熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用ppt課件

1、第第6章章 熱力學(xué)第一定律及其工程運(yùn)用熱力學(xué)第一定律及其工程運(yùn)用內(nèi)容概要內(nèi)容概要熱力學(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既不能被發(fā)明，也不能被消滅，只能在一定能量既不能被發(fā)明，也不能被消滅，只能在一定條件下從一種方式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N方式。轉(zhuǎn)條件下從一種方式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N方式。轉(zhuǎn)換中，能量的總量堅(jiān)持不變。換中，能量的總量堅(jiān)持不變。不耗費(fèi)任何能量而不斷作功的第一類永動(dòng)機(jī)是造不耗費(fèi)任何能量而不斷作功的第一類永動(dòng)機(jī)是造不成的。不成的。熱機(jī)的熱效率不能夠大于熱機(jī)的熱效率不能夠大于100%能量具有各種不同的方式 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

2、種不同方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)踐軸功的計(jì)算可逆軸功與實(shí)踐軸功的計(jì)算 氣體緊縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體緊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) 噴管與放射器的熱力學(xué)根底噴管與放射器的熱力學(xué)根底 6.1 敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律6.1.1 封鎖系統(tǒng)的能量平衡封鎖系統(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

3、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)反響沒有化學(xué)反響質(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-分開系統(tǒng)能量分開系統(tǒng)能量=系統(tǒng)累積能量系統(tǒng)累積能量ddddi ijjQWEmem ettt實(shí)踐大多數(shù)設(shè)備都有物質(zhì)不斷進(jìn)入和流出，為敞實(shí)踐大多數(shù)設(shè)備都有物質(zhì)不斷進(jìn)入和流出，為敞開系統(tǒng)。開系統(tǒng)。ddddmEtt212eUgZu e: 單位質(zhì)量流體中的能單位質(zhì)量流體中的能量量 W: 包括流動(dòng)功和軸功包括流動(dòng)功和軸功sfWWWdfjjjiiiWm p Vm pVt22s11d22dddi

4、iiijjjjQWEm 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那那么：么：由于體積不變，所由于體積不變，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，不可緊縮流體，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 思索摩擦

5、時(shí)，思索摩擦?xí)r，絕熱穩(wěn)定流動(dòng)過程特征： 與環(huán)境間無熱，軸功交換可緊縮流體穩(wěn)定流動(dòng)過程s0,0,0QWg Z0212uh運(yùn)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)流過程為等焓過程單位質(zhì)量流體：單位質(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，不存在軸功,那么那么有有 QH 運(yùn)用實(shí)例：運(yùn)用實(shí)例：氣體的緊縮、膨脹、換熱器、吸收、解吸等。氣體的緊縮、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 。

6、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，如下圖。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-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

7、應(yīng)： 可用功由于摩擦阻力等呵斥功轉(zhuǎn)變可用功由于摩擦阻力等呵斥功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬木跋鬄闊岬木跋笃灼谆钊钊w輪可逆過程： 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)展正、反兩個(gè)方向后，系統(tǒng)與外界環(huán)境均能完全回復(fù)到其初始形狀，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 氣體緊縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體緊縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體的緊縮過程低壓低壓高壓高壓緊縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)緊縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)膨

8、脹機(jī)、節(jié)流膨脹機(jī)、節(jié)流理想氣體等溫緊縮過程理想氣體等溫緊縮過程特點(diǎn)：特點(diǎn)：s0,HWQ pVRT21s(R)211dlnppRTWQpppRTp理想氣體的絕熱緊縮過程理想氣體的絕熱緊縮過程特征：s0,kQWH pVRT 574,/323pVckkc2112s(R)11d11kkppkpWV pRTkp理想氣體非等溫非絕熱緊縮過程特征：特征：s,mHQW pVRTkm 112s(R)1111mmmpWRTmp真實(shí)氣體單級(jí)緊縮可逆軸功的計(jì)算真實(shí)氣體單級(jí)緊縮可逆軸功的計(jì)算緊縮因子系數(shù)Z與上述三種緊縮過程結(jié)果相乘即可與上述三種緊縮過程結(jié)果相乘即可例題6.3 將298K、0.09807MPa(絕)的水用

9、泵送到壓力為0.588MPa (絕)的鍋爐中，問保送1000kg水要耗費(fèi)多少可逆軸功？假設(shè)給水泵的效率為0.85，間實(shí)踐耗功為多少?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 t0.1365kWh tppWmV pmV pp 實(shí)踐功耗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

10、時(shí)，壓力降低(p1p2)的景象。 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)踐氣體節(jié)流前后溫度有三種變化能夠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，假設(shè)過程可逆，那么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任何氣體，任何條件下進(jìn)展等熵膨脹，溫度總是下降！任何氣體，任何條件下進(jìn)展等熵膨脹，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

11、效應(yīng)2121JdpHpTTTpHT根據(jù)節(jié)流前形狀找出根據(jù)節(jié)流前形狀找出點(diǎn)點(diǎn)1 1，沿等焓線到達(dá)，沿等焓線到達(dá)節(jié)流后形狀點(diǎn)節(jié)流后形狀點(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T2T2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0H0201QHHHH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同樣可以經(jīng)過溫熵圖直接從圖上查出同樣可以經(jīng)

12、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)根底噴管的熱力學(xué)根底6.4.1 噴管流動(dòng)的根本特征噴管流動(dòng)的根本特征噴管：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，氣體流速添加壓力降低，氣體流速添加等熵流動(dòng)中流速與比體積的變化關(guān)系為：等熵流動(dòng)中流

13、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適用于一切可逆和不可逆過程適用于一切可逆和不可逆過程理想氣體，假設(shè)恒壓摩爾熱容一理想氣體，假設(shè)恒壓摩爾熱容一定定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)/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

14、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形狀方程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1.400.528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，假設(shè)環(huán)境的大氣壓力為0.1MPa，試

15、確定噴管的方式、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)/0.4/1.422002900.625253.6(K)kkpTTp噴管出口溫度6.5 放射器放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

16、發(fā)生安裝。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經(jīng)過擴(kuò)壓管混合流體的質(zhì)量流速為GGG取緊縮效率為3422433434*43432SHHuuHHg HH 不思索流出流體的動(dòng)能，擴(kuò)壓管中混合流體的焓值的不思索流出流體的動(dòng)能，擴(kuò)壓管中混合流體的焓值的添加等于驅(qū)動(dòng)流體在噴管和混合段內(nèi)焓的損失，故添加等于驅(qū)動(dòng)流體在噴管和混合段內(nèi)焓的損失，故*4313GGHHGHH13*43GGHHGHH可得高壓流體與可緊縮低壓流體的量不思索進(jìn)出口的動(dòng)能，放射器的能量衡算：不思索進(jìn)出口的動(dòng)能，放射