第2章　热力学第一定律

2.1　考点归纳

一、热力学第一定律

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。

二、热力学能和总能

1．热力学能U

热力学能是指内动能、内位能及维持一定分子结构的化学能和原子核内部的原子能等一起构成内部储存能。

2．外储存能

（1）宏观动能

质量为m的物体相对于系统外的参考坐标以速度c运动时，该物体具有的宏观运动的动能为

（2）重力位能

在重力场中质量为m的物体相对于系统外的参考坐标系的高度为z时，具有的重力位能为

3．系统总储存能

系统的总能E为内储存能与外储存能之和。即

三、能量的传递和转化

1．能量的传递方式

（1）做功

特征：做功来传递热量总是和物体的宏观位移有关。

（2）传热

2．能量的转化过程

（1）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）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。

3．推动功和流动功

（1）推动功

①定义

推动功是指工质在开口系统中流动而传递的功。

②特征

推动功只有在工质移动位置时才起作用。

（2）流动功

①定义

流动功是指系统为维持工质流动所需的功。

②大小：等于推动功差。

4．焓

（1）定义

焓是指将流动工质传递的总能量中，取决于工质热力状态的那部分能量的和。

（2）表达式

四、闭口系统能量方程

1．闭口系统能量方程

或

2．热力学第一定律在循环过程中的应用

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。即

五、开口系统能量方程

1．开口系能量方程

（1）开口系统示意图

图2-1  开口系统能量平衡

（2）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

（3）开口系能量方程的一般表达式

2．稳定流动能量方程

（1）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1kg工质时的稳定流动能量方程

②流入质量为m工质时的稳定流动能量方程

（3）技术功

六、稳态稳流能量方程的应用

1．动力机

（1）定义

动力机是指利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。

（2）示意图

图2-2  动力机能量平衡

（2）1kg工质对机器所作的功为

2．压气机

（1）定义：压气机是指消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备。

（2）示意图

图2-3  压力机能量平衡

（3）1kg工质需作功为

3．热交换器

（1）示意图

图2-4  热交换器能量平衡

（2）工质的吸热量

工质流经锅炉、回热器等热交换器时，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，工质的吸热量为

4．喷管

（1）喷管示意图

图2-5  喷管

（2）lkg工质动能的增加量

如图2-4所示，工质流经喷管时与外界没有功量交换，进出口位能差很小，可以忽略，又因为工质流过喷管时速度很高与外界的热交换也可不考虑。即

5．流体的混合

（1）流体混合示意图

图2-6  绝热混合

（2）控制体的能量方程

如图2-5所示，取混合室为控制体，混合为稳态稳流工况，在绝热条件下进行，且忽略流体动能、位能变化，设混合后单位质量流体焓为h₃，则控制体的能量方程为

6．绝热节流

（1）示意图

图2-7  绝热节流

（2）节流：如图2-6所示，流体在管道内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象称为节流。

（3）控制体能量方程

取流体节流前、后稳定段1—1、2—2为界面构成控制体，若忽略流体进、出口界面的动能、位能变化，则控制体能量方程可简化为

h₁＝h₂