第三章 热力学第一定律
本章要求：掌握储存能、热力学能、焓的物理意义，掌握膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别，熟练选取热力系统，应用热力学第一定律解决具体问题。
1.基本概念
热力学第一定律:能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总量保持恒定，这一自然界普遍规律称为能量守恒与转换定律。把这一定律应用于伴有热现象的能量和转移过程，即为热力学第一定律。 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，称为第一类永动机。 热力学能：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。
外储存能：也是系统储存能的一部分，取决于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）。这两种能量统称为外储存能。 轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功称为轴功。
流动功（或推动功）：当工质在流进和流出控制体界面时，后面的流体推开前面的流体而前进，这样后面的流体对前面的流体必须作推动功。因此，流动功是为维持流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。
焓：流动工质向流动前方传递的总能量中取决于热力状态的那部分能量。对于流动工质，焓=内能+流动功，即焓具有能量意义；对于不流动工质，焓只是一个复合状态参数。
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。 技术功：在热力过程中可被直接利用来作功的能量，称为技术功。 动力机：动力机是利用工质在机器中膨胀获得机械功的设备。 压气机：消耗轴功使气体压缩以升高其压力的设备称为压气机。
节流：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。
2.常用公式
外储存能：
1．
宏观动能：
Ek?2．
12mc 2重力位能：
Ep?mgz
式中
系统总储存能：
12
g—重力加速度。
1．E?U?Ek?Ep
12mc?mgz 212．e?u?c2?gz
2或E?U?3．E?U 或
e?u（没有宏观运动，并且高度为零）
热力学能变化：
1．du?cvdT，?u??cvdT
12适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 2．?u?cv(T2?T1)
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算） 3．?u??cvdt??cvdt??cvdt?cvmt100t2t2t1t20?t2?cvmt10?t1
适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算） 4．把
cv?f?T?的经验公式代入?u??cvdT积分。
12适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算） 5．U?U1?U2?......?Un??U??mu
iiii?1i?1nn由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。
6．?u?q??pdv
12 适用于任何工质，可逆过程。
7．?u?q
适用于任何工质，可逆定容过程
21 8．?u??pdv
适用于任何工质，可逆绝热过程。
9．?U?0
适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。
10．?U?Q?W
适用于mkg质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程。
13
11.?u?q?w
适用于1kg质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程 12.du??q?pdv
适用于微元，任何工质可逆过程 13.?q?pdv?cvdT
适用于微元，理想气体可逆过程 14．?u??h??pv
热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值。 焓的变化：
1．H?U?pV 适用于m千克工质 2．h?u?pv
适用于1千克工质
3．h?u?RT?f?T? 适用于理想气体
4．dh?cpdT，?h??cpdT
12适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程 5．?h?cp(T2?T1)
适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，用定值比热计算 6．?h??cpdt??cpdt??cpdt?cpmt100t2t2t1t20?t2?cpmt10?t1
适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程用平均比热计算
7．把
cp?f?T?的经验公式代入?h??cpdT积分。
12 适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程，用真实比热公式计算 8．H?H1?H2???Hn??Hi??mihi
i?1i?1nn 由理想气体组成的混合气体的焓等于各组成气体焓之和，各组成气体焓又可表示为单位质量焓与其质量的乘积。
9．热力学第一定律能量方程
2?Q??h2?C2?gz2??m2??h1?C12?gz1??m1??WS?dECV
??12????12??
适用于任何工质，任何热力过程。
14
10．dh??q?12dc?gdz??ws 2 适用于任何工质，稳态稳流热力过程
11．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。 12．?h?q??vdp
12 适用于任何工质可逆、稳态稳流过程，忽略工质动能和位能的变化。 13．?h???vdp
12 适用于任何工质可逆、稳态稳流绝热过程，忽略工质动能和位能的变化。 14．?h?q
适用于任何工质可逆、稳态稳流定压过程，忽略工质动能和位能的变化。 15．?h?0
适用于任何工质等焓或理想气体等温过程。
16.?q??vdp?cpdT
适用于微元，理想气体可逆过程
熵的变化：
1．?s??2?qT
1 适用于任何气体，可逆过程。 2．?s??sf??sg
?sf为熵流，其值可正、可负或为零；?sg为熵产，其值恒大于或等于零。 3．?s?cvlnT2（理想气体、可逆定容过程） T1T2（理想气体、可逆定压过程） T1
4．?s?cpln
5．?s?Rlnv2p?Rln1（理想气体、可逆定温过程） v1p2 6．?s?0（定熵过程）
15
?s?cvln
?cplnT2v?Rln2T1v1
T2p?Rln2T1p1v2p?cvln2v1p1?cpln 适用于理想气体、任何过程 功量：
膨胀功（容积功）： 1．?w?pdv
或w??pdv
12适用于任何工质、可逆过程 2．w?0
适用于任何工质、可逆定容过程 3．w?p?v2?v1?
适用于任何工质、可逆定压过程 4．w?RTlnv2 v1 适用于理想气体、可逆定温过程 5．w?q??u
适用于任何系统，任何工质，任何过程。 6．w?q
适用于理想气体定温过程。 7．w???u
适用于任何气体绝热过程。 8．w???CvdT
12 适用于理想气体、绝热过程 9．
w???u1?p1v1?p2v2?k?11?R?T1?T2? k?1k?1??RT1??p2?k???1?????k?1p1????????
16