算熱量可逆過程

式中

c

——比熱容，J/(單位物理量·K)c

——質(zhì)量比熱容，J/(kg·K)21以質(zhì)量作為物量單位時：式中c——比熱容，J/(單位物理量·K

熱力學第一定律是人類從長期實踐經(jīng)驗中總結(jié)得到的自然界最重要、最普遍的基本定律，適用于一切工質(zhì)和一切熱力過程。對于不同的具體問題，可以表達為不同的數(shù)學表達式。222-4

熱力學第一定律及其解析式熱力學第一定律是人類從長期實踐經(jīng)驗中總結(jié)得到閉口系能量方程

1.

對如圖所示的閉口系：

根據(jù)能量守恒原理：加入系統(tǒng)的熱量－系統(tǒng)對外做的功

＝系統(tǒng)總儲能增量23

即Q-W=ΔE或Q=ΔE+W

上述各量均為代數(shù)量。

閉口系能量方程1.對如圖所示的閉口系：加入系統(tǒng)的熱量－系在工程上，比較常見的情況是閉口系工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)宏觀動能和宏觀位能為零或變化量近似為零，這種情況可看作靜止的閉口系，系統(tǒng)總儲能的變化就是熱力學能的變化。因此，對靜止的閉口系：

ΔE=ΔU24在工程上，比較常見的情況是閉口系工質(zhì)在狀態(tài)變化1kg工質(zhì)：

微元過程：或

適用于任何工質(zhì)、任何過程對可逆過程：25

∴靜止閉口系能量方程式為：1kg工質(zhì)：微元過程：或適用于任何工質(zhì)、任何過程對可由于工程上大多數(shù)情況下的閉口系都可看作靜止的閉口系，所以常將靜止閉口系的能量方程簡稱為閉口系能量方程，反而對運動的閉口系要特別說明。26由閉口系能量方程，可以看到，包括工質(zhì)內(nèi)熱能（熱力學能）和外熱能（從外界獲得的熱量）的熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)換必須依靠工質(zhì)的容積變化，因此閉口系能量方程清晰地反映了熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的基本原理和關(guān)系，因而稱之為熱力學第一定律基本表達式。

由于工程上大多數(shù)情況下的閉口系都可看作靜止的閉口系，所以常將計算時應(yīng)注意公式的使用條件和單位，以及功量、熱量的正負號。例：

空氣向真空絕熱膨脹，求

t2。解：選整個容器為閉口系,由熱Ⅰ∵q＝0，w＝0由u＝cV·tt＝0，t2＝t1

∴u＝0思考：能否由

代入熱

Ⅰ方程式求

t2?27計算時應(yīng)注意公式的使用條件和單位，以及功量、熱穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程

2.28工程上許多熱力裝置在工作過程中常伴隨著工質(zhì)的流進流出，如：氣輪機、壓氣機、鍋爐、換熱器及空調(diào)機等，當設(shè)備處于正常穩(wěn)定工況運行時，這些熱力系統(tǒng)都可視為穩(wěn)定流動系統(tǒng)（穩(wěn)流系）。穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程2.28工程上許多熱力裝置在工作過程氣輪機①

②

或

③

Ws＝const(1)穩(wěn)定流動系統(tǒng)條件29氣輪機①②或③Ws＝const29

軸功：通過機軸對外界輸出的機械功，記作Ws

。在進口處，為使工質(zhì)流入系統(tǒng)，外界必須對流入的工質(zhì)作功,以克服系統(tǒng)的內(nèi)阻力,此功稱為推動（進）功。30(2)軸功、流動功軸功：通過機軸對外界輸出的機械功，記作Ws。mkg工質(zhì)：

1kg工質(zhì)：

（注意此處dV與W中不同）31同理，出口處系統(tǒng)對1kg工質(zhì)所作的推動功為：mkg工質(zhì)：1kg工質(zhì)：（注意此處dV與W中不同）3進出口處推動功的代數(shù)和稱為流動功，記作Wf。所以，流動功可表示為：32流動功是維持工質(zhì)流動所必需的，通常是由泵或風機等加給被輸送工質(zhì)的，是隨工質(zhì)的流動而向前方移動的機械能，它不是工質(zhì)本身具有的儲存能，只有在工質(zhì)流動時才出現(xiàn)。進出口處推動功的代數(shù)和稱為流動功，記作Wf。所以，流動功可表設(shè)

33根據(jù)能量守恒原理：進入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量

＝系統(tǒng)總儲能的增量(3)穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程（熱I解析式）設(shè)33根據(jù)能量守恒原理：進入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量即

(適用于一般開口系)34對穩(wěn)流系：令

H＝U＋pV，稱為焓。對1kg工質(zhì)，比焓：即(適用于一般開口系)34對穩(wěn)流系：令H＝U＋p對微元過程：或

各式使用條件：穩(wěn)定流動、任何過程、任意工質(zhì)。式中:35或穩(wěn)流能量方程式（普遍適用）則

對微元過程：或 各式使用條件：穩(wěn)定流動、任何過程、任意工質(zhì)

在穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程中，工質(zhì)宏觀動能、宏觀位能的變化及軸功都是機械能，在技術(shù)上都可被用于對外界作功，因此稱之為技術(shù)功Wt（wt）。技術(shù)功wt

—技術(shù)上可利用的功

(宏觀機械能)

當，引入技術(shù)功后，穩(wěn)流能量方程可表達為時：36在穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程中，工質(zhì)宏觀動能、宏觀位能各種功量的關(guān)系

3.

閉口系和穩(wěn)流系能量方程的形式不同，但本質(zhì)是相同的或等價的。都描述的是一定量的工質(zhì)在熱力過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。工質(zhì)在穩(wěn)定流動過程中同樣是一個膨脹過程。雖然開口系的邊界為剛性邊界，過程中系統(tǒng)的總?cè)莘e不發(fā)生變化，但是，沿工質(zhì)流程的流通截面是遞增的。因此，系統(tǒng)與外界交換功的方式和閉口系不同，工質(zhì)所作的膨脹功是隱含的。37各種功量的關(guān)系3.閉口系和穩(wěn)流系能量方程由

或

對可逆過程：38由或?qū)赡孢^程：38對

mkg工質(zhì)：

可逆過程技術(shù)功如圖示陰影面積。

可逆過程穩(wěn)流能量方程式：或

使用條件：穩(wěn)流、可逆。39對mkg工質(zhì)：可逆過程技術(shù)功如圖示陰影面積?？赡嬉虼耍诜€(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動功和技術(shù)功之和。即一部分膨脹功用于提供工質(zhì)流動所需的流動功，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動能和宏觀位能，其余部分才對外輸出軸功。

所以膨脹功是簡單可壓縮系熱變功的源泉，穩(wěn)流系中所有機械能的總和等于膨脹功。即40因此，在穩(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動功和技術(shù)焓

4.比焓：簡稱焓。

h也是狀態(tài)參數(shù)。h可表示為任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h＝f（p,T）……41焓的定義式為焓4.比焓：簡稱焓。h也是狀態(tài)參數(shù)。如：h＝f（p

在開口系中，隨工質(zhì)流動而攜帶的總能量包括工質(zhì)的總儲能e和推動功pv。在有些流動情況下，工質(zhì)的宏觀動能和重力位能為零或忽略不計，但熱力學能和推動功是必定存在的，所以說焓是流動工質(zhì)攜帶的基本能量。而宏觀動能和重力位能是外部儲存能，與工質(zhì)的狀態(tài)無關(guān)，因此也可將

h

看作流動工質(zhì)所攜帶的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。

對于理想氣體：42在開口系中，隨工質(zhì)流動而攜帶的總能量包括工質(zhì)的焓的物理意義43不論對非流動工質(zhì)還是流動工質(zhì)，焓都是狀態(tài)參數(shù)；對流動工質(zhì)，h

是隨工質(zhì)流動時攜帶的取決于熱力狀態(tài)的那部分能量（或基本能量）。43不論對非流動工質(zhì)還是流動工質(zhì)，焓都是狀態(tài)參數(shù)；對流

葉輪式機械、噴管、節(jié)流閥等通常作絕熱處理葉輪式機械的外表面通常絕熱較好；熱交換面積較小、或工質(zhì)迅速流過系統(tǒng)；系統(tǒng)與外界的溫差很小等。442-5

穩(wěn)流能量方程式應(yīng)用舉例

1.簡化工程實際問題的幾點原則葉輪式機械、噴管、節(jié)流閥等通常作絕熱處理442-5穩(wěn)流45除如噴管、擴壓管等設(shè)備外，一般設(shè)備的進出口動、位能差都可以忽略不計。如果閉口系中工質(zhì)的容積沒有變化，則容積功為零；如果開口系中沒有葉片、轉(zhuǎn)軸類的作功部件，其軸功為零。45除如噴管、擴壓管等設(shè)備外，一般設(shè)備的進出口動、位能差都可應(yīng)用舉例

2.(1)燃燒室簡化：燃燒過程等壓、穩(wěn)流；將燃燒過程視為外部熱源加熱，忽略化學變化；忽略燃料質(zhì)量，將燃氣視為空氣。由

∵∴46應(yīng)用舉例2.簡化：燃燒過程等壓、穩(wěn)流；將燃燒過程視為外部熱簡化：近似視為絕熱。忽略動位能變化?！摺?7(2)汽輪機、壓氣機簡化：近似視為絕熱?！摺?7例1

絕熱封閉的氣缸中裝有不可壓縮流體,對活塞加壓，使流體壓力從0.2MPa提高到3MPa,試問:

①活塞是否對流體作功?

②流體的熱力學能和焓變化多少?解:①選閉口系∵V＝0∴W＝0，活塞對流體未做功W＝0，Q＝0→

H＝U＋（pV）②由

48例1絕熱封閉的氣缸中裝有不可壓縮流體,對活塞加壓例2

某活塞式氮氣壓縮機，壓縮前氮氣的參數(shù)分別為：p1=0.1Mpa，v1=0.88

m3/kg；壓縮后

p2=1.0

Mpa，

v2=0.16

m3/kg，壓縮過程中比熱力學能增加180kJ/kg，同時向外放熱

60kJ/kg，壓氣機每分鐘生產(chǎn)氮氣18kg，試求:①壓縮過程對每千克氮氣所作的功；②生產(chǎn)每千克壓縮氮氣所需的功；③帶動此壓氣機至少要多大的電動機?49例2某活塞式氮氣壓縮機，壓縮前氮氣的參數(shù)分別為：p1=0.解：①

活塞式壓氣機的工作過程包括進氣、壓縮和排氣三個過程，壓縮過程中，進排氣閥均關(guān)閉，所以應(yīng)選閉口系，能量方程為q=Δu+w

②要生產(chǎn)出壓縮空氣，壓氣機的進排氣閥必須周期性地開閉，可近似看作穩(wěn)流系，則能量方程為50解：①活塞式壓氣機的工作過程包括進氣、壓縮和排氣三個過

＝－312kJ/kg

（負號表示壓縮機耗功）∵

∴51＝－312kJ/kg（負號表示壓縮機耗功）∵∴

帶動此壓縮機所需的電動機理論耗功率為

N＝m·ws＝18312/60＝93.6kW

實際情況應(yīng)考慮不可逆壓縮過程耗功（相對效率）、電機帶動壓縮機時的傳動損失（傳動效率）、以及機械結(jié)構(gòu)本身相對運動的摩擦損失（機械效率），最后還要考慮可能發(fā)生超負荷情況，選配電機時再增加10-12%.52帶動此壓縮機所需的電動機理論耗功率為52

討論：本題求解過程說明了正確確定系統(tǒng)的重要性，分析問題不同,系統(tǒng)選取不同,能量方程不同;在使用能量方程分析計算時,注意單位的統(tǒng)一和功量、熱量的正負號。53討論：53

例3:某蒸汽輪機進、出口處參數(shù)為p1=9MPa，t1=500℃，c1=140m/s，p2=5kPa，t2=50℃，c2=50m/s，出口比進口降低12m，每1kg蒸汽經(jīng)汽輪機的散熱損失為15kJ/kg。試求：①

單位質(zhì)量蒸汽對外輸出的軸功;②不計進出口動能差時對輸出功的影響;③

不計進出口位能差時對輸出功的影響;④不計散熱損失時對輸出功的影響;⑤

若蒸汽流量為50t/h,汽輪機的功率多大?54例3:某蒸汽輪機進、出口處參數(shù)為p1=9MPa，t1解:①選穩(wěn)流系，由穩(wěn)流系能量方程由水蒸氣表可查得：

h1=3385kJ/kg，h2=2593kJ/kg55解:①選穩(wěn)流系，由穩(wěn)流系能量方程由水蒸氣表可

②③56②③56

不計動、位能差及散熱損失時所得軸功的相對偏差很小，其影響可以忽略。⑤N=ws×G=785.67×(50/3.6)=10912（kW）④57不計動、位能差及散熱損失時所得軸功的相對偏差作業(yè)：2.2，2.9，2.1258作業(yè)：2.2，2.9，2.1258第二章熱力學第一定律第二章熱力學第一定律第二章熱力學第一定律實質(zhì)：

兩種表述：

表述Ⅰ：

熱量與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換時,總量保持不變。

對于一個循環(huán)，則

表述Ⅱ：第一類永動機是不可能制成的。

是能量守恒及轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。12-1熱力學第一定律的實質(zhì)第二章熱力學第一定律實質(zhì)：兩種表述：是能量守恒及轉(zhuǎn)換定

針對工程上形形色色的熱工設(shè)備和熱力過程，常常將它們抽象簡化為不同的系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)與外界之間的能量關(guān)系不同，因此其相應(yīng)的熱力學第一定律表達式（能量方程）也不同，但其本質(zhì)都是相同的。系統(tǒng)收入能量－系統(tǒng)支出能量

＝系統(tǒng)總儲存能的增量根據(jù)能量守恒原理，熱力學第一定律的一般表達式為：2針對工程上形形色色的熱工設(shè)備和熱力過程，常常將它內(nèi)部儲存能是工質(zhì)內(nèi)部微觀粒子所具有的各種能量，取決于系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及微觀運動形式等有關(guān)，簡稱內(nèi)能，又稱熱力學能。

外部儲存能是系統(tǒng)作為宏觀整體所具有的宏觀能量，包括宏觀動能和重力位能，又稱轉(zhuǎn)移能。內(nèi)部儲存能外部儲存能32-2

系統(tǒng)的儲存能內(nèi)部儲存能是工質(zhì)內(nèi)部微觀粒子所具有的各種能量，取決于系統(tǒng)內(nèi)部

在簡單可壓縮系中，不涉及化學反應(yīng)和核反應(yīng)（化學內(nèi)能和核內(nèi)能不變），所以可認為工質(zhì)的內(nèi)能(即熱力學能)僅包括分子的內(nèi)動能和內(nèi)位能（物理內(nèi)能）。4在簡單可壓縮系中，不涉及化學反應(yīng)和核反應(yīng)（化學

內(nèi)動能包括分子的直線運動動能、旋轉(zhuǎn)運動動能以及分子內(nèi)部原子和電子的振動能。由分子運動論，內(nèi)動能與工質(zhì)的溫度有關(guān)，溫度越高，內(nèi)動能越大；內(nèi)位能是氣體分子間相互作用力而形成的分子位能，分子位能的大小與分子間的距離有關(guān)，亦即與氣體的比容有關(guān)。熱力學能（內(nèi)動能+內(nèi)位能）

1.5內(nèi)動能包括分子的直線運動動能、旋轉(zhuǎn)運動動能以及分子內(nèi)

因此簡單可壓縮系的內(nèi)能（熱力學能）是溫度和比容的函數(shù)，即U＝U（T、v）

J（kJ）比熱力學能：

J/kg（kJ/kg）6實驗規(guī)律表明：當一定量工質(zhì)由狀態(tài)1

狀態(tài)2

時，熱力學能總是由U1

→U2（只與狀態(tài)有關(guān)）。因此簡單可壓縮系的內(nèi)能（熱力學能）是溫度和比

結(jié)論：熱力學能U

（比熱力學能u）是狀態(tài)參數(shù)。u＝f（T，v）

或

u＝f（p，v）……對理想氣體：內(nèi)位能＝0，熱力學能＝內(nèi)動能，即：u＝f（T），

7結(jié)論：熱力學能U（比熱力學能u）是狀態(tài)參數(shù)（運動系統(tǒng)）宏觀動能＋重力位能外部儲存能

2.動能：

位能：

8總能（總儲存能）

3.或（運動系統(tǒng)）宏觀動能＋重力位能外部儲存能2.動能：位能：功量與熱量是系統(tǒng)與外界交換能量的2種方式（宏觀和微觀），只有在過程進行時才有能量遷移，所以功量和熱量均為過程量。102-3

功量與熱量功量與熱量是系統(tǒng)與外界交換能量的2種方式（宏觀和微觀），只有功量

1.

定義：功是在力的推動下，通過宏觀有序運動方式傳遞的能量。

常見形式：機械功、電磁功、化學功、表面張力功等。

容積功——機械功的一種形式，包括膨脹功和壓縮功（熱力學重點研究）。11功量1.定義：功是在力的推動下，通過宏觀(1)

可逆過程容積功及圖示W(wǎng)＝F·dx＝p·A·dx＝pdV對1kg工質(zhì)：由1→2時12(1)可逆過程容積功及圖示對1kg工質(zhì)：由1→2時12規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負。顯然

w1-a-2≠w1-b-2結(jié)論：可逆過程的容積功可由

p－v圖上過程線以下的面積表示；功是過程函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù)，微量記作w或W。13規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負。13熱量

2.14定義：由于系統(tǒng)內(nèi)外存在溫差而通過系統(tǒng)邊界傳遞的能量。(1)可逆過程的熱量（功、熱類比）在可逆過程中：過程推動力衡量能量交換的尺度功量pdv熱量Tds熱量2.14定義：由于系統(tǒng)內(nèi)外存在溫差而通過系統(tǒng)邊界傳遞的由15s的定義式：J/(kg·K)——可逆過程適用

式中

s——1kg工質(zhì)的熵，稱為比熵

T——工質(zhì)的絕對溫度q——1kg工質(zhì)的吸（放）熱量

規(guī)定：系統(tǒng)工質(zhì)吸熱為正、放熱為負。由15s的定義式：J/(kg·K)——可逆過程適用對mkg工質(zhì)：顯然過程中：ds>0→q>0，吸熱

ds<0→q<0，放熱ds＝0→q＝0，絕熱

18對可逆過程，熵變是判斷系統(tǒng)工質(zhì)與外界有無熱量交換及熱流方向的判據(jù)。J/k

對mkg工質(zhì)：顯然過程中：(2)可逆過程熱量在T-s

圖上的表示由q＝T·ds（微元面積）（過程線下面積）

20(2)可逆過程熱量在T-s圖上的表示由q＝T·ds14

結(jié)論：可逆過程的熱量可由

T－s圖上過程線以下的面積表示；熱量是過程函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù)，微量記作q

或Q。

注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱力過程中傳遞的一種能量，而熱能則是指物體內(nèi)部分子熱運動所具有的能量，熱能可儲存于系統(tǒng)內(nèi)部，如熱力學能。熱量是過程量，而熱能是狀態(tài)量。14結(jié)論：注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱(3)通過比熱容計算熱量可逆過程

式中

c

——比熱容，J/(單位物理量·K)c

——質(zhì)量比熱容，J/(kg·K)21以質(zhì)量作為物量單位時：式中c——比熱容，J/(單位物理量·K

熱力學第一定律是人類從長期實踐經(jīng)驗中總結(jié)得到的自然界最重要、最普遍的基本定律，適用于一切工質(zhì)和一切熱力過程。對于不同的具體問題，可以表達為不同的數(shù)學表達式。222-4

熱力學第一定律及其解析式熱力學第一定律是人類從長期實踐經(jīng)驗中總結(jié)得到閉口系能量方程

1.

對如圖所示的閉口系：

根據(jù)能量守恒原理：加入系統(tǒng)的熱量－系統(tǒng)對外做的功

＝系統(tǒng)總儲能增量23

即Q-W=ΔE或Q=ΔE+W

上述各量均為代數(shù)量。

閉口系能量方程1.對如圖所示的閉口系：加入系統(tǒng)的熱量－系在工程上，比較常見的情況是閉口系工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)宏觀動能和宏觀位能為零或變化量近似為零，這種情況可看作靜止的閉口系，系統(tǒng)總儲能的變化就是熱力學能的變化。因此，對靜止的閉口系：

ΔE=ΔU24在工程上，比較常見的情況是閉口系工質(zhì)在狀態(tài)變化1kg工質(zhì)：

微元過程：或

適用于任何工質(zhì)、任何過程對可逆過程：25

∴靜止閉口系能量方程式為：1kg工質(zhì)：微元過程：或適用于任何工質(zhì)、任何過程對可由于工程上大多數(shù)情況下的閉口系都可看作靜止的閉口系，所以常將靜止閉口系的能量方程簡稱為閉口系能量方程，反而對運動的閉口系要特別說明。26由閉口系能量方程，可以看到，包括工質(zhì)內(nèi)熱能（熱力學能）和外熱能（從外界獲得的熱量）的熱能與機械能的相互轉(zhuǎn)換必須依靠工質(zhì)的容積變化，因此閉口系能量方程清晰地反映了熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的基本原理和關(guān)系，因而稱之為熱力學第一定律基本表達式。

由于工程上大多數(shù)情況下的閉口系都可看作靜止的閉口系，所以常將計算時應(yīng)注意公式的使用條件和單位，以及功量、熱量的正負號。例：

空氣向真空絕熱膨脹，求

t2。解：選整個容器為閉口系,由熱Ⅰ∵q＝0，w＝0由u＝cV·tt＝0，t2＝t1

∴u＝0思考：能否由

代入熱

Ⅰ方程式求

t2?27計算時應(yīng)注意公式的使用條件和單位，以及功量、熱穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程

2.28工程上許多熱力裝置在工作過程中常伴隨著工質(zhì)的流進流出，如：氣輪機、壓氣機、鍋爐、換熱器及空調(diào)機等，當設(shè)備處于正常穩(wěn)定工況運行時，這些熱力系統(tǒng)都可視為穩(wěn)定流動系統(tǒng)（穩(wěn)流系）。穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程2.28工程上許多熱力裝置在工作過程氣輪機①

②

或

③

Ws＝const(1)穩(wěn)定流動系統(tǒng)條件29氣輪機①②或③Ws＝const29

軸功：通過機軸對外界輸出的機械功，記作Ws

。在進口處，為使工質(zhì)流入系統(tǒng)，外界必須對流入的工質(zhì)作功,以克服系統(tǒng)的內(nèi)阻力,此功稱為推動（進）功。30(2)軸功、流動功軸功：通過機軸對外界輸出的機械功，記作Ws。mkg工質(zhì)：

1kg工質(zhì)：

（注意此處dV與W中不同）31同理，出口處系統(tǒng)對1kg工質(zhì)所作的推動功為：mkg工質(zhì)：1kg工質(zhì)：（注意此處dV與W中不同）3進出口處推動功的代數(shù)和稱為流動功，記作Wf。所以，流動功可表示為：32流動功是維持工質(zhì)流動所必需的，通常是由泵或風機等加給被輸送工質(zhì)的，是隨工質(zhì)的流動而向前方移動的機械能，它不是工質(zhì)本身具有的儲存能，只有在工質(zhì)流動時才出現(xiàn)。進出口處推動功的代數(shù)和稱為流動功，記作Wf。所以，流動功可表設(shè)

33根據(jù)能量守恒原理：進入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量

＝系統(tǒng)總儲能的增量(3)穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程（熱I解析式）設(shè)33根據(jù)能量守恒原理：進入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量即

(適用于一般開口系)34對穩(wěn)流系：令

H＝U＋pV，稱為焓。對1kg工質(zhì)，比焓：即(適用于一般開口系)34對穩(wěn)流系：令H＝U＋p對微元過程：或

各式使用條件：穩(wěn)定流動、任何過程、任意工質(zhì)。式中:35或穩(wěn)流能量方程式（普遍適用）則

對微元過程：或 各式使用條件：穩(wěn)定流動、任何過程、任意工質(zhì)

在穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程中，工質(zhì)宏觀動能、宏觀位能的變化及軸功都是機械能，在技術(shù)上都可被用于對外界作功，因此稱之為技術(shù)功Wt（wt）。技術(shù)功wt

—技術(shù)上可利用的功

(宏觀機械能)

當，引入技術(shù)功后，穩(wěn)流能量方程可表達為時：36在穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量方程中，工質(zhì)宏觀動能、宏觀位能各種功量的關(guān)系

3.

閉口系和穩(wěn)流系能量方程的形式不同，但本質(zhì)是相同的或等價的。都描述的是一定量的工質(zhì)在熱力過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。工質(zhì)在穩(wěn)定流動過程中同樣是一個膨脹過程。雖然開口系的邊界為剛性邊界，過程中系統(tǒng)的總?cè)莘e不發(fā)生變化，但是，沿工質(zhì)流程的流通截面是遞增的。因此，系統(tǒng)與外界交換功的方式和閉口系不同，工質(zhì)所作的膨脹功是隱含的。37各種功量的關(guān)系3.閉口系和穩(wěn)流系能量方程由

或

對可逆過程：38由或?qū)赡孢^程：38對

mkg工質(zhì)：

可逆過程技術(shù)功如圖示陰影面積。

可逆過程穩(wěn)流能量方程式：或

使用條件：穩(wěn)流、可逆。39對mkg工質(zhì)：可逆過程技術(shù)功如圖示陰影面積。可逆因此，在穩(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動功和技術(shù)功之和。即一部分膨脹功用于提供工質(zhì)流動所需的流動功，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動能和宏觀位能，其余部分才對外輸出軸功。

所以膨脹功是簡單可壓縮系熱變功的源泉，穩(wěn)流系中所有機械能的總和等于膨脹功。即40因此，在穩(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動功和技術(shù)焓

4.比焓：簡稱焓。

h也是狀態(tài)參數(shù)。h可表示為任意兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h＝f（p,T）……41焓的定義式為焓4.比焓：簡稱焓。h也是狀態(tài)參數(shù)。如：h＝f（p

在開口系中，隨工質(zhì)流動而攜帶的總能量包括工質(zhì)的總儲能e和推動功pv。在有些流動情況下，工質(zhì)的宏觀動能和重力位能為零或忽略不計，但熱力學能和推動功是必定存在的，所以說焓是流動工質(zhì)攜帶的基本能量。而宏觀動能和重力位能是外部儲存能，與工質(zhì)的狀態(tài)無關(guān)，因此也可將

h

看作流動工質(zhì)所攜帶的總能量中取決于熱力狀態(tài)的那部分能量。

對于理想氣體：42在開口系中，隨工質(zhì)流動而攜帶的總能量包括工質(zhì)的焓的物理意義43不論對非流動工質(zhì)還是流動工質(zhì)，焓都是狀態(tài)參數(shù)；對流動工質(zhì)，h

是隨工質(zhì)流動時攜帶的取決于熱力狀態(tài)的那部分能量（或基本能量）。43不論對非流動工質(zhì)還是流動工質(zhì)，焓都是狀態(tài)參數(shù)；對流

葉輪式機械、噴管、節(jié)流閥等通常作絕熱處理葉輪式機械的外表面通常絕熱較好；熱交換面積較小、或工質(zhì)迅速流過系統(tǒng)；系統(tǒng)與外界的溫差很小等。442-5

穩(wěn)流能量方程式應(yīng)用舉例

1.簡化工程實際問題的幾點原則葉輪式機械、噴管、節(jié)流閥等通常作絕熱處理442-5穩(wěn)流45除如噴管、擴壓管等設(shè)備外，一般設(shè)備的進出口動、位能差都可以忽略不計。如果閉口系中工質(zhì)的容積沒有變化，則容積功為零；如果開口系中沒有葉片、轉(zhuǎn)軸類的作功部件，其軸功為零。45除如噴管、擴壓管等設(shè)備外，一般設(shè)備的進出口動、位能差都可應(yīng)用舉例

2.(1)燃燒室簡化：燃燒過程等壓、穩(wěn)流；將燃燒過程視為外部熱源加熱，忽略化學變化；忽略燃料質(zhì)量，將燃氣視為空氣。由

∵∴46應(yīng)用舉例2.簡化：燃燒過程等壓、穩(wěn)流；將燃燒過程視為外部熱簡化：近似視為絕熱。忽略動位能變化。∵∴47(2)汽輪機、壓氣機簡化：近似視為絕熱。∵∴47例1

絕熱封閉的氣缸中裝有不可壓縮流體,對活塞加壓，使流體壓力從