第2章 热力学第一定律
2.1 复习笔记
一、热力学第一定律的实质
1．热力学第一定律的涵义
热力学第一定律指出：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，但可以从一种形态转变为另一种形态；在能量的转换过程中能量的总量保持不变。
2．热力学第一定律的表述
（1）热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能时，它们间的比值是一定的。
（2）热可以变为功，功也可变为热；一定量的热消失时必产生相应量的功，消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。
二、热力学能和总能
1．热力学能
（1）热力学能的定义
热力学能包括内动能、内位能，维持一定分子结构的化学能和原子核内部的原子能以及电磁场作用下的电磁能等。在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能、原子核能都不变化，可以不考虑，因此热力学能的变化只是内动能和内位能的变化。
（2）热力学能的表达式
由于气体的热力学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：
或 
；
（2-1）
2．总能
（1）内部储存能
工质中的热力学能也叫做内部储存能
（2）外部储存能
工质在参考坐标系中作为一个整体，因有宏观运动速度而具有动能及因有不同高度而具有位能。这两种能量称之为外部储存能。
（3）总能
工质的总储存能，简称总能，是指内部储存能和外部储存能的总和，即热力学能与宏观运动动能及位能的总和。若总能用E表示，动能和位能分别用
和
表示，则
(2-2)
若工质的质量为m，速度为
，在重力场中的高度为z，则宏观动能和重力位能分别为
， 
工质的总能可写成
(2-3)
lkg工质的总能，即比总能e，可写为
(2-4)
（4）热力学能、功、热量的区别
热力学能和功、热量虽然都具有能量的量纲，但它们本质上有所不同。热力学能是状态的函数，仅取决于状态，所以系统在两个平衡状态之间热力学能的变化量仅由初、终两个状态的热力学能的差值确定，与中间过程无关。功和热量是过程量，不仅与系统初、终态有关，而且和状态变化的过程有关。
三、能量的传递和转化
1．作功和传热
（1）能量的传递方式有两种
①做功；
②传热。
（2）借做功来传递热量总是和物体的宏观位移有关；借传热来传递热量就不需要物体的宏观位移。
（3）热能变机械能的过程包含两类过程：
①能量转换的热力学过程，在此过程中首先由热能传递转变为工质的热力学能，然后由工质膨胀把热力学能变为机械能，转换过程中工质的热力状态发生变化，能量的形式也发生变化；
②单纯的机械过程，在此过程中由热能转换而得的机械能再变成动能，若考虑工质本身的速度和离地面高度的变化，则还变成工质的动能和位能，其余部分则通过机器轴对外输出。
2．推动功和流动功
（1）推动功的定义
推动功是工质在开口系统中流动而传递的功，推动功只有在工质移动位置时才起作用。
（2）流动功的定义
流动功是系统为维持工质流动所需的功，等于推动功差
。
四、焓
1．焓的定义
为了简化公式和简化计算，定义U+pV为焓，用符号H表示，即
(2-5)
1kg工质的焓称为比焓，用h表示，即
(2-6)
2．焓的表达式
焓是一个状态参数，由式(2-1)，h可以表示成P和v的函数，即
焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数，即
据状态参数的特性，有
(2-7)
(2-8)
五、热力学第一定律的基本能量方程式
1．热力学第一定律
进入系统的能量－离开系统的能量＝系统中储存能量的增加 (2-9)
2．热力学第一定律解析式
当工质从外界吸入热量Q后，从状态1变化到状态2，并对外界作功W。若工质的宏观动能和位能的变化可忽略不计，则工质(系统)储存能的增加即为热力学能的增加△u。
（1）基本形式
(2-10)
（2）微分形式
(2-11)
（3）对于可逆过程
（2-12）
(2-13)
（4）对于循环
意即闭口系完成一个循环后，循环中与外界交换的净热量等于与外界交换的净功能量。用
和
分别表示循环净热量和净功量，则有
(2-14)
六、开口系统能量方程式
1．开口系能量方程
（1）考察该微过程中的能量平衡：
进入系统的能量 
离开系统的能量 
i
控制容积的储存能增量 
图2-1 开口系统能量平衡
（2）开口系能量方程的一般表达式
(2-15)
2．稳定流动能量方程
（1）稳定流动过程的定义
稳定流动过程是指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的流动过程。反之，则为不稳定流动或瞬变流动过程。
（2）稳定流动能量方程
①流入1 kg工质时的稳定流动能量方程：
（2-16）
可写成微量形式
（2-17）
②流入质量为m的工质时的稳定流动能量方程式：
(2-18)
可写成微量形式
（2-19）
3．稳定流动能量方程式的分析
（1）技术功
考虑到
，式（2-16）可改写成
（2-20）
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。由于机械能可全部转变为功，所以
；、g
z及Wi之和是技术上可资利用的功，称之为技术功，用
表示：
(2-21)
（2）技术功的表达式
由式(2-20)并考虑到q-u=w，则
(2-22)
对可逆过程
(2-23)
式中-vdp可用图2-2中画斜线的微元面积表示，
则可用面积5-l-2-6-5表示。在微元过程中，则
(2-24)
由式(2-24)可见，若dp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。
图2-2 技术功的表示
（3）稳定流动能量方程
①含技术功的表达式：
(2-25)
②对质量为m的工质：
(2-26)
③对可逆过程
(2-27)
(2-28)
七、能量方程式的应用
1．动力机
工质流经汽轮机、燃气轮机等动力机（图2-3）时，压力降低，对机器做功；气体进口和出口的动能差很小，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1kg工质对机器所作的功为
（2-29）
2．压气机
工质流经压气机（图2-4）时，机器对工质做工，使工质升压；工质对外界略有放热，
和q都是负的；动能差和位能差可忽略不计。从稳定流动能量方程式(2-16)可得对1kg工质需作功为
（2-30）
3．换热器
工质流经锅炉、回热器等热交换器(图2-5)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(2-17)工质的吸热量为
（2-31）
图2-3 动力机能量平衡图 2-4 压气机能量平衡 图2-5 换热器能量平衡
4．管道
工质流经诸如喷管、扩压管等这类设备(图2-6)时，不对设备作功，位能差很小，可不计；因喷管等长度短，工质流速大，流经这类设备时与外界交换热量很小，可忽略不计。若流动稳定，则用式(2-16)可得lkg工质动能的增加为
（2-32）
图2-6 喷管能量转换
5．绝热节流
工质流过阀门等设备(图2-7)时流动截面突然收缩，压力下降，这种现象称为节流。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1—1和2-2处，工质的状态趋于平衡。设流动绝热，前后两截面间动能和位能差忽略不计，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(2-22)，可得节流前后焓值相等：
（2-33）
图2-7节流现象