工程热力学第三版
第二章热力学第一定律
热力学第一定律 ( 能量守恒与转换定律) :自然界中的一切物质都具有能量 ,能量不可能被创造,也不可能被消灭;
但能量可以从一种形态转变为另一种形态 , 且在能量的
转化过程中能量的总量保持不变。
它确定了热力
过程中热力系与外界进行能量交换时 , 各种形态能量
数量上的守恒关系。
能量是物质运动的度量。
分子运动学说阐明了热
能是组成物质的分子、原子等微粒的杂乱运动———热运动的能量。
根据气体分子运动学说, 热力学能是热力状态的单值函数。
在一定的热
力状态下 , 分子有一定的均方根速度和平均距离 , 就有
一定的热力学能 , 而与达到这一热力状态的路径无关 ,
因而热力学能是状态参数。
由于气体的热力状态可由
两个独立状态参数决定 , 所以热力学能一定是
两个独立状态参数的函数, 如: u = f( T, v)或u =
f( T, p) ; u = f( p, v)
能量传递方式 : 作功和传热。
作功来传递能量总是和物体的宏观位移有关。
功的形式除了膨胀功或压缩功这类与系统的界面移动
有关的功外 ,还有因工质在开口系统中流动而传递
的功 ,这种功叫做推动功。
对开口系统进行功的计
算时需要考虑这种功。
开口系统和外界之间功的交换。
取燃气轮机为一开口系统 , 当 1 kg 工质从截面 1 - 1流入该热力系时,工质带入系统的
推动功为 p 1 v 1 ,工质在系统中进行膨胀,由状态1膨胀到状态2,作膨胀功 w,
然后从截面 2 - 2流出,带出系统的推动功为p 2 v 2。
推动功差( pv) = p 2 v 2 -
p 1 v 1是系统为维持工质流动所需的功, 称为流动功（系统为维持工质流动所需的功）。
在不考虑工质的动能及位能变化时, 开口系与外界交换的功量是膨胀功与流动功之差w -( p 2 v 2
- p 1 v 1 );若计及工质的动能及位能变化, 则还应计入动能差及位能差。
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。
焓（ H ）即H = U + pV，焓的单位是J，焓是一个状态参数。
h = u + pv = f( p, v)
焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数,
即 h = f( p, T) , h = f( T, v)
同样还有
热力学第一定律应用于闭口系而得的能量方程式, 是最基本的能量方程式,叫做热力学第一定律的解析式。
它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 , 无论是理想气体还是实际
气体 ,甚至是液体都适用。
为了确定工质初态和终态热力学能的值 , 要求工质初态和终态是平衡状态。
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时 ,U 为正 , 反之为负。
对于可逆过程 ,
意即闭口系完成一个循环后, 它在循环中与外界交换的净热量等于与外
界交换的净功量。
用 Q net 和 W net 分别表示循环净热量和净功量 , 则有
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。
W i 表示工质在机器内部对机器所作的功,称做内部功。
稳定流动能量方程式：
W i表示工质在机器内部对机器所作的功, 称做内部功。
它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 , 故而不论系统内部如何改变 ,
有无扰动或摩擦 ,均能应用,是工程上常用的基本公式之一。
稳定流动能量方程式的分析
和g z 是工质机械能的变化; 第三项( pv)是维持工质流动所需的流动功;第四项w i是工质对机器作的功。
它们均源自于工质在状态变化过程中通过膨胀而实施的热能转变成的机械能。
等式左边是工质在过程中的容积变化功。
若 d p 为负 , 即过程中工质压力降低,则技术功为正,此时工质对机器作功 ;
反之机器对工质作功。
蒸汽轮机、燃气轮机属于前一种情况,
活塞式压气机和叶轮式压气机属于
后一种情况。
引进技术功概念后,稳定流动能量方程式
一、动力机
工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机 ( 图 2 - 5)时,压力降低,对机
器作功 ; 进口和出口的速度相差不多,动能差很小,可以不计 ; 对外界略有散热损失 , q 是负的 , 但数量通常不大 , 也可忽略; 位能差极微, 可以不计。
把这些条件代入稳定流动能量方程式
(2 - 16),可得1 kg工质对机器所作的功为w i = h 1 - h 2 = w t。
二、压气机
三、换热器
工质流经锅炉、回热器等热交换器 ( 图 2 - 7)时和外界有热量交换而
无功的交换, 动能差和位能差也可忽略不计。
若工质流动是稳定的 , 从式 (2 - 16) 可得 1 kg 工质的吸热量为
q = h 2 - h 1
四、管道
工质流经诸如喷管、扩压管等这类设备 ( 图 2 - 8)时,不对设备作功,位能差很小 ,可不计;因喷管长度短,工质流速大,
来不及和外界交换热量 , 故热量交换也可忽略不计。
若流动稳定 , 则用式 (2 - 16) 可得 1 kg 工质动能的增加为
五、节流
工质流过阀门 ( 图 2 - 9)时流动截面突然收缩,压力下降,这种流动称为节流。
由于存在摩擦和涡流 ,流动是不可逆的。
在离阀门不远的两个截面处 , 工质的状态趋于平衡。
设流动是绝热的 , 前后两截面间的动能差和位能差忽略不
计 , 又不对外界作功 , 则对两截面间工质应用稳定流动能量方程式
(2 - 16) ,可得节流前后焓值相等, 即h 1 = h 2
热力学能是工质的状态参数，是工质内部储存的能量，是与状态变化过程无关的物理量。
热量是工质状态发生变化时通过系统边界传递的热能，其大小与变化过程有关，热量不是状态参数。
能否由基本能量方程式得出功、热量和热力学能是相同性质的参数的结论？
q= u＋w
不能。
基本能量方程式仅仅说明且充分说明功、热量和热力学能都是能
量，都是能量存在的一种形式，在能量的数量上它们是有等价关系的。
而不涉及功、热量和热力学能的其他属性，也表明功、热量和热力学能
的其他属性与能量本质无关。
热力学第一定律解析式两种形式： q= u＋w 适用于任
意系统、任意工质和任意过程。
q= u＋pdv适用于任意系统、任意工质和可逆过程。
推动功：工质流动时，推动它下游工质时所作的功。
开口系工质流动，而闭口系工质不流动，所以推动功出现在开口系能量方程中，而不出现在闭口系能量方程式中。
焓是工质流入（或流出）开口系时传递入（或传递出）系统的总能量，
那么闭口系工质有没有焓值？
作为工质的状态参数，闭口系工质也有焓值，但是由于工质不流动，所
以其焓值没有什么意义。
焓=热力学能+占位能。
