化工热力学：第6章_热力学第一定律及其工程应用

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1、第第6 6章章 热力学第一定律及其工程应用热力学第一定律及其工程应用热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量量”的属性。的属性。人体的能量平衡热量平衡内容概要内容概要热力学第一定律热力学第一定律能量既不能被创造，也不能被消灭，只能在一定条件下从一种形式的能量转变为另一种形式。转换中，能量的总量保持不变。不消耗任何能量而不断作功的第一类永动机是造不成的。热机的热效率不可能大于1能量具有各种不同的形式机械能机械能 热能热能 电能电能 化学能化学能 核能等核能等各种不同形式的能量相互转化热能机械能重点内容重点内容敞开系统热力学第一定律敞开系统热力学

2、第一定律 稳定流动与可逆过程稳定流动与可逆过程 可逆轴功与实际轴功的计算可逆轴功与实际轴功的计算 气体压缩及膨胀过程热力学分析气体压缩及膨胀过程热力学分析 节流与等熵膨胀过程中的温度效应节流与等熵膨胀过程中的温度效应 喷管与喷射器的热力学基础喷管与喷射器的热力学基础 6.1 敞开系统的热力学第一定律敞开系统的热力学第一定律6.1.1 封闭系统的能量平衡封闭系统的能量平衡WQUdUQW通常规定：通常规定：系统吸热，Q为正值；系统放热，Q为负值系统对外作功，W为正值；外界对系统作功，W为负值开系的特点：开系的特点：体系与环境有物质的交换。体系与环境有物质的交换。除有热功交换外，还包括物流输入和除有

3、热功交换外，还包括物流输入和 输出携带能量。输出携带能量。任何系统能量平衡：任何系统能量平衡：进入系统的能量离开系统的能量系统内能量的积累进入系统的能量离开系统的能量系统内能量的积累稳流系统能量平衡：稳流系统能量平衡：进入系统的能量离开系统的能量进入系统的能量离开系统的能量06.1.2 敞开系统的能量平衡敞开系统的能量平衡EWsZjQZiUi,miUj,mj没有化学反应没有化学反应质量平衡质量平衡ddijmmmt系统累计质量系统累计质量能量守恒定律能量守恒定律进入系统能量离开进入系统能量离开系统系统能量能量系统系统累计能量累计能量ddddi ijjQWEmem ettt实际大多数设备都有物质不

4、断进入和流出，为敞开系统。实际大多数设备都有物质不断进入和流出，为敞开系统。221ugzUe e:单位质量流体中的能量单位质量流体中的能量 W:包括流动功和轴功包括流动功和轴功SfWWWdfiiijjjWm pVm p VtdtdEdtWdtQugzHmugzHmSjjjjiiii2121对稳定流动过程对稳定流动过程SkpWQEEH6.2 稳定流动过程与可逆过程稳定流动过程与可逆过程6.2.1稳定流动过程稳定流动过程机械能平衡方程特征：与环境无热，无轴功交换，不可压缩流体，非黏性理想流体稳定流动S0;0;0;pQWUH2102pg Zu Bernoullis方程方程21/02Fpug Z 考虑

5、摩擦时，考虑摩擦时，绝热稳定流动过程特征：与环境间无热，轴功交换可压缩流体稳定流动过程S0,0,0QWg Z0212uh应用实例：喷管 扩压管对节流过程：流体流速无明显变化0H节流过程为等焓过程与环境间有大量热，功交换的过程特征：系统的动能、位能变化与功，热量相比很小0,02ZgusWQH对蒸发，冷却等换热过程，轴功不存在对蒸发，冷却等换热过程，轴功不存在QH 应用实例应用实例：气体的压缩、膨胀、换热器、吸收解析等。气体的压缩、膨胀、换热器、吸收解析等。例6.1某厂用功率为2.4 的泵将90水从贮水罐压到换热器，水流量为3.2 。在换热器中以720 的速率将水冷却，冷却后水送入比第一贮水罐高2

6、0m的第二贮水罐，如图所示。求送入第二贮水罐的水温，设水的比恒压热容 。kW1kg s1kJ s114.184kJ kgCpc解：以1kg水为计算基准，由题意，忽略动能的影响0kE-1-19.81(200)196.2(J kg)=0.1962kJ kgpEg z 21212()4.184()4.184376.6pHcttttt-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 可逆过程可逆过程耗散效应：可用功由于摩擦阻力等造成功转变可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现象

7、为热的现象汽缸汽缸活塞活塞飞轮可逆过程：当系统进行正、反两个方向后，系统与外界环境均能完全回复到其初始状态，这样的过程称为可逆过程 1：传递推动力无限小：传递推动力无限小2：过程没有耗散效应：过程没有耗散效应6.3 轴功的计算轴功的计算6.3.1 可逆轴功可逆轴功无任何摩擦损失的轴功21dppHQV p21S(R)dpkppWV pEE 21S(R)dppWV p产功过程，可逆轴功为最大功；耗功过程，可逆轴功为最小功。产功设备耗功设备SmS(R)WWS(R)mSWW6.3.2 气体压缩及膨胀过程热力学分析气体压缩及膨胀过程热力学分析气体的压缩过程低压低压高压高压压缩机、鼓风机压缩机、鼓风机膨胀

8、机、节流膨胀机、节流理想气体等温压缩过程理想气体等温压缩过程特点：特点：S0,HWQ pVRT21()211dlnpS RpRTWQpppRTp理想气体的绝热压缩过程理想气体的绝热压缩过程特征：S0,kQWH pVRT 574,/323pVckkc2112S(R)111d1kkppkpWV pRTkp理想气体非等温非绝热压缩过程特征：特征：S,mHQWpVRTkm 112S(R)1111mmmpWRTmp真实气体单级压缩可逆轴功的计算真实气体单级压缩可逆轴功的计算压缩因子系数Z与上述三种压缩过程结果相乘即可与上述三种压缩过程结果相乘即可例题6.3 将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵

9、送到压力为0.588MPa(绝)的锅炉中，问输送1000kg水要消耗多少可逆轴功？若给水泵的效率为0.85，问实际耗功为多少?解：查附录3水蒸汽表298K、0.09807MPa(绝)水的比容为33-11.003 10mkg由此可求出可逆轴功为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 实际功耗S(R)-1Sm0.1365=0.1606(kWh t)0.85WW6.3.3 节流膨胀节流膨胀节流：节流：指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时，压力降低(p

10、1p2)的现象。绝热节流节流过程中流体与外界没有热量交换 1221,SSHHJouleThomson效应效应JppHVTVTTpc理想气体节流前后温度不变实际气体节流前后温度有三种变化可能6.3.4 等熵膨胀等熵膨胀高压气体在膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作功，若过程可逆，则为等熵膨胀等熵效应：等熵效应：等熵时压力变化引起的温度变化SpSpVTTTpc0;0;0TVTcp0s任何气体，任何条件下进行等熵膨胀，温度总是下降！任何气体，任何条件下进行等熵膨胀，温度总是下降！6.3.5 膨胀过程中的温度效应膨胀过程中的温度效应为了获得较大的温度降，常采用较大的压力降节流效应节流效应21H21JdppT

11、TTpHT根据节流前状态找出根据节流前状态找出点点1 1，沿等焓线到达，沿等焓线到达节流后状态点节流后状态点2 2，对，对应的温度即为节流后应的温度即为节流后温度温度T2等温节流效应：节流后的气体等压从其它体系吸收热量，本身回到节流前的温度，吸收的热量为节流膨胀的制冷量0H0201QHHHH积分等熵效应：气体作等熵膨胀时，压力降较大引起的温度变化21S21SdppTTTp同样可以通过温熵图直接从图上查出0S0201120HS(R)QHHHHHHQW等熵膨胀制冷量节流膨胀制冷量膨胀功等熵效率：S12SS(R)12WHHWHH核反应堆核反应堆锅炉锅炉汽轮机汽轮机t=380 t=380 1 12 2

12、或或223 34 4冷凝器冷凝器P1=7MPa t1=360 P1=7MPa t1=360 2 2221 13 34 4T TS S核动力循环如图所示，锅炉从温度为核动力循环如图所示，锅炉从温度为380 的核反应堆吸入热量的核反应堆吸入热量Q1产产生压力为生压力为7MPa、温度为、温度为360 的过热蒸汽（点的过热蒸汽（点1），过热蒸汽经汽轮），过热蒸汽经汽轮机作不可逆绝热膨胀做功后于机作不可逆绝热膨胀做功后于0.8MPa压力下排出（点压力下排出（点2），其等熵效），其等熵效率为率为0.75,求：单位质量蒸汽做功能力；汽轮机出口乏气的湿度是多少求：单位质量蒸汽做功能力；汽轮机出口乏气的湿度是多

13、少？6.4 喷管的热力学基础喷管的热力学基础6.4.1 喷管流动的基本特征喷管流动的基本特征喷管喷管：利用气体压降使气流加速的管道利用气体压降使气流加速的管道特征特征：忽略热量交换，稳定流动，等熵过程，无轴功交换忽略热量交换，稳定流动，等熵过程，无轴功交换22122112HHuu对等熵流动对等熵流动uduVdp 压力降低，气体流速增加压力降低，气体流速增加等熵流动中流速与比体积的变化关系为：等熵流动中流速与比体积的变化关系为：222ddd1SVuVuVVuM马赫数马赫数(Mach number)MuVdVuduM1VdVuduM10,0,00dVdpdhdu气体流量稳定：气体流量稳定：A为喷管

14、截面积为喷管截面积uduVdVAdAdVVAuAudmdVAudmVAuVAum)()(常数，得到得到：uduMAdA)1(2渐缩形喷管AuauM,1缩放形喷管AuauM,16.4.2 气体的流速与临界速度气体的流速与临界速度从气体流速看：从气体流速看：0020uuu2022HHu适用于所有可逆和不可逆过程适用于所有可逆和不可逆过程理想气体，若恒压摩尔热理想气体，若恒压摩尔热容一定容一定202022()2()1pkucTTR TTk气体稳定气体稳定等熵流动等熵流动(1)/220 00211kkkpup Vkp流速取决于出口截面的压力比流速取决于出口截面的压力比临界临界流速流速气流速度等于声速，

15、气流从亚声速向超声速过渡气流速度等于声速，气流从亚声速向超声速过渡临界压力比c0pp(1)/c00cc0211kkkpp Vkp Vkp理想气等熵流理想气等熵流动体的临界压动体的临界压力比：力比：(1)/c cc0 00211kkp Vpp Vkp 由理想气体等熵过程状态方程0 0c ckkp Vp V(1)/(1)/cc00211kkkkpppkp/(1)c021kkppk pc/p0单原子气体1.670.487双原子气体1.400.528多原子气体1.300.546例6.4 有一储气罐，其中空气的压力为016MPa，温度为17。罐利用罐中空气经喷管喷山而产生高速空气流，若环境的大气压力为0

16、.1MPa，试确定喷管的形式、出口处空气的流速及温度。通用气体常数-1-1R=287.1 J kgK解：设出口空气压力等于大气压，对双原子气体c0/0.528pp62600.1 100.6250.5280.16 10pp可知出口截面压力大于临界压力，采用渐缩形喷管(1)/0.4/1.4-122001.42R12287.1 29010.625271 m s10.4kkkpuTkp(1)/0.4/1.422002900.625253.6(K)kkpTTp喷管出口温度6.5 喷射器喷射器一种流体的压力能在喷管中变成速度能，高速喷出的流体抽吸第二种流体；两种流体混合物以一定进入扩压管，速度能又变成压力

17、能，为有效真空发生装置。高压喷管略有收缩第二种流体进口混合段扩压管用能分析膨胀过程中机械能损失1212(1)(-)SHH混合过程在机械能的损失2312(1)(-)SHH总的机械能损失膨胀和混合过程能量损失之和 122312(2)(-)SHH截面3处膨胀后混合流体中驱动流体的焓值为32122312(2)(-)SSHHHH通过扩压管混合流体的质量流速为GGG取压缩效率为3422433434*43432SHHuuHHg HH 不考虑流出流体的动能，扩压管中混合流体的焓值的不考虑流出流体的动能，扩压管中混合流体的焓值的增加等于驱动流体在喷管和混合段内焓的损失，故增加等于驱动流体在喷管和混合段内焓的损失

18、，故*4313GGHHGHH13*43GGHHGHH可得高压流体可压缩低压流体的量不考虑进出口的动能，喷射器的能量衡算：不考虑进出口的动能，喷射器的能量衡算：*114G HG HGGH例6.6 在一蒸汽喷射器中，驱动蒸汽为785kPa的饱和蒸汽，被引射流体的饱和蒸汽为0.28kPa，两种流体混合后排出的压力为101kPa，如果混合在等压下进行，试求每引射1kg低压水蒸汽需要多少kg的驱动蒸汽?设喷管效率 ，混合效率 ，压缩效率 。120.95 230.80 340.90 解：解：可采用图解法可求出可求出1kg高压高压驱动蒸汽可以引驱动蒸汽可以引射射0.75kg低压蒸低压蒸汽汽每引射每引射1kg低压低压蒸汽需用蒸汽需用1.33kg的驱动蒸汽的驱动蒸汽