第2章热力学第一定律一、教案设计教学目标：使学生深刻理解热量、储存能、功及内能、烩的物理意义，深刻理解热力学第一定律的实质并能熟练掌握应用热力学第一定律进行解题的方法，掌握其各种表达式（能量方程）的使用对象和应用条件。知识点：深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、恰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。重点：熟练应用热力学第一定律解决具体问题。难点：理解掌握热力学中各种功的定义及其计算，以及它们之间的区别和联系，切实理解热力系能量的概念，掌握各种系统中系统能量增量的具体含义。教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论+习题课师生互动设计：提问+启发+讨论问：知道“永动机”是什么吗？?问：你认为100℃的热水比50℃的温水含有的热量多？为什么？问：一个球放在10层楼的顶部，和放在3层楼顶，哪个做功多？为什么？?问：为什么要引入烩这个状态参数？它的物理意义是什么？问：各种功之间有什么联系？学时分配：4学时+2学时（习题）二、基本知识第一节热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质：能量守恒与转换定律在热力学中的应用收入-支出=系统储能的变化Esys+Esur=常数对孤立系统：△Eisol=0或AEss+△Esur=018
18 第 2 章 热力学第一定律 一、教案设计 教学目标: 使学生深刻理解热量、储存能、功及内能、焓的物理意义，深刻 理解热力学第一定律的实质并能熟练掌握应用热力学第一定律进行解题的方 法，掌握其各种表达式（能量方程）的使用对象和应用条件。 知 识 点：深刻理解热量、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。 重 点：熟练应用热力学第一定律解决具体问题。 难 点：理解掌握热力学中各种功的定义及其计算，以及它们之间的区 别和联系，切实理解热力系能量的概念，掌握各种系统中系统能量增量的具 体含义。 教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论+习题课 师生互动设计：提问+启发+讨论 ☺ 问：知道“永动机”是什么吗？ ☺ 问：你认为 100℃的热水比 50℃的温水含有的热量多？为什么？ ☺ 问：一个球放在 10 层楼的顶部，和放在 3 层楼顶，哪个做功多？为什么？ ☺ 问：为什么要引入焓这个状态参数？它的物理意义是什么？ ☺ 问：各种功之间有什么联系？ 学时分配：4 学时+2 学时（习题） 二、基本知识 第一节 热力学第一定律的实质 热力学第一定律的实质: 能量守恒与转换定律在热力学中的应用 收入-支出=系统储能的变化 Esys + Esur = 常数 对孤立系统： Eisol = 0 或 Esys + Esur = 0
第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。第二节热力学能和总能（系统的储存能）系统的储存能的构成：内部储存能+外部储存能一。热力学能（内能）热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，单位质量工质所具有的热力学能（内能），称为比热力学能（比内能）。U=mu热力学能（内能）=分子动能+分子位能分子动能包括：1.分子的移动动能2.分子的转动动能.3.分子内部原子振动动能和位能分子位能：克服分子间的作用力所形成u=f(T,V)或u=f(T,P)u=f(PV)注意：热力学能（内能）是状态参数特别的：对理想气体u=f(T)问题思考：为什么？二、外储存能：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）。安现动能： 5-me式中重力位能：E，=mgzg一重力加速度。系统总储存能：E=U+E+Ep1?+g=或 E=U+mc* +mg=e=u+22第三节系统与外界传递的能量与外界热源功源，质源之间进行的能量传递一、功除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量1.膨胀功W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。单位：1J=INm19
19 第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。 第二节 热力学能和总能（系统的储存能） 系统的储存能的构成：内部储存能+外部储存能 一．热力学能（内能） 热力系处于宏观静止状态时系统内所有微观粒子所具有的能量之和，单位 质量工质所具有的热力学能（内能），称为比热力学能（比内能）。U=mu 热力学能（内能）=分子动能+分子位能 分子动能包括：1．分子的移动动能 2.分子的转动动能.3．分子内部原子振动 动能和位能 分子位能：克服分子间的作用力所形成 u=f (T,V) 或 u=f (T,P) u=f (P,V) 注意: 热力学能（内能）是状态参数. 特别的: 对理想气体 u=f (T) 问题思考: 为什么? 二、外储存能：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）。 宏观动能： 2 2 1 E mc k = 重力位能： E mgz p = 式中 g—重力加速度。 系统总储存能： E =U + Ek + Ep 或 E =U + mc + mgz 2 2 1 e = u + c + gz 2 2 1 第三节 系统与外界传递的能量 与外界热源,功源,质源之间进行的能量传递 一、功 除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量. 1．膨胀功 W：在力差作用下，通过系统容积变化与外界传递的能量。 单位：l J=l Nm
规定：系统对外作功为正，外界对系统作功为负。膨胀功是热变功的源泉2轴功W,:通过轴系统与外界传递的机械功注意：刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换二、热量在温差作用下，系统与外界通过界面传递的能量。规定：系统吸热热量为正，系统放热热量为负。单位：kJkcal1kcal=4.1868kJ特点：热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关，或与过程的路径有关三、随物质传递的能量1.流动工质本身具有的能量1E=U+=mc2 +mgz22.流动功（或推动功之差）：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体通过控制体界面而传递的机械功推动1kg工质进、出控制体所必须的功5Wy=2V2-PV注意：流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵风机等提供思考：与其它功区别烩的定义：烩=内能+推动功对于m千克工质：H=U+pV对于1千克工质：h=u+pv的物理意义：20
20 规定: 系统对外作功为正，外界对系统作功为负。 膨胀功是热变功的源泉 2 轴功 W s : 通过轴系统与外界传递的机械功 注意: 刚性闭口系统轴功不可能为正，轴功来源于能量转换 二、热量 在温差作用下,系统与外界通过界面传递的能量。 规定: 系统吸热热量为正，系统放热热量为负。 单位：kJ kcal l kcal=4.1868kJ 特点: 热量是传递过程中能量的一种形式，热量与热力过程有关,或与过程的 路径有关. 三、随物质传递的能量 1．流动工质本身具有的能量 E =U + mc + mgz 2 2 1 2． 流动功(或推动功之差)：维持流体正常流动所必须传递量，是为推动流体 通过控制体界面而传递的机械功. 推动 1kg 工质进、出控制体所必须的功 2 2 1 1 w p v p v f = − 注意: 流动功仅取决于控制体进出口界面工质的热力状态。流动功是由泵风 机等提供 思考：与其它功区别 焓的定义：焓=内能+推动功 对于 m 千克工质： H =U + pV 对于 1 千克工质：h=u+ p v 焓的物理意义：
1.对流动工质（开口系统），表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量，2.对不流动工质闭口系统），烩只是一个复合状态参数思考为什么：特别的对理想气体h=f(T)第四节热力学第一定律的基本能量方程式一、闭口系统能量方程1.能量方程表达式Q=AU+W适用于mkg质量工质1kg质量工质q=Au+w注意：该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。由于反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口系统、任何工质、任何过程u=q-pdy特别的：对可逆过程思考为什么2.循环过程第一定律表达式中oog=结论：第一类永动机不可能制造出来思考：为什么3.理想气体在刚性容器的内能变化计算（定容）：（为讲下章理想气体铺垫）由&q，=du,=C,dT得：du=c,dT,Au=jc,dT适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程或：Au=c,(T2-T)二、开口系统能量方程21
21 1．对流动工质(开口系统)，表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状 态的那部分能量. 2．对不流动工质(闭口系统)，焓只是一个复合状态参数 思考为什么：特别的对理想气体 h= f (T) 第四节 热力学第一定律的基本能量方程式 一、闭口系统能量方程 1.能量方程表达式 Q = U +W 适用于 mkg 质量工质 q = u + w 1kg 质量工质 注意: 该方程适用于闭口系统、任何工质、任何过程。 由于反映的是热量、内能、膨胀功三者关系，因而该方程也适用于开口 系统、任何工质、任何过程. 特别的: 对可逆过程 = − 2 1 u q pdv 思考为什么 2.循环过程第一定律表达式 q = w 结论: 第一类永动机不可能制造出来 思考：为什么 3.理想气体在刚性容器的内能变化计算（定容）：（为讲下章理想气体铺垫） 由 qv = duv = cvdT 得： du = cvdT ， = 2 1 u cvdT 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 或： ( ) T2 T1 u c = v − 二、开口系统能量方程
由质量守恒原理：进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量能量守恒原理：进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量设控制体在dt时间内：1进入控制体的能量=80+(h,+c+g=om2离开控制体的能量=oW，+(hz+）c2+g-20mn注：不考虑机器摩擦引起的损失，因此机器内部功Wi此时等于轴功Ws控制体储存能的变化dE。=（E+dE)-E。代入后得到8m,控制体界面C8dE210m开口系统（控制体）1Py2基准面11780=W.+(h++g-)om,-(h+c+g)om+dEC22注意：本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程也适用于闭口系统第五节稳定流动能量方程一。稳态稳流工况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，称稳态稳流工况。条件：1.符合连续性方程2：系统与外界传递能量，收入=支出，且不随时间变化22
22 由质量守恒原理： 进入控制体的质量一离开控制体的质量=控制体中质量的增量 能量守恒原理： 进入控制体的能量一控制体输出的能量=控制体中储存能的增量 设控制体在 d 时间内: 进入控制体的能量= 1 1 2 1 1 ) 2 1 Q + (h + c + gz m 离开控制体的能量= 2 2 2 2 2 ) 2 1 WS + (h + c + gz m 注：不考虑机器摩擦引起的损失，因此机器内部功 Wi 此时等于轴功 Ws 控制体储存能的变化 dEcv = E + dE cv − Ecv ( ) 代入后得到: Q = 2 2 2 2 2 ) 2 1 WS + (h + c + gz m 1 1 2 1 1 ) 2 1 − (h + c + gz m + cv dE 注意:本方程适用于任何工质，稳态稳流、不稳定流动的一切过程,也适用于闭 口系统 第五节 稳定流动能量方程 一． 稳态稳流工况 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，称稳态稳流工况。 条件：1．符合连续性方程 2 ．系统与外界传递能量，收入 = 支 出 ， 且 不 随 时间变化
SteadyStateSteadyFlow(SSSF)omin稳定流动条件UinI1、mou=Mm=m2SWnet2、O=ConstgzinSmout3、int=Const-WWout轴功Shaftwork8024、每截面状态不变dEcp/8=0gzout1=dh+=dc2+gdz+w,=dh+w2适用于任何工质，稳态稳流热力过程二。 技术功在热力过程中可被直接利用来作功的能量，即技术上可资利用的功称为技术功。技术功=膨胀功+流动功W,=W+P,V-P2V2特别的：对可逆过程：vdpW,=思考：为什么，注意：技术功是过程量公式：dh=&-ws适用于任何工质稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。总结：各种功之间的联系和区别？机器内部功，轴功，技术功、流动功与膨胀功（容积变化功）之间的关系?Ac+gAz+ww.q=Ah+w.=Au+A(p)+w,g=+mw=)+W做功的根源c2/2WWtgAzApw23
23 q = dh + dc + gdz + ws = dh + wt 2 2 1 适用于任何工质，稳态稳流热力过程 二． 技术功 在热力过程中可被直接利用来作功的能量，即技术上可资利用的功称为 技术功。 技术功=膨胀功+流动功 1 1 2 2 w w p v p v t = + − 特别的：对可逆过程： = − 2 1 wt vdp 思考：为什么，注意：技术功是过程量 公式： dh = q − ws 适用于任何工质稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。 总结：各种功之间的联系和区别？ 机器内部功，轴功，技术功、流动功与膨胀功（容积变化功）之间的关 系？
第六节稳定流动能量方程的应用应用热力学第一定律进行解题的方法，步骤如下1）根据需要求解的问题，选取热力系统。2）列出相应系统的能量方程3）利用已知条件简化方程并求解4）判断结果的正确性(2-ci)+(22-2)g+Wsq=(h-h)+(221.动力机：利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。w.=h,-h,2.压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备-w, =h,-h3.热交换器q=h, -h4.管道1Ac?= -Nh25.节流（一般认为绝热）hihq=ah+w没有作功部件W,-O绝热9=0Ah = 0hi=h2绝热节流过程，前后不变，但不是处处相等24
24 第六节 稳定流动能量方程的应用 应用热力学第一定律进行解题的方法，步骤如下 1）根据需要求解的问题，选取热力系统。 2）列出相应系统的能量方程 3）利用已知条件简化方程并求解 4）判断结果的正确性 2 2 2 1 2 1 2 1 ( ) ( ) ( ) 2 s c c q h h z z g w − = − + + − + 1．动力机：利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。 ws = h1 − h2 2．压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备 − ws = h2 − h1 3．热交换器 q = h2 − h1 4. 管道 1 2 2 = − c h 5. 节流（一般认为绝热）
三、本章总结roq=du+pah热一律解析式之一准静态oq=dh-vdp热一律解析式之二1.必须学会并掌握应用热力学第一定律进行解题的方法，步骤如下：1）根据需要求解的问题，选取热力系统。2）列出相应系统的能量方程3）利用已知条件简化方程并求解4）判断结果的正确性2.深入理解热力学第一定律的实质，并掌握其各种表达式（能量方程）的使用对象和应用条件。3.切实理解热力学中功的定义，掌握各种功量的含义和计算，以及它们之间的区别和联系，切实理解热力系能量的概念，掌握各种系统中系统能量增量的具体含义。4.本章学习中，要更多注意在稳态稳定流动情况下，适用于理想气体和可逆过程的各种公式的理解与应用。四、作业练习与讨论作业：思考题1、2；习题2-3，2-9，2-12；思考题：1：门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行，若散开冰箱的大门就有一股凉气扑面，感到凉爽。于是有人就想通过开冰箱大门达到降低室内温度的目的，你认为这种想法可行吗？2.既然散开冰箱大门不能降温，为什么在门窗紧闭的房间内安装空调器后却能使温度降低呢？3.对工质加热，其温度反而降低，有否可能？25
25 三、本章总结 1．必须学会并掌握应用热力学第一定律进行解题的方法，步骤如下： 1）根据需要求解的问题，选取热力系统。 2）列出相应系统的能量方程 3）利用已知条件简化方程并求解 4）判断结果的正确性 2．深入理解热力学第一定律的实质，并掌握其各种表达式（能量方程）的使 用对象和应用条件。 3．切实理解热力学中功的定义，掌握各种功量的含义和计算，以及它们之间 的区别和联系，切实理解热力系能量的概念，掌握各种系统中系统能量增量 的具体含义。 4．本章学习中，要更多注意在稳态稳定流动情况下，适用于理想气体和可逆 过程的各种公式的理解与应用。 四、作业练习与讨论 作业：思考题 1、2；习题 2-3，2-9，2-12； 思考题： 1．门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行,若敞开冰箱的大门就有一股凉 气扑面,感到凉爽。于是有人就想通过敞开冰箱大门达到降低室内温度的目的, 你认为这种想法可行吗? 2. 既然敞开冰箱大门不能降温，为什么在门窗紧闭的房间内安装空调器后 却能使温度降低呢? 3．对工质加热，其温度反而降低，有否可能？