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1、第6章 热力学第一定律及其工程应用,内容概要,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。,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,热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的 基本形式为： （体系的能量）（环境的能量）0 或 （体系的能量）（环境的能量） 体系的能量的增加等于环境的能量的减少。,热力学第一定律的实质,能量具有各种不同的形式,机械能 热能 电能 化学能 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,敞开系统热力学第一定律,稳定流动与可逆过程,可逆轴
2、功与实际轴功的计算,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,61、封闭系统的能量平衡,体系能量的变化=体系与环境能量交换的净能量。,即：,封闭体系非流动过程的热力学第一定律：,内能：物质内部所有微观粒子所具有的能量的总和。,（仅与微观粒子的数目和温度有关）,62、敞开系统的能量平衡,开系的特点：, 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 输出(携带能量) 。,开系的划分：,可以是化工生产中的一台或几台设备。,可以是一个过程或几个过程。,可以是一个化工厂。,把划定的开放体系那部分称为控制体，用表示。,开放体系热力学第一定律：,控制体如图所示：,图61 开
3、系的平衡,（a）质量平衡,（b）能量平衡,单位质量流体携带的能量e为：,z位高,g重力加速度,u流体的平均流速,控制体中能量变化：,两端对时间积分得：,和 分别为 内开系与外界交换的热和功,16,p1 A1,系统与环境交换功W，实际上由两部分组成： 轴功：通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws； 流动功：单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及 离开系统时推动前面物质对环境所作的功。 假设系统入口处截面面积为Al ，流体的比容为V1 ，压力为p1 ，则推动力为p1A1 ，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为：,
4、即单位质量流体进入系统时，接受后面流体（环境）所给予的功；同样单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体（环境），即对环境作-p2V2的功。 这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功，只有在连续流动过程中才存在。,再结合,将 代入，得：,此式是开系通用的能量平衡方程 (开系热力学第一定律）,稳流体系没有能量和质量的积累，即：,稳定流动,非稳定流动,稳定流动：,流体的流速及其他物理量仅随位置而变而不随时间而变。,6-3 稳流过程的能量平衡,一些常见的属于稳流体系的装置,如图为一稳定流动过程：,：势能,：动能,稳定流动过程无能量变化,一、开系稳流过程的能量平衡式,零势能基准面,1,2,图6-1
5、稳定流动示意图,当只有一股物料流入和流出：则,写出通式：,则:,如果将单位质量看成一个体系，因为质量不变，可看 成是一个流动的封闭体系。,同除m变为单位质量：,上两式为开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流 过程热力学第一定律数学表达式。,例 61 用功率为2.0kW的泵将95的热水从贮水罐送到 换热器。热水的流量为3.5kgs-1。在换热器中以698kJs-1的速 率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m的第二贮水罐中，求第 二贮水罐的水温。,以1kg水为计算基准,输入的功,放出的热,位能的变化,解,1瓦=1焦/秒,可以忽略此过程动能的变化，即,根据稳流过程能量平衡式（68），,由附表3（水蒸
6、汽表）查得95饱和水的焓,故有,二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用,1、机械能平衡方程式（柏努力方程）：,流体：不可压缩，无粘性无热、无轴功的交换,自看例6.1 作业：6.4,内能,不可压缩流体v不变，,方程,变成：,这就是著名的柏努力方程。,适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动。,（6-10）,2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程,或,、有大量热、无轴功交换，,无热交换（绝热）,忽略过程中系统的动能和位能变化,例：某工厂一工段需要流量为10 m3h-1，温度为80的热水。现有0.3MPa的饱和水蒸汽和30的循环回水可供调用。请你设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水的流量？相应
7、的蒸汽管和冷水管尺寸如何？,解：这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以忽略不计。 若忽略混合时的热量损失，而混合过程无机械轴功产生，即Q=0，Ws=0。 稳流系统热力学第一定律，H=Q-Ws=0，即进出焓相等 冷水的热力学性质： 30，近似为饱和液体，H冷水=125.79 kJkg-1，比容1.0043l10-3m3kg-1,饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55， H蒸汽=2725.3 kJkg-1，比容 6.0610-3 m3kg-1 热水的热力学性质：80，近似为饱和液体，H热水=334.91 kJkg- 比容为,设冷水的流量为m水，蒸汽的质量流量为m汽。
8、热水流量为,则,解得,查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求在1.0m/s左右，低压蒸汽流速为20m/s左右。,则,式中A为管道截面积，D为管径，U为流速，V为比容。,即,冷水管径,按照管道规格尺寸，选取DN50的冷水管道。,选取DN100的蒸汽管道。,蒸汽管径,习题6.6,二、可逆过程,耗散效应：,可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现象,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,三、轴功,1、可逆轴功,、绝热可逆过程：,、对于静止的或流动的封闭体系,单位质量流体：,当流体经产功或耗功装置时
9、，可忽略动位能变化，则通用 能量平衡方程写成：,可逆过程:,或,用于液体时:,不可压缩流体V=常数,2、实际轴功的计算：,产功设备（透平）：, 的大小与机器制作水平有关。,耗功设备：,例,某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如,图所示。给水的压力为0.09807MPa（绝），温度15。水被,加压到0.687MPa（绝）后进入锅炉，将水加热成饱和蒸汽。蒸,汽由锅炉进入透平，并在透平中进行膨胀作功。排出的蒸汽（,称乏汽）压力为0.09807MPa。蒸汽透平输出的功主要用于带动,事故泵，有一小部分用于带动给水泵。若透平机和给水泵都是绝,热、可逆操作的，问有百分之几的热能转化为功（即用于事故泵,
10、的功）？,解,计算基准取1kg水。,给水泵轴功可用式（615）进行计算,查附表3（水蒸汽表）可知15水的饱和蒸汽压为1.7051KPa、比容为,泵的操作绝热可逆，因此：,锅炉,透 平,Ws（泵）驱动水泵需用功,废蒸汽（乏汽）,倘若知道进入水泵时水的焓 ，则可从上式求出 ，即进入锅,炉的液体水的焓。15饱和水的焓 可以从水蒸汽表中查到,（A）,式中,由,并用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，,可以忽略。因此,锅炉出口为687kPa的饱和蒸汽， 从水蒸气表中查得,（A）,可根据式（614）对锅炉进行能量衡算,每kg水通过锅炉吸热2699kJ。,按题意透平机是在绝热、可逆条件下
11、操作的，因此是等熵过程，,（Mollier图）可查得,根据式（614）对透平机进行能量衡算,其中有一部分轴功用于水泵，因而提供给事故泵的轴功为,由此可见，只有12.5%的热转化为功，此功用于事故泵。,例：30 的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150 ，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kg.K),求50kg空气从换热器吸收的热量,将空气当作理想气体，并忽略压降时,解：,换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计,例题6.3 将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵送到压力为0.588MPa (绝)的锅炉中
12、，问输送1000kg水要消耗多少可逆轴功？若给水泵的效率为0.85，间实际耗功为多少?,解：,查附录3水蒸汽表298K、0.09807MPa(绝)水的比容 为,由此可求出可逆轴功为,实际功耗,四、热量衡算,无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算,稳流过程的热量衡算的基本关系式：,J/kg,热量衡算时应将生产过程中各种可能热效应考虑进去。,生产中的四种热效应：, 显热物流的温度变化, 潜热物流的相变化, 混合热效应多股物流混合, 反应热效应化学反应产生,6-4、 气体压缩过程,常用于压缩气体的机械有：,按运动机构，压缩机分,往复式,叶轮式,一、压缩过热力学分析,理想压缩过程：,整个过程均
13、为可逆，不存在任何摩擦 损耗，输入的功完全用于压缩气体。,往复式压缩机压缩过程示意图：,排气活门,吸气活门,冲程,活塞,冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程,P,V,6,5,1,2c,2a,2b,3,1、恒温压缩过程：,3、绝热压缩过程：,2、多变压缩过程：,气体压缩过程在 P-V 图中的表达,图 6-3,就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大， 多变过程居中,二、单级压缩机可逆轴功的计算：,1、等温压缩,理想气体：,2、绝热过程,与体积功计算公式的区别,理想气体的K 可取：,单原子气体：K =5/3=1.667 双原子气体：K=7/5=1.40 多原子气体：K=4/
14、3=1.333,混合气体中某组分的绝热指数,混合气体中某组分的摩尔数,由公式可知：,气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下 绝热指数K和压缩比。,3、多变过程：,4、真实气体压缩功的计算：,、当压缩因子系数Z变化不大时：,若压缩机进出口Z 变化不大，可取平均值：,，然后将其看成常数。,等温压缩：,绝热压缩：,多变压缩：,、易液化气体（上述公式不适用）,绝热过程：,多变过程：,例 设空气的初态压力为0.10814MPa，温度为15.6，今,热和多变压缩过程（m=1.25）的功耗和终点温度。（空气可作双 原子气体处理）,解,空气在压力较低时可视为理想气体。,（a）等温压缩。,式中,根据式（618）
15、，有,（c）多变压缩。,根据式（620），有,（b）绝热压缩。,空气 K=1.4，根据式（619），有,压缩过程终点的温度为,绝热压缩：,多变压缩：,计算结果列表如下：,从表中数据可见，在1mK的条件下，当压缩比一定时，等温 压缩功最小，终温最低；绝热压缩功最大，终温最高；多变压缩 功和终温介于两者之间。,6.5 节流膨胀,节流：,指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时，压力降低(p1p2)的现象。,节流阀 Throttling Valve,JouleThomson节流温度效应,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，,绝热节流,节流过程中流体与外界没有热量交换,J-T 0
16、 表示节流膨胀后气体温度下降； J-T 0 表示节流膨胀后气体温度升高； J-T =0 表示节流膨胀后气体温度不变；,等焓线与转回曲线： 为了求 J-T 的值，必须作出等焓线，这要作若干个节流过程实验，在 T-P 图上得到若干个点，将点连结就是等焓线。如下图。在线上任意一点的切线，就是该温度压力下的 J-T 值。显然，在点 3 左侧，J-T 0 ；在点 3 右侧，J-T 0 ；在点 3 处，J-T =0.,(T0,p0),选择不同的起始状态 P0、 T0，作若干条等焓线。将各条等焓线的极大值相连，就得到一条虚线，将 T-p 图分成两个区域。该虚线称为 转回曲线。 在虚线以左，J-T 0 ，是致冷区，在这个区内，可以把气体液化；虚线以右，J-T 0 ，是致热区，气体通过节流过程温度反而升高。,显然，工作物质（即筒内的气体）不同，转回曲线的 T,p 区间也不同。例如，N2 的转回曲线温度高 ，N2 气能液化的范围大
