1、第第6章章 熱力學第一定律及其工程應用熱力學第一定律及其工程應用1. 能量具有各種不同的形式能量具有各種不同的形式機械能機械能 熱能熱能 電能電能 化學能化學能 核能等核能等各種不同形式的能量相互轉化各種不同形式的能量相互轉化熱能熱能機械能機械能2. 熱力學第一定律熱力學第一定律能量既不能被創造，也不能被消滅，只能在一定條件下能量既不能被創造，也不能被消滅，只能在一定條件下從一種形式的能量轉變為另一種形式。轉換中，從一種形式的能量轉變為另一種形式。轉換中，能量的能量的總量保持不變。總量保持不變。不消耗任何能量而不斷做功的第一類永動機是造不成的。不消耗任何能量而不斷做功的第一類永動機是造不成的。

2、熱機的熱效率不可能大于熱機的熱效率不可能大于1u引言引言6.1 敞開系統的熱力學第一定律敞開系統的熱力學第一定律6.2 穩定流動過程與可逆過程穩定流動過程與可逆過程6.3 軸功的計算軸功的計算6.4 噴管的熱力學基礎噴管的熱力學基礎6.5 噴射器噴射器u本章主要內容本章主要內容6.1 敞開系統的熱力學第一定律敞開系統的熱力學第一定律6.1.1 封閉系統的能量平衡封閉系統的能量平衡WQUdUQW通常規定：通常規定：系統吸熱，系統吸熱，Q為正值；系統放熱，為正值；系統放熱，Q為負值為負值系統對外做功，系統對外做功，W為正值；外界對系統做功，為正值；外界對系統做功，W為負值為負值6.1.2 敞開系統

3、的能量平衡敞開系統的能量平衡dE/dtWZjQZiei, dmiej, dmj沒有化學反應沒有化學反應質量平衡質量平衡ddijmmmt系統累計質量系統累計質量能量守恒定律能量守恒定律進入系統能量離開進入系統能量離開系統系統能量能量系統系統累計能量累計能量ddddi ijjQWEmem ettt實際大多數設備都有物質不斷進入和流出，為敞開系統。實際大多數設備都有物質不斷進入和流出，為敞開系統。221ugzUe e: 單位質量流體中的能量單位質量流體中的能量 W: 包括流動功和軸功包括流動功和軸功fSWWWfdiiijjjWm pVm p Vt11d22dddiiiijjjjQWEmHgzumHg

4、zuttt對穩定流動過程對穩定流動過程SpkHEEQW 6.2 穩定流動過程與可逆過程穩定流動過程與可逆過程6.2.1穩定流動過程穩定流動過程機械能平衡方程特征：與環境無熱，無軸功交換，不可壓縮流體，非黏性理想流體穩定流動S0;0;0;pQWUH2102pg Zu Bernoullis方程方程21/02Fpug Z 考慮摩擦時，考慮摩擦時，絕熱穩定流動過程特征： 與環境間無熱，軸功交換可壓縮流體穩定流動過程S0,0,0QWg Z0212uh應用實例： 噴管 擴壓管對節流過程： 流體流速無明顯變化0H節流過程為等焓過程與環境間有大量熱，功交換的過程特征：系統的動能、位能變化與功，熱量相比很小0,

5、 02ZguSHQW對蒸發，冷卻等換熱過程，軸功不存在對蒸發，冷卻等換熱過程，軸功不存在QH 應用實例應用實例：氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收解析等。氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收解析等。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，設水的比恒壓熱容 。kW1kg s1kJ s114.184kJ kgCpc解：以1kg水為計算基準，由題意，忽略動能的影響0kE-1-19.81 (200)196.2(J kg )=0.1962kJ kgpEg z 2

6、1212()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 可逆過程可逆過程耗散效應： 可用功由于摩擦阻力等造成功轉變為熱的現象可用功由于摩擦阻力等造成功轉變為熱的現象汽缸汽缸活塞活塞飛輪可逆過程：當系統進行正、反兩個方向后，系統與外界環境均能完全回復到其初始狀態，這樣的過程稱為可逆過程 6.3 軸功的計算軸功的計算6.3.1 可逆軸功可逆軸功無任何摩擦損失的軸功無任何摩擦損失的軸功21dppHQV p21S(R

7、)dpkppWV pEE 21S(R)dppWV p產功過程，可逆軸功為最大功；耗功過程，可逆軸功為最小功。產功設備耗功設備SsS(R)WWS(R)sSWW6.3.2 氣體壓縮及膨脹過程熱力學分析氣體壓縮及膨脹過程熱力學分析氣體的壓縮過程低壓低壓高壓高壓壓縮機、鼓風機壓縮機、鼓風機膨脹機、節流膨脹機、節流理想氣體等溫壓縮過程理想氣體等溫壓縮過程特點：特點：S0,HWQ pVRT21( )211dlnpS RpRTWQpppRTp理想氣體的絕熱壓縮過程理想氣體的絕熱壓縮過程特征：特征：S0,kQWH pVRT 574,/323pVckkc2112S(R)111d1kkppkpWV pRTkp理想

8、氣體非等溫非絕熱壓縮過程特征：特征：RTpVWQHmS,km 112S(R)1111mmmpWRTmp真實氣體單級壓縮可逆軸功的計算真實氣體單級壓縮可逆軸功的計算壓縮因子系數Z與上述三種壓縮過程結果相乘即可與上述三種壓縮過程結果相乘即可例題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33-11.003 10mkg由此可求出可逆軸功為21S(R)213-153-1-1d() 1 1.003 (

9、0.588 0.09807)0.4914(m MPa t )4.914 10 m Pa t0.1365 kWh tppWmV pmV pp 實際功耗S(R)-1Ss0.1365=0.1606(kWh t )0.85WW6.3.3 節流膨脹節流膨脹節流：節流： 指流體在管道中流過閥門、孔板等設備時，壓力降低指流體在管道中流過閥門、孔板等設備時，壓力降低(p1p2)的現象。的現象。 絕熱節流絕熱節流1221,SSHHJouleThomson效應效應JppHVTVTTpc理想氣體節流前后溫度不變實際氣體節流前后溫度有三種變化可能節流過程中流體與外界沒有熱量交換節流過程中流體與外界沒有熱量交換 6.3

10、.4 等熵膨脹等熵膨脹高壓氣體在膨脹機中作絕熱膨脹，同時對外做功，若高壓氣體在膨脹機中作絕熱膨脹，同時對外做功，若過程可逆，則為過程可逆，則為等熵膨脹。等熵膨脹。等熵效應：等熵效應：等熵時壓力變化引起的溫度變化SpSpVTTTpc0; 0; 0TVTcp0s任何氣體，任何條件下進行等熵膨脹，溫度總是下降！任何氣體，任何條件下進行等熵膨脹，溫度總是下降！6.3.5 膨脹過程中的溫度效應膨脹過程中的溫度效應為了獲得較大的溫度降，常采用較大的壓力降。節流效應節流效應21H21JdppTTTpHT根據節流前狀態找出根據節流前狀態找出點點1 1，沿等焓線到達，沿等焓線到達節流后狀態點節流后狀態點2 2，

11、對，對應的溫度即為節流后應的溫度即為節流后溫度溫度T2等溫節流效應：節流后的氣體等壓從其它系統吸收熱量，本身回到節流前的溫度，吸收的熱量為節流膨脹的制冷量00201HQHHHH積分等熵效應：氣體作等熵膨脹時，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0S0201120HS(R)QHHHHHHQW等熵膨脹制冷量節流膨脹制冷量膨脹功等熵效率：S12SS(R)12WHHWHH6.4 噴管的熱力學基礎噴管的熱力學基礎6.4.1 噴管流動的基本特征噴管流動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，穩定流動

12、，等熵過程，無軸功交換忽略熱量交換，穩定流動，等熵過程，無軸功交換22122112HHuu對等熵流動對等熵流動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中流速與比體積的變化關系為：等熵流動中流速與比體積的變化關系為：222ddd1SVuVuVVuM馬赫數馬赫數(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，若恒壓摩爾熱理想氣體，若恒壓摩爾熱容一定容一定202022()2()1pkucTTR TTk氣體穩定

13、氣體穩定等熵流動等熵流動(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臨界流速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0ppc(1) /c00cc0211kkkpp Vkp Vkp理想氣等熵流理想氣等熵流動體的臨界壓動體的臨界壓力比：力比：(1)/c cc0 00211kkp Vpp Vkp 由理想氣體等熵過程狀態方程0 0c ckkp Vp V(1)/(1)/cc00211kkkkpppkp /(1)c021kkppk Pc/p0單原子氣體1.670.487雙原子氣體1.400.

14、528多原子氣體1.300.546例6.4 有一儲氣罐，其中空氣的壓力為016MPa，溫度為17。罐利用罐中空氣經噴管噴山而產生高速空氣流，若環境的大氣壓力為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-1-1R=287.1 J kgK解：設出口空氣壓力等于大氣壓，對雙原子氣體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)/0.4/1.4-122001.42R12287.1 29010.625271 m s10.4kkkpuTkp(1)/0.4/1.422002900.625253.6(K

15、)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入擴壓管，速度能又變成壓力能，為有效真空發生裝置。高壓噴管略有收縮，第二種流體進口混合段擴壓管用能分析膨脹過程中機械能損失1212(1)(-) SHH混合過程在機械能的損失2312(1)(-) SHH總的機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動流體的焓值為32122312(2)(-) SSHHHH通過擴壓管混合流體的質量流速為GGG取壓縮效率為3422433434*43432SHHuuHHg HH 不考慮流出流體的動能，擴壓管中混合流體的焓值的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動流體在噴管和混合段內焓的損失，故增加等于驅動流體在噴管和混合段內焓的損失，故*4313GGHHGHH13*43GGHHGHH可得高壓流體可壓縮低壓流體的量不考慮進出口的動能，噴射器的能量衡算：不考慮進出口的動能，噴射器的能量衡算：*114