第1-2章-基本概念和熱①定律

第一篇工程熱力學(xué)

緒論先修課程：大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)教材：秦萍畢海權(quán)主編.熱工基礎(chǔ).西南交大出版社主要參考書(shū)：

1、李岳林.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué).人民交通出版社2、童鈞耕等編.熱工基礎(chǔ).第二版.上海交大出版社熱工基礎(chǔ)包含工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩門(mén)課程的基礎(chǔ)知識(shí)。工程熱力學(xué)主要研究能量轉(zhuǎn)換與能量的有效利用。傳熱學(xué)主要研究熱量傳遞過(guò)程及其規(guī)律。教學(xué)目的和任務(wù)：

掌握熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，并能理論聯(lián)系實(shí)際地對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算；為學(xué)習(xí)后續(xù)有關(guān)專業(yè)課程提供必要的工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基礎(chǔ)理論和熱力計(jì)算的基本方法；培養(yǎng)科學(xué)的邏輯思維能力，為畢業(yè)后從事工程設(shè)計(jì)、管理和科學(xué)研究提供必要的熱力學(xué)理論基礎(chǔ)及良好的工程素養(yǎng)。

一、研究對(duì)象工程熱力學(xué)——熱能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及其工程應(yīng)用。熱能→機(jī)械能:

動(dòng)力裝置(蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、原子能動(dòng)力裝置等)機(jī)械能→熱能:

制冷、熱泵、空氣分離裝置等0－1熱工基礎(chǔ)的研究對(duì)象及主要內(nèi)容

傳熱學(xué)——熱量傳遞過(guò)程規(guī)律及工程應(yīng)用。二、主要內(nèi)容

工程熱力學(xué)：2.各種熱力過(guò)程的分析、計(jì)算3.部分典型熱工設(shè)備的工作原理、熱力過(guò)程分析及計(jì)算。傳熱學(xué)：熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱和傳熱過(guò)程。一、工程熱力學(xué)：宏觀為主，微觀為輔。0－2研究方法方法特點(diǎn):1、把物質(zhì)系統(tǒng)看作一個(gè)整體，以實(shí)踐為依據(jù)，以熱力學(xué)第一、第二定律為基礎(chǔ)，運(yùn)用嚴(yán)密的邏輯推理，對(duì)宏觀現(xiàn)象和熱力過(guò)程的性質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行分析研究；2、必要時(shí)引入氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理理論解釋一些熱現(xiàn)象的本質(zhì)。二、傳熱學(xué)：也主要采用宏觀方法同樣是歸納無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，得到熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的基本定律。具體可利用解析法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值法進(jìn)行分析計(jì)算，各種方法相輔相成，互為補(bǔ)充。0－3課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法熱工基礎(chǔ)課包含工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分內(nèi)容。課程的特點(diǎn)是概念多、公式多、內(nèi)容抽象、邏輯嚴(yán)密，各部分內(nèi)容相互滲透交叉。熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、工質(zhì)熱力性質(zhì)和熱力過(guò)程是貫穿工程熱力學(xué)整個(gè)內(nèi)容的主線。而熱平衡方法的應(yīng)用（能量守恒）是貫穿傳熱學(xué)內(nèi)容的主線。

一、課程特點(diǎn)所以要注意學(xué)習(xí)將工程實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化抽象為物理模型的原則和方法，并給出正確的數(shù)學(xué)描述；學(xué)習(xí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的邏輯思維方式和巧妙的迂回手段，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)自己的動(dòng)手能力。二．學(xué)習(xí)方法建議1．重視對(duì)基本概念和基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。對(duì)基本概念和術(shù)語(yǔ)，要注意理解其物理本質(zhì);對(duì)公式要理解公式中每一項(xiàng)的物理意義,理解性地記憶,并注意公式的使用條件。2．針對(duì)邏輯性強(qiáng)、各部分內(nèi)容相互滲透交叉的特點(diǎn),

應(yīng)注意各部分內(nèi)容之間的相互聯(lián)系,按課堂講授內(nèi)容的順序進(jìn)行學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)。3．學(xué)習(xí)過(guò)程主動(dòng)思考，多提問(wèn)題，及時(shí)復(fù)習(xí)小結(jié)。4．獨(dú)立完成作業(yè)，在可能的情況下多看一些例題，并作適當(dāng)歸納。第一章基本概念和定義1-1、熱力系統(tǒng)（系統(tǒng)）1.定義系統(tǒng)：被人為分離出來(lái)，做為研究對(duì)象的物體的總稱。外界：系統(tǒng)以外的其它物質(zhì)。邊界：系統(tǒng)與外界的分界面。例：

邊界可以是固定或運(yùn)動(dòng)的,也可以是真實(shí)或虛擬的,因此系統(tǒng)也可以是固定或運(yùn)動(dòng)的。2.系統(tǒng)的分類閉口系、開(kāi)口系、絕熱系、孤立系等。閉口系:與外界無(wú)物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開(kāi)口系:

與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。絕熱系:與外界無(wú)熱量交換的系統(tǒng)。孤立系：與外界無(wú)功、熱、物質(zhì)交換的系統(tǒng)。另外，也可按系統(tǒng)內(nèi)部狀況的不同，將系統(tǒng)分為均勻系（各部分化學(xué)成分和物理性質(zhì)均勻一致）與非均勻系；單相系（單一物相）與復(fù)相系；單元系（純物質(zhì)，空氣可看作純物質(zhì)）與多元系等。

合理選擇系統(tǒng)是進(jìn)行正確的熱力學(xué)分析的前提。在不涉及化學(xué)反應(yīng)時(shí)，工程熱力學(xué)所討論的大多數(shù)熱力系統(tǒng)——簡(jiǎn)單可壓縮系：由可壓縮流體構(gòu)成、沒(méi)有電、磁、重力、運(yùn)動(dòng)和表面張力等外力場(chǎng)作用、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)、系統(tǒng)與外界交換的功只有容積變化功一種。

系統(tǒng)選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，以解決問(wèn)題方便為原則。系統(tǒng)選取方法對(duì)研究問(wèn)題的結(jié)果沒(méi)有影響，僅與解決問(wèn)題的繁復(fù)程度有關(guān)。

一、工質(zhì)的熱力狀態(tài)工質(zhì)是實(shí)現(xiàn)熱、功轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)，簡(jiǎn)稱工質(zhì)。熱能與機(jī)械功的相互轉(zhuǎn)換是通過(guò)工質(zhì)一系列的狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工程熱力學(xué)中所研究的系統(tǒng)大多為簡(jiǎn)單可壓縮系，與外界交換功的模式只有容積變化功，由于氣態(tài)物質(zhì)具有良好的流動(dòng)性和膨脹性，體積最容易發(fā)生變化，因此，熱力學(xué)中的工質(zhì)基本是氣體以及有相變的液體。如空氣、燃?xì)?、水蒸氣、水、制冷劑等?-2、工質(zhì)的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù)

熱力狀態(tài)：系統(tǒng)中的工質(zhì)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況。二、狀態(tài)參數(shù)可定量描述工質(zhì)狀態(tài)特性的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。如基本狀態(tài)參數(shù)p、、T、和導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)u、h、s等。狀態(tài)參數(shù)的性質(zhì)：是狀態(tài)的單值函數(shù)，只取決于工質(zhì)所處的狀態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。

若，，則

例：設(shè)x為任意狀態(tài)參數(shù)，則熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有6個(gè)：壓力p、溫度T、容積V（比容）、熱力學(xué)能U、焓H

和熵S。其中p和T為強(qiáng)度性參數(shù)，在熱力過(guò)程中起著推動(dòng)力的作用；

V、U、H、和S

為廣延性參數(shù)，反映過(guò)程進(jìn)行的尺度。三、基本狀態(tài)參數(shù)（p、、T）

通過(guò)儀表直接或間接測(cè)量得到的狀態(tài)參數(shù)稱為基本狀態(tài)參數(shù)，利用基本狀態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的狀態(tài)參數(shù)為導(dǎo)出狀態(tài)參數(shù)。

強(qiáng)度性參數(shù)稱為廣義力或勢(shì)，與系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的數(shù)量無(wú)關(guān)，沒(méi)有可加性；廣延性參數(shù)稱為廣義位移，具有可加性。單位質(zhì)量的廣延性參數(shù)稱為比參數(shù)，具有強(qiáng)度參數(shù)的性質(zhì)，沒(méi)有可加性，比參數(shù)可看作強(qiáng)度性參數(shù)。（1）絕對(duì)壓力p：

工質(zhì)的真實(shí)壓力，真空時(shí)p=0,只有絕對(duì)壓力為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。（2）表壓力pg：

絕對(duì)壓力高出當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值。pb——大氣壓力（不恒定）N/m2

可用絕對(duì)壓力、表壓力或真空度三種形式表示。1、壓力

表壓力測(cè)量?jī)x表常用單位

壓力表

MPa

U型管測(cè)壓計(jì)

Pa或mmH2O(Hg)（pg＝gh）（3）真空度pV：

絕對(duì)壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值。p、pg、pV關(guān)系圖：2、溫度

表示物體冷熱的程度。

溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法。常用:熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)。三種溫標(biāo)關(guān)系式：C

3、比容和密度（、）

m3/kg

kg/m3

平衡狀態(tài)

1、定義：系統(tǒng)中壓力、溫度處處相同、且不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài)。只有平衡狀態(tài)才能由一組具有確定數(shù)值的狀態(tài)參數(shù)定量描述該狀態(tài)。2.

保持平衡狀態(tài)不變的條件：系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與外界之間不存在任何不平衡勢(shì)差。系統(tǒng)內(nèi)外處于力的平衡和熱的平衡（溫度平衡）。1-3、平衡狀態(tài)、狀態(tài)公理及狀態(tài)方程

二、狀態(tài)公理

狀態(tài)公理:熱力系平衡狀態(tài)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的個(gè)數(shù)等于系統(tǒng)與外界交換能量的各種方式的總數(shù)。對(duì)由氣體組成的簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)只有兩個(gè)。三、狀態(tài)方程式習(xí)慣上以反映基本狀態(tài)參數(shù)p、、T之間關(guān)系的公式稱為狀態(tài)方程式。

常用的氣體狀態(tài)參數(shù)圖為：例

p－圖p－圖和T－

s圖狀態(tài)方程式的具體形式取決于工質(zhì)的性質(zhì)。

氣體狀態(tài)方程式：

或：p=f(T,v);T=f(p,v)

;v=f(p,T)

常用的氣態(tài)工質(zhì)可分為兩類：理想氣體和蒸氣（實(shí)際氣體）。理想氣體是指遠(yuǎn)離液態(tài)點(diǎn)，不易液化的氣體；而蒸氣則是指離液態(tài)點(diǎn)較近，比較容易液化的氣體。理想氣體和蒸氣之間沒(méi)有絕對(duì)的界限，而且兩者可以相互轉(zhuǎn)化。如蒸氣在高過(guò)熱狀態(tài)時(shí)可看作理想氣體；而通?？煽醋骼硐霘怏w的氫氣、氧氣、氮?dú)?、及惰性氣體等，在低溫和高壓狀態(tài)時(shí)就應(yīng)將它們看作蒸氣。不同的氣體具有不同的液態(tài)點(diǎn)。理想氣體的狀態(tài)方程式最簡(jiǎn)單。

一.準(zhǔn)平衡過(guò)程

1、定義

過(guò)程：工質(zhì)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的全部經(jīng)歷。準(zhǔn)平衡過(guò)程：由一系列的平衡狀態(tài)（實(shí)際上是無(wú)限接近平衡狀態(tài)）所構(gòu)成的過(guò)程。1-4、準(zhǔn)平衡（準(zhǔn)靜態(tài)）過(guò)程和可逆過(guò)程2、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過(guò)程的條件

⑴無(wú)勢(shì)差損失（破壞平衡狀態(tài)存在的壓力差、溫差無(wú)窮小）;⑵弛豫時(shí)間短（恢復(fù)平衡快。即系統(tǒng)內(nèi)外處于連續(xù)的動(dòng)平衡狀態(tài)）。舉例:

氣缸中貯有氣體，裝有細(xì)砂的砂箱放在活塞上，設(shè)氣缸壁為良導(dǎo)熱材料，氣缸內(nèi)外隨時(shí)保持溫度平衡。

二.可逆過(guò)程

1、定義：能逆向進(jìn)行，且系統(tǒng)與外界同時(shí)返回原態(tài)而不留下任何變化的過(guò)程（舉例）。

2、耗散效應(yīng)與勢(shì)差損失耗散效應(yīng)——通過(guò)摩擦、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?yīng)。勢(shì)差損失——由于壓差或溫差等勢(shì)差的存在而造成的損失（分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)）。3、可逆條件例氣體在氣缸中絕熱膨脹，推動(dòng)活塞向外移動(dòng)，到達(dá)頂點(diǎn)后反向運(yùn)動(dòng)壓縮氣體。分析：①該系統(tǒng)能自動(dòng)滿足弛豫時(shí)間短的條件；②設(shè)過(guò)程進(jìn)行時(shí)：

i）沒(méi)有摩擦（無(wú)耗散效應(yīng)）

ii）沒(méi)有壓差（無(wú)勢(shì)差損失）在此條件下，過(guò)程是可逆的。

可逆的條件為：

⑴系統(tǒng)內(nèi)外隨時(shí)處于力的平衡和熱的平衡（無(wú)勢(shì)差損失）；⑵弛豫時(shí)間短；⑶無(wú)耗散效應(yīng)。

結(jié)論：可逆過(guò)程＝?jīng)]有耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。4、實(shí)用意義許多實(shí)際過(guò)程可以近似的作為可逆過(guò)程處理,便于分析計(jì)算。三.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程及可逆過(guò)程的圖示思考題：1、4、5、6、72-1、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：是能量守恒及轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。兩種表述：

表述Ⅰ：熱量與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換時(shí),總量保持不變。表述Ⅱ：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。

。對(duì)于一個(gè)循環(huán)，則第二章熱力學(xué)第一定律

針對(duì)工程上形形色色的熱工設(shè)備和熱力過(guò)程，常常將它們抽象簡(jiǎn)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(xué)第一定律表達(dá)式（能量方程）也不同，但其本質(zhì)都是相同的。根據(jù)能量守恒原理，熱力學(xué)第一定律的一般表達(dá)式為：系統(tǒng)收入能量－系統(tǒng)支出能量＝系統(tǒng)總儲(chǔ)存能的增量?jī)?chǔ)存能包括內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能。2-2、系統(tǒng)的儲(chǔ)存能

內(nèi)部?jī)?chǔ)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(yùn)動(dòng)形式等有關(guān)，簡(jiǎn)稱內(nèi)能；外部?jī)?chǔ)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(dòng)能和重力位能，又稱轉(zhuǎn)移能。在簡(jiǎn)單可壓縮系中，不涉及化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)（無(wú)化學(xué)內(nèi)能和核內(nèi)能），所以可認(rèn)為工質(zhì)的內(nèi)能就是熱力學(xué)能，僅包括分子的內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能（物理內(nèi)能）。一、熱力學(xué)能（內(nèi)動(dòng)能+內(nèi)位能）

U＝U（T、）

J（kJ）比熱力學(xué)能：

J/kg

內(nèi)動(dòng)能包括分子的直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能以及分子內(nèi)部原子和電子的振動(dòng)能。由分子運(yùn)動(dòng)論，內(nèi)動(dòng)能與工質(zhì)的溫度有關(guān)，溫度越高，內(nèi)動(dòng)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)。因此簡(jiǎn)單可壓縮系的內(nèi)能（熱力學(xué)能）是溫度和比容的函數(shù)，即實(shí)驗(yàn)規(guī)律表明：當(dāng)工質(zhì)由狀態(tài)1

狀態(tài)2時(shí)，

結(jié)論：比熱力學(xué)能（簡(jiǎn)稱熱力學(xué)能）是狀態(tài)參數(shù)。u＝f（T，）

或

u＝f（p，）……對(duì)理想氣體：內(nèi)位能＝0，熱力學(xué)能＝內(nèi)動(dòng)能，即：u＝f（T），

比熱力學(xué)能總是由u1→

u2（只與狀態(tài)有關(guān)）。二、外部?jī)?chǔ)存能（運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)）宏觀動(dòng)能＋重力位能

動(dòng)能：

位能：

三、總能（總儲(chǔ)存能）對(duì)1kg工質(zhì)：

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(guò)程進(jìn)行時(shí)才有能量遷移，所以功量和熱量均為過(guò)程量。

一、功量1、定義：功是在力的推動(dòng)下，通過(guò)宏觀有序運(yùn)動(dòng)的方式傳遞的能量。常見(jiàn)形式：機(jī)械功、電磁功、化學(xué)功、表面張力功等。容積功——機(jī)械功的一種形式，包括膨脹功和壓縮功（熱力學(xué)重點(diǎn)研究）。2-3、功量與熱量2、可逆過(guò)程容積功及圖示W(wǎng)＝F·dx＝p·A·dx＝pdV

由1→2時(shí)，對(duì)1kg工質(zhì)：規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負(fù)。顯然

w1-a-2≠w1-b-2結(jié)論：

1）可逆過(guò)程的容積功可由

p－圖上過(guò)程線下的面積表示；

2）功是過(guò)程函數(shù)，不是狀態(tài)參數(shù)，微量記作

w或W。

二、熱量

1、定義：由于系統(tǒng)內(nèi)外存在溫差而通過(guò)系統(tǒng)邊界傳遞的能量。規(guī)定：系統(tǒng)工質(zhì)吸熱為正、放熱為負(fù)。結(jié)論：熱量是過(guò)程函數(shù)，微量記作q

或

Q。熱量在溫熵（T-s）圖中的表示1）功、熱類比：在可逆過(guò)程中：過(guò)程推動(dòng)力衡量能量交換的尺度功量pd

熱量T

ds熵符號(hào)：s由

2）s的定義式J/(kg·k)——可逆過(guò)程適用

式中

s——1kg工質(zhì)的熵，稱為比熵。

q——1kg工質(zhì)的吸（放）熱量。對(duì)mkg工質(zhì)：

T——工質(zhì)的絕對(duì)溫度。J/k

Tqdsd1*

注意：在不可逆過(guò)程中，

3）T－s圖q＝T·ds（微元面積）（過(guò)程線下面積）

可逆過(guò)程結(jié)論：對(duì)可逆過(guò)程，熱量可由T-s圖中過(guò)程線下的面積表示。對(duì)mkg工質(zhì)：

顯然過(guò)程中：ds>0→q>0，吸熱

ds<0→q<0，放熱

ds＝0→q＝0，絕熱

結(jié)論：對(duì)可逆過(guò)程，熵變是判斷系統(tǒng)工質(zhì)與外界有無(wú)熱量交換及熱流方向的判據(jù)。注意：熱量與熱能不同。熱量是指在熱力過(guò)程中傳遞的一種能量，而熱能則是指物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的能量，熱能可儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)部，即所謂的熱力學(xué)能。熱量是過(guò)程量，而熱能是狀態(tài)量。

3、通過(guò)比熱容計(jì)算熱量

可逆過(guò)程

式中c——比熱容，J/(單位物理量·K)

以質(zhì)量作為物量單位時(shí)：，

c

——質(zhì)量比熱容，J/(kg·K)熱力學(xué)第一定律是人類從長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(guò)程。對(duì)于不同的具體問(wèn)題，可以表達(dá)為不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2-4、熱力學(xué)第一定律及其解析式一、閉口系能量方程

對(duì)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(duì)外做的功＝系統(tǒng)總儲(chǔ)能增量即

或因此，對(duì)靜止的閉口系：上述各量均為代數(shù)量.

在工程上，比較常見(jiàn)的情況是閉口系工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中，系統(tǒng)宏觀動(dòng)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(chǔ)能的變化就是熱力學(xué)能的變化。對(duì)1kg工質(zhì)：

靜止閉口系能量方程式對(duì)微元過(guò)程：或適用于任何工質(zhì)、任何過(guò)程對(duì)可逆過(guò)程：由，

→

，

靜止閉口系能量方程式為：∴

如前所述，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(jiǎn)稱為閉口系能量方程，反而對(duì)運(yùn)動(dòng)的閉口系要特別說(shuō)明。由閉口系能量方程，可以看到，包括工質(zhì)內(nèi)熱能（熱力學(xué)能）和外熱能（從外界獲得的熱量）的熱能與機(jī)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(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的基本原理和關(guān)系，因而稱之為熱力學(xué)第一定律基本表達(dá)式。

例：空氣向真空絕熱膨脹，求t2。解：選整個(gè)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?計(jì)算時(shí)應(yīng)注意公式的使用條件和單位,以及功量、熱量的正負(fù)號(hào)。1）穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)條件：氣輪機(jī)①

②

或const

③

const

Ws＝const二、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)能量方程工程上許多熱力裝置在工作過(guò)程中常伴隨著工質(zhì)的流進(jìn)流出，如：氣輪機(jī)、壓氣機(jī)、鍋爐、換熱器及空調(diào)機(jī)等，當(dāng)設(shè)備處于正常穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，這些熱力系統(tǒng)都可視為穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)（穩(wěn)流系）。

2）軸功、流動(dòng)功軸功：通過(guò)機(jī)軸對(duì)外界輸出的機(jī)械功，記作Ws。流動(dòng)功：

對(duì)mkg工質(zhì)：對(duì)1kg工質(zhì)：

（注意此處dV與W中不同）在進(jìn)口處，為使工質(zhì)流入系統(tǒng)，外界必須對(duì)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(dòng)（進(jìn)）功。同理，出口處系統(tǒng)對(duì)1kg工質(zhì)所作的推動(dòng)功為：進(jìn)出口處推動(dòng)功的代數(shù)和稱為流動(dòng)功，記作Wf。流動(dòng)功是維持工質(zhì)流動(dòng)所必需的，通常是由泵或風(fēng)機(jī)等加給被輸送工質(zhì)的，是隨工質(zhì)的流動(dòng)而向前方移動(dòng)的機(jī)械能，它不是工質(zhì)本身具有的儲(chǔ)存能，只有在工質(zhì)流動(dòng)時(shí)才出現(xiàn)。

所以，流動(dòng)功可表示為：

3、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)能量方程（熱I解析式）設(shè)

根據(jù)能量守恒原理：

進(jìn)入系統(tǒng)的能量－流出系統(tǒng)的能量即＝系統(tǒng)總儲(chǔ)能的增量(適用于一般開(kāi)口系)對(duì)穩(wěn)流系：令H＝U＋pV，稱為焓。對(duì)1kg工質(zhì)，

，稱比焓。則

或穩(wěn)流能量方程式（普遍適用）對(duì)微元過(guò)程：或

各式使用條件：穩(wěn)定流動(dòng)、任何過(guò)程、任何工質(zhì)。

式中:技術(shù)功wt—技術(shù)上可利用的功(宏觀機(jī)械能)當(dāng)，引入技術(shù)功后，穩(wěn)流能量方程可表達(dá)為時(shí)：在穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)能量方程中，工質(zhì)宏觀動(dòng)能、宏觀位能的變化及軸功都是機(jī)械能，在技術(shù)上都可被用于對(duì)外界作功，因此稱之為技術(shù)功Wt（wt）

。

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(jià)的。都描述的是一定量的工質(zhì)在熱力過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中同樣是一個(gè)膨脹過(guò)程。雖然開(kāi)口系的邊界為剛性邊界，過(guò)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。三、各種功量的關(guān)系

由或?qū)赡孢^(guò)程：對(duì)mkg工質(zhì)：

可逆過(guò)程中技術(shù)功圖示：2）可逆過(guò)程穩(wěn)流能量方程式或使用條件：穩(wěn)流、可逆。因此，在穩(wěn)流系中，隱含的膨脹功等于流動(dòng)功和技術(shù)功之和。即一部分膨脹功用于提供工質(zhì)流動(dòng)所需的流動(dòng)功，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和宏觀位能，其余部分才對(duì)外輸出軸功。所以膨脹功是簡(jiǎn)單可壓縮系熱變功的源泉，穩(wěn)流系中所有機(jī)械能的總和等于膨脹功。即四、焓1.定義式J

比焓：J/kg，

簡(jiǎn)稱焓。

h也是狀態(tài)參數(shù)。h可表示為任意兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。

如：h＝f（p.T）……對(duì)于理想氣體：2.焓的物理意義1）不論對(duì)非流動(dòng)工質(zhì)還是流動(dòng)工質(zhì)，焓都是狀態(tài)參數(shù)；2）對(duì)流動(dòng)工質(zhì)，h是隨工質(zhì)流動(dòng)時(shí)攜帶的取決于熱力狀態(tài)的那部分能量（或基本能量）。在開(kāi)口系中，隨工質(zhì)流動(dòng)而攜帶的總能量包括工質(zhì)的總儲(chǔ)能e和推動(dòng)功p。在有些流動(dòng)情況下，工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和重力位能為零或忽略不計(jì)，但熱力學(xué)能和推動(dòng)功是必定存在的，所以說(shuō)焓是流動(dòng)工質(zhì)攜帶的基本能量。而宏觀動(dòng)能和重力位能是外部?jī)?chǔ)存能，與工質(zhì)的狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此也可將h看作流動(dòng)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。

1、簡(jiǎn)化工程實(shí)際問(wèn)題的幾點(diǎn)原則

2-5、穩(wěn)流能量方程式應(yīng)用舉例

1）對(duì)葉輪式機(jī)械、噴管、節(jié)流閥等通常作絕熱處理。①葉輪式機(jī)械的外表面通常絕熱較好；②熱交換面積較小、或工質(zhì)迅速流過(guò)系統(tǒng)；③系統(tǒng)與外界的溫差很小等。2）除如噴管、擴(kuò)壓管等設(shè)備外，一般設(shè)備的進(jìn)出口動(dòng)、位能差都可以忽略不計(jì)。3）如果閉口系中工質(zhì)的容積沒(méi)有變化，則容積功為零；如果開(kāi)口系中沒(méi)有葉片、