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1、第第6章 热力学第一定律及其工程应用章 热力学第一定律及其工程应用 内容概要内容概要 热力学第一定律能量守恒定律 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， 热力学第一定律能量守恒定律 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。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 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100% 能量具有各种不同的形式 机械能、热能、电能、 化学能、核能等
2、机械能、热能、电能、 化学能、核能等 各种不同形式的能量间可相互转化 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 WQU=dUQW= 通常规定：通常规定： 系统吸热，Q为正值；系统放热，
3、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 6.1.2 敞开系统的能量平衡敞开系统的能量平衡 W zj Q zi Ui,mi Uj, mj 没有化学反应没有化学反应 质量平衡质量平衡 d d ij m mm t = 系统累积质量 能量守恒定律 系统累积质量 能量守恒定律衡算方程 进入系统能量离开系统能量系统累积能量 衡算方程 进入系统能量离开系统能量系统累积能量 d ddd i ijj QWE mem e ttt += 实际大多数设备都有物质不断进入和流出，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。 dd dd mE tt 2 1 2 eUgZu=+
4、 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 sf WWW=+ d f jjjiii W m p Vm pV t = 22 s 11d 22ddd iiiijjjj QWE m HgzumHgzu ttt += 对稳定流动过程：对稳定流动过程： spk HEEQW+= jjii Hm Hm H= pjjii Em gzm gz= 22 11 22 kjjii Em um gu= d Q Q t = s s d W W t = 定义：定义： d 0 d E t = s d d kp E HEEQW t += 则：则： 6.2 稳定流动过程与可逆过程稳定
5、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 S 0;0;0;() p QWUHUpV = + = 2 1 0 2 p g zu + += Bernoullis方程方程 2 1 /0 2 Fpug z+ =考虑摩擦时，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 s 0,0,0QWg Z= 0 2 1 2 =+uh 应用实例： 喷管(喷嘴)、扩压管 对节流过程： 流体流速无明显变化 0=H节流过程为等焓等焓过程 单位质量流体：单位质量流体： ?与环境间有
6、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, 0 2 =Zgu s HQW= 对蒸发，冷却等换热过程，不存在轴功对蒸发，冷却等换热过程，不存在轴功,则有则有 QH = 应用实例应用实例： 气体的压缩、膨胀、换热器、吸收、解吸等。气体的压缩、膨胀、换热器、吸收、解吸等。 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20m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。 kW 1 kg s 1 kJ s 11 4.184kJ kgC p c =? 解
7、： 1 90 Ct = ? 2 ?t = s 2.4kWW= 1 1 u =3.2kg s 1 =720kJ sQ 以1kg水为计算基准，由题意，忽略动能的影响 0= k E -1-1 9.81 (200)196.2(J kg )=0.1962kJ kg p Eg z= = 21212 ()4.184 ()4.184376.6 p Hcttttt= -1 720 =-225(kJ kg ) 3.2 Q = -1 s 2.4 =0.750(kJ kg ) 3.2 W= 2 4.184376.62250.750.1962t = + 由此可推出 2 36.4t = 6.2.2 可逆过程可逆过程 耗散
8、效应： 可用功由于摩擦阻力等造成功转变 为热的现象 可用功由于摩擦阻力等造成功转变 为热的现象 汽缸 活塞 汽缸 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 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 2 1 d p p HQV p=+ 2 1 s(R) d p kp p WV pEE=+ + 2 1 s(R) d p p WV 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 s m s(R) W W = s(R) m s W W = 6.3
9、.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 低压高压低压高压 压缩机、鼓风机 膨胀机、节流 压缩机、鼓风机 膨胀机、节流 m T K T 1 T 1 T ?理想气体等温压缩过程理想气体等温压缩过程 特点：特点： s 0,HWQ pVRT= () 2 1 s(R) 2 1 1 d ln p p RT WQp p p RT p = = ?理想气体的绝热压缩过程理想气体的绝热压缩过程 特征： s 0, k QWH pVRT= = 574 ,/ 323 p V c kk c = 2 1 1 2 s(R)1 1 d1 1 k k p p kp WV pRT kp =
10、?理想气体非等温非绝热压缩过程 特征：特征： s, m HQW pVRT= km = p T 冷效应区 转回温度曲线 p i,max p i,max T i,min T 热效应区 6-6 JouleThomson效应效应 J p p H V TV T T pc = 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 p S p S V T T T pc = 0;0;0 p p V cT T 0 s 任何气体，任何条件下进行等熵膨胀
11、，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 H T T S T S(R) W 0 Q 0(S) Q 0(H) Q 2 p 1 p 1 H 0 H 2 H 2 H 2 T 1 T T S 节流效应节流效应 2 1 21Jd p H p TTTp= H T 根据节流前状态找出 点1，沿等焓线到达 节流后状态点2，对 应的温度即为节流后 温度 根据节流前状态找出 点1，沿等焓线到达 节流后状态点2，对 应的温度即为节流后 温度T2 等温节流效应：等温节流效应： 节流后的气体等压从其它
12、系统吸收热量，本身回到 节流前的温度，吸收的热量为节流膨胀的制冷量 节流后的气体等压从其它系统吸收热量，本身回到 节流前的温度，吸收的热量为节流膨胀的制冷量 0H0201 QHHHH= 积分等熵效应：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气体作等熵膨胀时，压力降较大引起的温度变化 2 1 S21Sd p p TTTp= 同样可以通过温熵图直接从图上查出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：等熵膨胀制冷量： 节流膨胀制冷量节流膨胀制冷量 膨胀功膨胀功 等熵效率：等熵效率： s12 S s(R)12
13、 WHH WHH = 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 () 22 1221 1 2 HHuu= 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： () 2 22 d dd1 S V uV uVVuM = 马赫数马赫数(Mach number)M u = V
14、 dV u du M1 6.4.2 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： 0 020 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 -1 2 20 0 1.4 212287.1 29010.625271 m s 10.4 kk kp uRT kp = () (1)/ 0.4/1.4 2 20 0 2900.625253.6(K) kk p TT p = 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，速度能又变成压力能，为有效真空发生装置。 G G GG+ 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：用能分析： 膨胀过程中机械能损失 1212 (1)(-) S HH 混合过程在机械能的损失 2312 (1)(-) S HH 总的机械能损失膨胀和混合过程能量损失之和 122312 (2)(-) S HH 截面3处膨胀后混合流体中驱动流体的焓值为 () 32122312 (2)(-) S S HHHH=+ 通过扩压管混合流体的质量流速为GGG=+ 取压缩效率为 34 () () 22 43 34 34 * * 43
