热工理论基础学习指导
第二章 热力学第一定律
2-1 学习目标与要求
1．掌握热力系储存能的概念，掌握状态参数热力学能、焓的定义及物理意义；
2．深刻理解热力学第一定律的实质，并能熟练运用热力学第一定律的数学表达式（即能量方程）对闭口系进行能量交换的分析及计算；
3．理解稳定流动的特点及开口系与闭口系在能量分析上的差异，并能熟练运用稳定流动的能量方程式对工程问题进行能量转换的分析和计算；
4．了解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功之间的联系与区别。
2-2 基本知识点
一、热力学第一定律的实质及表述
1．实质：是能量转换与守恒定律在热力学中的具体应用，即反映热力系能量交换的规律。
2．表述：
（1）热和功可以互相转换，为了获得一定量的功，必须消耗一定量的热；消耗一定量的功时，必然出现与之对应量的热。
（2）第一类永动机是不可能制造成功的。
? 第一类永动机：不消耗能量而能对外连续作功的机器；实践证明是不可能实现的。 3．热力学第一定律能量平衡方程式：
对于任何热力系中发生的任何热力过程，其能量平衡方程式均可表示如下：
进入系统的能量—离开系统的能量=系统储存能的变化量 （2-1）
二、热力系的储存能与热力学能
热力系储存能的构成：系统总储存能=内部储存能+外部储存能 1．内部储存能（即热力学能）
（1）定义：热力系内部所有微观粒子所具有的能量之和，称为热力学能，也称为内能用U表示；单位质量工质所具有的热力学能，称为比热力学能（比内能），用u表示，即U=mu。
（2）构成：热力学能=内动能+内位能 ? 内动能（Uk）：包括分子的移动动能、转动动能及分子内部原子的振动动能，则Uk
=f(T)；
? 内位能（Up）：是由于克服分子间的作用力而形成，则Up =f(v)。 （3）性质：由于U= Uk + Up =f (T，v) ，故热力学能是状态参数。
2．外部储存能：系统工质与外力场的相互作用（如重力位能）及以外界为参考坐标的系统宏观运动所具有的能量（宏观动能）。即
宏观动能：Ek?12mc 2重力位能：Ep?mgz
3．热力系的储存能
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E?U?Ek?Ep 或 E?U?对于1kg工质，有
e?u?1mc2?mgz （2-2） 212c?gz （2-3） 2 显然，系统储存能是一个状态量。对于任意热力过程，系统储存能的变化量等于终态储存能与初态储存能之差，即?E?E2?E1或?e?e2?e1。
三、闭口系能量方程式
热力学第一定律反映的是热力系与外界能量交换收支平衡的状况。对闭口系，热力系与外界只有热量和功量的交换，如图2-1所示，取热量q为进入系统的能量，取功量w为离开系统的能量。
q12w
图2-1 闭口系的能量转换
根据能量平衡方程，可推出热力学第一定律的闭口系能量方程式： 对于1kg工质，有
q??u?w （2-4）
对于mkg工质，有
Q??U?W （2-5）
对于可逆过程，上两式可写为
Q??U??pdV 及 q??u??pdv （2-6）
2211注：以上各式中，Q、ΔU及W均取代数值，即符号规定如下: ? 热量：热力系吸热Q为正，热力系放热Q为负； ? 功量：热力系向外界输出功W为正（即膨胀功为正），外界对热力系输入功W为负
（即压缩功为负）；
? 热力学能变化量：热力学能增加ΔU取正，热力学能减少ΔU取负。
四、稳定流动开口系统的能量方程式
1．稳定流动与稳定流动开口系统
（1）定义：工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化，称这种流动为稳定流动，这种开口系统为稳定流动开口系统。工程上常用的热力设备除启动、停机或者加减负荷外，大部分时间是在稳定流动条件下运行的。
（2）实现条件
? 系统内各流通截面上工质的质量流量相等，且不随时间而变，满足质量守恒。 ? 系统内储存的能量保持不变，即单位时间内输入系统的能量应等于从系统输出的能
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量，满足能量守恒。 2．轴功、流动功和流动净功 （1）轴功（ws）：系统通过轴与外界交换的功。 （2）流动功（pv）：开口系统与外界之间，因工质流动而传递的机械功，也是维持流体正常流动所必须传递的能量，又叫推动功。
（3）流动净功：对于同时有工质进、出的开口系，系统与外界交换的推动功的差值，称为流动净功。推动1kg工质进、出热力系所必须的流动净功为wf??(pv)?p2v2?p1v1。
?说明：流动功是由泵或风机加给被输送工质并随着工质流动而向前传递的一种能量，不
是工质本身具有的能量，只有在工质流动过程中才存在，所以没有流动的工质（如闭口系中）就不存在流动功。由于流动功并不改变工质的热力状态，故流动功不是过程量。（注意与其它功的区别！）
3．状态参数焓
（1）定义式：对流动工质（开口系统），伴随工质进出开口系统而交换的总能量包括有四项能量，即（U?pV?12mc?mgz），其中pV和U均取决于工质的热力状态，为分2析方便，定义U+pV为焓，用H表示，单位为J或kJ；单位质量工质的焓为比焓，用h表示，单位为J/kg或kJ/kg。即
H?U?pV （2-7） h?u?pv （2-8）
（2）物理意义：
焓是状态参数，它表示伴随工质进、出开口系统而交换的总能量中，取决于热力状态的那部分能量。
4．稳定流动开口系的能量方程式
c111ws2q2z1c2z20图2-2 稳定流动开口系的能量转换
0
如图2-2所示，对于单位质量工质而言，由能量守恒原理可推出稳定流动开口系的能量方程式为：
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121q?(h2?h1)?(c2?c12)?g(z2?z1)?ws 或 q??h??c2?g?z?ws （2-9） 22对于mkg工质，稳定流动开口系的能量方程式可写为： Q??H?1m?c2?mg?z?Ws （2-10） 25．技术功
为简化稳定流动的能量方程式，引入技术功的概念。
（1）定义：工程技术上可资利用的功，称为技术功，即
wt?12(c2?c12)?g(z2?z1)?ws （2-11） 2（2）技术功与膨胀功关系：
将稳定流动的能量方程式与闭口系能量方程式作对比，可得：技术功=膨胀功-流动净功，即
wt?w??(pv) 或 w?wt??(pv) （2-12）
对可逆过程，有w??21pdv，则wt???vdp。膨胀功在p-v图上可以用过程曲线在
12v坐标轴上的投影面积（12v2v11）来表示，而技术功的大小可以用p-v图上过程曲线在p坐标轴上的投影面积（12p2p11）来表示，如图2-3所示。
pp11vdppdvp202v1v2v
图2-3 技术功与膨胀功图示
（3）对稳定流动能量方程式的简化：
引入技术功后，稳定流动的能量方程式可写为
q??h?wt 或 Q??H?Wt （2-13）
对于可逆的稳定流动过程，则能量方程式可表示为：
q??h??vdp （2-14）
126．稳定流动能量方程式的具体应用 稳定流动的能量方程式在具体应用时，针对不同的热力设备，可根据实际过程的具体特点，对能量方程式作出合理简化，从而得到更加简明的表达形式。如：
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