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)用第一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三能量具有各種不同的形式機械能、熱能、電能、化學(xué)能、核能等各種不同形式的能量間可相互轉(zhuǎn)化熱能機械能重點內(nèi)容：敞開系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動與可逆過程可逆軸功與實際軸功的計算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)噴管與噴射器的熱力學(xué)基礎(chǔ)第二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.1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)對外作功，W為正值；外界對系統(tǒng)作功，W為負(fù)值第三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.1.2敞開系統(tǒng)的能量平衡δW′zjδQziUi,

δmiUj,δmj沒有化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量平衡系統(tǒng)累積質(zhì)量能量守恒定律——衡算方程進(jìn)入系統(tǒng)能量-離開系統(tǒng)能量=系統(tǒng)累積能量實際大多數(shù)設(shè)備都有物質(zhì)不斷進(jìn)入和流出，為敞開系統(tǒng)。第四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三

e:單位質(zhì)量流體中的能量

W':包括流動功和軸功對穩(wěn)定流動過程：定義：則：{因為體積不變，所以膨脹功為零第五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.2穩(wěn)定流動過程與可逆過程6.2.1穩(wěn)定流動過程機械能平衡方程特征：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Bernoulli's方程考慮摩擦?xí)r，第六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三絕熱穩(wěn)定流動過程特征：與環(huán)境間無熱，軸功交換可壓縮流體穩(wěn)定流動過程應(yīng)用實例：噴管(噴嘴)、擴壓管對節(jié)流過程：流體流速無明顯變化節(jié)流過程為等焓過程單位質(zhì)量流體：第七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三與環(huán)境間有大量熱，功交換的過程特征：系統(tǒng)的動能、位能變化與功，熱量相比很小對蒸發(fā)，冷卻等換熱過程，不存在軸功,則有應(yīng)用實例：氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收、解吸等。第八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三例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。解：第九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三以1kg水為計算基準(zhǔn)，由題意，忽略動能的影響由此可推出℃第十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.2.2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?yōu)闊岬默F(xiàn)象汽缸活塞飛輪可逆過程：當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正、反兩個方向后，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

第十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.3軸功的計算6.3.1可逆軸功無任何摩擦損失的軸功產(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)備第十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.3.2氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體的壓縮過程低壓高壓壓縮機、鼓風(fēng)機膨脹機、節(jié)流理想氣體等溫壓縮過程特點：第十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三理想氣體的絕熱壓縮過程特征：理想氣體非等溫非絕熱壓縮過程特征：第十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三真實氣體單級壓縮可逆軸功的計算壓縮因子系數(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，間實際耗功為多少?解：查附錄3水蒸汽表298K、0.09807MPa(絕)水的比容為由此可求出可逆軸功為實際功耗第十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.3.3節(jié)流膨脹節(jié)流：指流體在管道中流過閥門、孔板等設(shè)備時，壓力降低(p1>p2)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Joule－Thomson效應(yīng)理想氣體節(jié)流前后溫度不變實際氣體節(jié)流前后溫度有三種變化可能第十六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.3.4等熵膨脹高壓氣體在膨脹機中作絕熱膨脹，同時對外作功，若過程可逆，則為等熵膨脹等熵效應(yīng)：等熵時壓力變化引起的溫度變化任何氣體，任何條件下進(jìn)行等熵膨脹，溫度總是下降！第十七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.3.5

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)根據(jù)節(jié)流前狀態(tài)找出點1，沿等焓線到達(dá)節(jié)流后狀態(tài)點2，對應(yīng)的溫度即為節(jié)流后溫度T2第十八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三等溫節(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)流前的溫度，吸收的熱量為節(jié)流膨脹的制冷量積分等熵效應(yīng)：氣體作等熵膨脹時，壓力降較大引起的溫度變化同樣可以通過溫熵圖直接從圖上查出等熵膨脹制冷量：節(jié)流膨脹制冷量膨脹功等熵效率：第十九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.4

噴管的熱力學(xué)基礎(chǔ)6.4.1噴管流動的基本特征噴管：利用氣體壓降使氣流加速的管道特征：忽略熱量交換，穩(wěn)定流動，等熵過程，無軸功交換對等熵流動壓力降低，氣體流速增加等熵流動中流速與比體積的變化關(guān)系為：馬赫數(shù)(Machnumber)第二十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.4.2氣體的流速與臨界速度從氣體流速看：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氣體穩(wěn)定等熵流動流速取決于出口截面的壓力比臨界流速：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第二十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三理想氣等熵流動體的臨界壓力比：由理想氣體等熵過程狀態(tài)方程pc

/p0單原子氣體1.670.487雙原子氣體1.400.528多原子氣體1.300.546第二十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三例6.4有一儲氣罐，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)解：設(shè)出口空氣壓力等于大氣壓，對雙原子氣體可知出口截面壓力大于臨界壓力，采用漸縮形噴管噴管出口溫度第二十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三6.5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)口混合段擴壓管第二十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三用能分析：膨脹過程中機械能損失＝混合過程在機械能的損失＝總的機械能損失＝膨脹和混合過程能量損失之和＝截面3處膨脹后混合流體中驅(qū)動流體的焓值為通過擴壓管混合流體的質(zhì)量流速為取壓縮效率為第二十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三不考慮流出流體的動能，擴壓管中混合流體的焓值的增加等于驅(qū)動流體在噴管和混合段內(nèi)焓的損失，故可得高壓流體與可壓縮低壓流體的量不考慮進(jìn)出口的動能，噴射器的能量衡算：第二十六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期三例6.6在一蒸汽噴射器中，驅(qū)動蒸汽為785kPa的飽和蒸汽，被引射流體的飽和蒸汽為0.28kPa，兩種流體混合后排出的壓力為101kPa，如果混合在等壓下進(jìn)行，試求每引射1k