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工程热力学课件 华北电力大学（北京） 动力工程系 工程热物理教研室制作 2005年5月 第二章热力学第一定律 The first law of thermodynamics §2-1 热力学第一定律的本质 ? 1909年，C. Caratheodory最后完善热一律 闭口系循环的热一律表达式 资料：要科学，不要永动机 焦耳在探索科学真理的道路上，也走过弯路。他年轻的时候，正是永动机热席卷欧洲的时代，许多人钻进了永动机的迷宫，妄想制造出一种不消耗能量永远做功的机器。焦耳也是个“永动机迷”，曾经狂热地追求过永动机，几乎消磨了他全部的业余时间。他通宵达旦地冥思苦索、设计方案、制作机件，但是没有一个是成功的。失败引起了焦耳的深思，为什么乍一看设计上几乎无懈可击的机器，做出来却总是一堆废物？焦耳没有象有些人那样，明明进入了迷宫，还以为走进了科学的殿堂，碰了壁也不回头。他吸取教训，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宫，转向脚踏实地的科学研究，探求隐藏在失败背后的科学真谛。经过勤奋实践，他终于找到了热功当量，为建立能量守恒定律作出了杰出的贡献。这个定律好比一块路标，插在寻找永动机的十字路口，警告迷途人：此路不通！据说焦耳还现身说法，语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说：“不要永动机，要科学！” 趣闻轶事：精确的测量值在几十年里不作大修正 从1849到1878年，焦耳反复作了四百多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡，这和现在公认值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正，这在物理学史上也是空前的。 坚持不懈终将获得公认(1 ) 1843年8月，在考尔克的一次学术报告会上，焦耳作了题为《论磁电的热效应和热的机械值》的报告。他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系，并测得热功当量值为1千卡热量相当于460千克米的机械功。这一结论遭到当时许多物理学家的反对。 坚持不懈终将获得公认(2) 1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上，焦耳又一次作了热功当量的研究报告，宣布热是一种能量形式，各种形式的能量可以互相转化。但是焦耳的观点遭到与会者的否定，英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演，充分地阐述了能量守恒原理，但是地方报纸不理睬，在进行了长时间的交涉之后，才有一家报纸勉强发表了这次讲演。同年6月，在英国科学协会的牛津会议上，焦耳再一次提出热功当量的研究报告，宣传自己的新思想。会议主席只准许他作简要的介绍。只是由于威廉·汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言，他的新思想才引起与会者的重视。直到1850年，焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认。 §2-2 热力学能（内能）和总能 内能的导出 内能及闭口系热一律表达式 内能U 的物理意义 内能的性质 系统总能 热一律的文字表达式 §2–3?热力学第一定律基本表达式 闭口系能量方程中的功 闭口系能量方程的通式 准静态和可逆闭口系能量方程 § 2-4 开口系统能量方程 推动功的引入 推进功（flow?work）的表达式 流动功：系统维持流动所花费的代价。 对推进功的说明 开口系能量方程的推导 开口系能量方程微分式 开口系能量方程微分式 焓(enthalpy)的引入 焓（Enthalpy) 的说明 §2-5 稳定流动能量方程 稳定流动能量方程的推导 稳定流动能量方程的推导 稳定流动能量方程 单位质量工质的开口与闭口 稳流开口与闭口的能量方程 几种功的关系 准静态下的技术功 技术功在示功图上的表示 机械能守恒 § 2-6 稳定流动能量方程应用举例 例1：透平(Turbine)机械 透平(Turbine)机械 例2：压缩机械 压缩机械 例3：换热设备 换热设备 例4：绝热节流 绝热节流 例5：喷管和扩压管 喷管和扩压管 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 第二章 小结 例题：充气问题 解：取A为CV.—— 容器刚性绝热 忽略动能差及位能差，则 若容器A为刚性绝热 初态为真空，打开阀门 充气，使压力p2=4MPa 时截止。若空气u=0.72T 求容器A内达平衡后温度 T2及充入气体量m。 非稳定开口系 由 或 流入：hinδmin 流出： 0 内增：u δm 讨论： 是否不计及cfin？ 否，即使cfin达当地音速（T=303K时，c=349m/s），也仅能使空气升温85℃， 1）非稳态流动问题可用一般能量方程式也可用基本原则。在一些条件下，后者常更方便。