熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用

1、第第6章章 熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律能量守恒定律能量守恒定律能量具有各種不同的形式 機(jī)械能、熱能、電能、機(jī)械能、熱能、電能、 化學(xué)能、核能等化學(xué)能、核能等各種不同形式的能量間可相互轉(zhuǎn)化熱能機(jī)械能重點(diǎn)內(nèi)容：重點(diǎn)內(nèi)容：敞開系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律敞開系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律 穩(wěn)定流動(dòng)與可逆過程穩(wěn)定流動(dòng)與可逆過程 可逆軸功與實(shí)際軸功的計(jì)算可逆軸功與實(shí)際軸功的計(jì)算 氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析 節(jié)流與等熵膨脹過程中的溫度效應(yīng)節(jié)流與等熵膨脹過程中的溫度效應(yīng) 噴管與噴射器的熱力學(xué)基礎(chǔ)噴管與噴射器的熱力學(xué)基礎(chǔ) 6.1 敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第

2、一定律敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律6.1.1 封閉系統(tǒng)的能量平衡封閉系統(tǒng)的能量平衡wquduqw通常規(guī)定：通常規(guī)定：系統(tǒng)吸熱，q為正值；系統(tǒng)放熱，q為負(fù)值系統(tǒng)對(duì)外作功，w為正值；外界對(duì)系統(tǒng)作功，w為負(fù)值6.1.2 敞開系統(tǒng)的能量平衡敞開系統(tǒng)的能量平衡w zjqziui, miuj, mj沒有化學(xué)反應(yīng)沒有化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量平衡質(zhì)量平衡ddijmmmt系統(tǒng)累積質(zhì)量系統(tǒng)累積質(zhì)量能量守恒定律能量守恒定律衡算方程衡算方程進(jìn)入系統(tǒng)能量進(jìn)入系統(tǒng)能量-離開離開系統(tǒng)系統(tǒng)能量能量=系統(tǒng)系統(tǒng)累積能量累積能量ddddi ijjqwemem ettt實(shí)際大多數(shù)設(shè)備都有物質(zhì)不斷進(jìn)入和流出，為敞實(shí)際大多數(shù)設(shè)備都有物質(zhì)不斷進(jìn)入和流出，

3、為敞開系統(tǒng)。開系統(tǒng)。ddddmett212eugzu e: 單位質(zhì)量流體中的能量單位質(zhì)量流體中的能量 w: 包括流動(dòng)功和軸功包括流動(dòng)功和軸功sfwwwdfjjjiiiwm p vm pvt22s11d22dddiiiijjjjqwem hgzumhgzuttt對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)過程：對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)過程：spkheeqwjjiihm hm hpjjiiem gzm gz221122kjjiiem um gudqqtssdwwt定義：定義：d0detsddkpeheeqwt則：則：因?yàn)轶w積不變，所因?yàn)轶w積不變，所以膨脹功為零以膨脹功為零6.2 穩(wěn)定流動(dòng)過程與可逆過程穩(wěn)定流動(dòng)過程與可逆過程6.2.1穩(wěn)定流動(dòng)過程

4、穩(wěn)定流動(dòng)過程機(jī)械能平衡方程特征：與環(huán)境無熱，無軸功交換，不可壓縮流體，非黏性理想流體穩(wěn)定流動(dòng)s0;0;0;()pqwuhupv 2102pg zu bernoullis方程方程21/02fpug z 考慮摩擦?xí)r，考慮摩擦?xí)r，絕熱穩(wěn)定流動(dòng)過程特征： 與環(huán)境間無熱，軸功交換可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)過程s0,0,0qwg z0212uh應(yīng)用實(shí)例： 噴管(噴嘴)、擴(kuò)壓管對(duì)節(jié)流過程： 流體流速無明顯變化0h節(jié)流過程為過程單位質(zhì)量流體：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體：與環(huán)境間有大量熱，功交換的過程特征： 系統(tǒng)的動(dòng)能、位能變化與功，熱量相比很小0, 02zgushqw對(duì)蒸發(fā)，冷卻等換熱過程，不存在軸功對(duì)蒸發(fā)，冷卻等換熱過程，不存在

5、軸功,則有則有 qh 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例：氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收、解吸等。氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收、解吸等。例6.1某廠用功率為2.4 的泵將90水從貯水罐壓到換熱器，水流量為3.2 。在換熱器中以720 的速率將水冷卻，冷卻后水送入比第一貯水罐高20m的第二貯水罐，如圖所示。求送入第二貯水罐的水溫，設(shè)水的比恒壓熱容 。kw1kg s1kj s114.184kj kgcpc解：以1kg水為計(jì)算基準(zhǔn)，由題意，忽略動(dòng)能的影響0ke-1-19.81 (200)196.2(j kg )=0.1962kj kgpeg z 21212()4.184 ()4.184376.6phc ttttt-

6、1720=-225(kj kg )3.2q-1s2.4=0.750(kj kg )3.2w24.184376.62250.750.1962t 由此可推出236.4t 6.2.2 可逆過程可逆過程耗散效應(yīng)： 可用功由于摩擦阻力等造成功轉(zhuǎn)變可用功由于摩擦阻力等造成功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬默F(xiàn)象為熱的現(xiàn)象汽缸汽缸活塞活塞飛輪可逆過程： 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正、反兩個(gè)方向后，系統(tǒng)與外界環(huán)境均能完全回復(fù)到其初始狀態(tài)，這樣的過程稱為可逆過程 6.3 軸功的計(jì)算軸功的計(jì)算6.3.1 可逆軸功可逆軸功無任何摩擦損失的軸功21dpphqv p21s(r)dpkppwv pee 21s(r)dppwv p產(chǎn)功過程，可逆軸功為最大功；耗功

7、過程，可逆軸功為最小功。產(chǎn)功設(shè)備耗功設(shè)備sms(r)wws(r)msww6.3.2 氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體的壓縮過程低壓低壓高壓高壓壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)膨脹機(jī)、節(jié)流膨脹機(jī)、節(jié)流理想氣體等溫壓縮過程理想氣體等溫壓縮過程特點(diǎn)：特點(diǎn)：s0,hwq pvrt21s(r)211dlnpprtwqppprtp理想氣體的絕熱壓縮過程理想氣體的絕熱壓縮過程特征：s0,kqwh pvrt 574,/323pvckkc2112s(r)11d11kkppkpwv prtkp理想氣體非等溫非絕熱壓縮過程特征：特征：s,mhqw pvrtkm 112s(r)1111mmmp

8、wrtmp真實(shí)氣體單級(jí)壓縮可逆軸功的計(jì)算真實(shí)氣體單級(jí)壓縮可逆軸功的計(jì)算壓縮因子系數(shù)z與上述三種壓縮過程結(jié)果相乘即可與上述三種壓縮過程結(jié)果相乘即可例題6.3 將298k、0.09807mpa(絕)的水用泵送到壓力為0.588mpa (絕)的鍋爐中，問輸送1000kg水要消耗多少可逆軸功？若給水泵的效率為0.85，間實(shí)際耗功為多少?解： 查附錄3水蒸汽表298k、0.09807mpa(絕)水的比容為33-11.003 10mkg由此可求出可逆軸功為21s(r)213-153-1-1d() 1 1.003 (0.588 0.09807)0.4914(m mpa t )4.914 10 m pa t0

9、.1365kwh tppwmv pmv pp 實(shí)際功耗s(r)-1sm0.1365=0.1606(kwh t )0.85ww6.3.3 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹節(jié)流：節(jié)流：指流體在管道中流過閥門、孔板等設(shè)備時(shí)，壓力降低(p1p2)的現(xiàn)象。 絕熱節(jié)流節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量交換 1221,sshhjoulethomson效應(yīng)效應(yīng)jpphvtvttpc理想氣體節(jié)流前后溫度不變實(shí)際氣體節(jié)流前后溫度有三種變化可能6.3.4 等熵膨脹等熵膨脹高壓氣體在膨脹機(jī)中作絕熱膨脹，同時(shí)對(duì)外作功，若過程可逆，則為等熵膨脹等熵效應(yīng)：等熵效應(yīng)：等熵時(shí)壓力變化引起的溫度變化pspsvtttpc0;0;0ppvctt0s任何氣

10、體，任何條件下進(jìn)行等熵膨脹，溫度總是下降！任何氣體，任何條件下進(jìn)行等熵膨脹，溫度總是下降！6.3.5 膨脹過程中的溫度效應(yīng)膨脹過程中的溫度效應(yīng)為了獲得較大的溫度降，常采用較大的壓力降節(jié)流效應(yīng)節(jié)流效應(yīng)2121jdphptttpht根據(jù)節(jié)流前狀態(tài)找出根據(jù)節(jié)流前狀態(tài)找出點(diǎn)點(diǎn)1 1，沿等焓線到達(dá)，沿等焓線到達(dá)節(jié)流后狀態(tài)點(diǎn)節(jié)流后狀態(tài)點(diǎn)2 2，對(duì)，對(duì)應(yīng)的溫度即為節(jié)流后應(yīng)的溫度即為節(jié)流后溫度溫度t2等溫節(jié)流效應(yīng)：等溫節(jié)流效應(yīng)：節(jié)流后的氣體等壓從其它系統(tǒng)吸收熱量，本身回到節(jié)流后的氣體等壓從其它系統(tǒng)吸收熱量，本身回到節(jié)流前的溫度，吸收的熱量為節(jié)流膨脹的制冷量節(jié)流前的溫度，吸收的熱量為節(jié)流膨脹的制冷量0h0201

11、qhhhh積分等熵效應(yīng)：積分等熵效應(yīng)：氣體作等熵膨脹時(shí)，壓力降較大引起的溫度變化氣體作等熵膨脹時(shí)，壓力降較大引起的溫度變化21s21sdpptttp同樣可以通過溫熵圖直接從圖上查出同樣可以通過溫熵圖直接從圖上查出0s0201120hs(r)qhhhhhhqw等熵膨脹制冷量：等熵膨脹制冷量：節(jié)流膨脹制冷量節(jié)流膨脹制冷量膨脹功膨脹功等熵效率：等熵效率：s12ss(r)12whhwhh6.4 噴管的熱力學(xué)基礎(chǔ)噴管的熱力學(xué)基礎(chǔ)6.4.1 噴管流動(dòng)的基本特征噴管流動(dòng)的基本特征噴管噴管： 利用氣體壓降使氣流加速的管道利用氣體壓降使氣流加速的管道特征特征：忽略熱量交換，穩(wěn)定流動(dòng)，等熵過程，無軸功交換忽略熱量

12、交換，穩(wěn)定流動(dòng)，等熵過程，無軸功交換22122112hhuu對(duì)等熵流動(dòng)對(duì)等熵流動(dòng)uduvdp 壓力降低，氣體流速增加壓力降低，氣體流速增加等熵流動(dòng)中流速與比體積的變化關(guān)系為：等熵流動(dòng)中流速與比體積的變化關(guān)系為：222ddd1svuvuvvum馬赫數(shù)馬赫數(shù)(mach number)muvdvudum16.4.2 氣體的流速與臨界速度氣體的流速與臨界速度從氣體流速看：從氣體流速看：0020uuu2022hhu適用于所有可逆和不可逆過程適用于所有可逆和不可逆過程理想氣體，若恒壓摩爾熱容一定理想氣體，若恒壓摩爾熱容一定202022()2()1pkucttr ttk氣體穩(wěn)定等熵流動(dòng)氣體穩(wěn)定等熵流動(dòng)(1)

13、/220 00211kkkpup vkp流速取決于出口截面的壓力比流速取決于出口截面的壓力比臨界流速：臨界流速：氣流速度等于聲速，氣流從亞聲速向超聲速過渡氣流速度等于聲速，氣流從亞聲速向超聲速過渡臨界壓力比c0pp(1) /c00cc0211kkkpp vkp vkp理想氣等熵流理想氣等熵流動(dòng)體的臨界壓動(dòng)體的臨界壓力比：力比：(1)/c cc0 00211kkp vpp vkp 由理想氣體等熵過程狀態(tài)方程0 0c ckkp vp v(1)/(1)/cc00211kkkkpppkp /(1)c021kkppk pc /p0單原子氣體單原子氣體1.670.487雙原子氣體雙原子氣體1.400.52

14、8多原子氣體多原子氣體1.300.546例6.4 有一儲(chǔ)氣罐，其中空氣的壓力為016mpa，溫度為17?，F(xiàn)利用罐中空氣經(jīng)噴管噴山而產(chǎn)生高速空氣流，若環(huán)境的大氣壓力為0.1mpa，試確定噴管的形式、出口處空氣的流速及溫度。通用氣體常數(shù)-1-1=287.1 j kgkr解：設(shè)出口空氣壓力等于大氣壓，對(duì)雙原子氣體c0/0.528pp62600.1 100.6250.5280.16 10pp可知出口截面壓力大于臨界壓力，采用漸縮形噴管(1)/0.4/1.4-122001.4212287.1 29010.625271 m s10.4kkkpurtkp(1)/0.4/1.422002900.625253.

15、6(k)kkpttp噴管出口溫度6.5 噴射器噴射器一種流體的壓力能在噴管中變成速度能，高速噴出的流體抽吸第二種流體；兩種流體混合物以一定進(jìn)入擴(kuò)壓管，速度能又變成壓力能，為有效真空發(fā)生裝置。高壓噴管略有收縮第二種流體進(jìn)口混合段擴(kuò)壓管用能分析：用能分析：膨脹過程中機(jī)械能損失1212(1)(-) shh混合過程在機(jī)械能的損失2312(1)(-) shh總的機(jī)械能損失膨脹和混合過程能量損失之和 122312(2)(-) shh截面3處膨脹后混合流體中驅(qū)動(dòng)流體的焓值為32122312(2)(-) sshhhh通過擴(kuò)壓管混合流體的質(zhì)量流速為ggg取壓縮效率為3422433434*43432shhuuhhg hh 不考慮流出流體的動(dòng)能，擴(kuò)壓管中混合流體的焓值的不考慮流出流體的動(dòng)能，擴(kuò)壓管中混合流體的焓值的增加等于驅(qū)動(dòng)流體在噴管和混合段內(nèi)焓的損失，故增加等于驅(qū)動(dòng)流體在噴管和混合段內(nèi)焓的損失，故*4313gghhghh13*43gghhghh可得高壓流體與可壓縮低壓流體的量不考慮進(jìn)出口的動(dòng)能，噴射器的能量衡算：不考慮進(jìn)出口的動(dòng)能，噴射器的能量衡算：*11