《[工学]精品课件!《化工热力学》_第三章热力学第一定律及其应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]精品课件!《化工热力学》_第三章热力学第一定律及其应用（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三章热力学第一定律及其应用第一节闭系非流动过程的能量平衡第二节开系流动过程的能量平衡第三节稳流过程的能量平衡第四节气体压缩过程化工热力学第三章热力学第一定律及其应用能量分为两大类： （1）是体系蓄积的能量，如动能、势能和内能，它们都是体系状态函数。 （2）是过程中体系和环境传递的能量，常见的有功和热量，它们不是状态函 数，而与过程有关，是过程函数。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做 功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式 有关的能量形式。热力学第一定律：能量转化与守恒原理体系孤立体系：体系与环境之间没有物质和能量交换。封
2、闭体系：体系与环境之间没有物质，有能量交换。敞开体系：体系与环境之间有物质和能量交换。体系：指热力学研究的对象。环境：体系外的部分。体系吸热为正值，放热为负值； 体系对环境作功为正值，得功为负值。化工热力学 第三章热力学第一定律及其应用 第一节31、闭系非流动过程的能量平衡、闭系非流动过程的能量平衡体系能量的变化=体系与环境交换的净能量。体系能量的变化=体系与环境交换的净能量。即：即：( )( )( )存出入能能能=封闭体系非流动过程的热力学第一定律封闭体系非流动过程的热力学第一定律：WQU=化工热力学 第三章热力学第一定律及其应用 第二节32、开系流动过程的能量平衡、开系流动过程的能量平衡开
3、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，还包括物流输入和输出携带能量。开系的划分：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。可以是一个过程或几个过程。?可以是一个化工厂。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。把划定的开放体系那部分称为控制体，用表示。化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第二节开放体系热力学第一定律：开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：控制体如图所示：图图31 开系的平衡开系的平衡（a）质量平衡
4、质量平衡（b）能量平衡能量平衡imjm () dtdM控制体控制体() dtdE控制体控制体()jjem ()iiem dtQ dtW化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第二节单位质量流体携带的能量单位质量流体携带的能量e为：为：2 21Uugze+=z位高位高g重力加速度重力加速度u流体的平均流速流体的平均流速控制体中能量变化：控制体中能量变化：+=jjj iiiememdtW dtQ dtdE化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第二节两端对时间积分得：两端对时间积分得：dtmedtmeWQEj jttji itti+=2121和分别为内开系与外界交换的热和功和分别为内开系与外界交换的热
5、和功QWtsfWWW+=又fW流动功流动功=ittiiij jttjjfdtmvPdtmvPW2121机械设备交换的功，也叫轴功。机械设备交换的功，也叫轴功。sW化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第二节+=ittjjjj ittiiiisdtmvPedtmvPeWQE2121)()(2 21ugzUe+=Q再将代入，得：再将代入，得：2 21ugzpvUpve+=+=ittiiiisdtmugzhWQE21)21(2+jttjjjjdtmugzh21)21(2将将0t时，上式变成：时，上式变成：pvUh+=Q化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第二节+=iiiiisugzhmdtW dt
6、Q dtdE2 21+jjjjjugzhm2 21此式是开系通用的能量平衡方程此式是开系通用的能量平衡方程化工热力学 第三章热力学第一定律及其应用 第三节3-3、 稳流过程的能量平衡、 稳流过程的能量平衡所有质量和能量的流速均为常量。开系内没有质量和能量积累的现象。所有质量和能量的流速均为常量。开系内没有质量和能量积累的现象。一、开系稳流过程的能量平衡式一、开系稳流过程的能量平衡式稳流过程稳流过程状态是稳定的流动是稳定的状态是稳定的流动是稳定的化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节0=dtdE + + +=22 21 21jj jii ij jji iij jj iiisumumgzmg
7、zmhmhmWQKpsEEHWQ+=如图为一稳定流动过程：如图为一稳定流动过程：化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节图图 32 稳定流动过程稳定流动过程换热器透平机换热器透平机iVjViuQiZsWZjZ基准水平面基准水平面IIIju化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节当只有一股物料流入和流出：当只有一股物料流入和流出：mmmji=则上式：则上式：hmhhmHij=)(zmgzzmgEijp=)(222 21)(21umuumEijk=sWQumzmghm=+2 21则则:对于单位质量流体：对于单位质量流体： swquzgh=+2 21上两式为上两式为开系稳流过程的能量平衡式开
8、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。或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节t=？ 贮水罐t=？ 贮水罐换 热 器换 热 器95 贮水罐 贮水罐进水进水泵泵SWQ15m15m图 33 例31稳流过程示意图图 33 例31稳流过程示意图例例31 用功率为用功率为2.0kW的泵将的泵将95的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为3.5kgs的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为3.5kgs-1-1。在换热器中以698kJs。在换热器中以698kJs-1-1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
9、罐的水温。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。化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节以1kg水为计算基准以1kg水为计算基准输入的功输入的功() 5 . 3 10000 . 2=sw14 .571=kgJ15714. 0=kgkJ放出的热放出的热5 . 3 698=q14 .199=kgkJ位能的变化位能的变化1581. 9=zg12 .147=kgJ11472. 0=kgkJ解解化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节可以忽略此过程动能的变化，即可以忽略此过程动能的变化，即0212u根据稳流过程能量平衡式（317），根据稳流过程能量平衡式（
10、317），2 21uzgwqhs=()1472. 05714. 04 .199=10 .199kgkJ由附表3（水蒸汽表）查得95饱和水的焓由附表3（水蒸汽表）查得95饱和水的焓1 196.397=kgkJh故有故有hhh+=120 .19996.397=96.198=10 .199kgkJ根据根据2h再查附表3，得再查附表3，得51.472=t化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管透平机混合装置节流阀压缩机换热装置化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、
11、机械能平衡方程式（柏努力方程）：机械能平衡方程式（柏努力方程）：流体：不可压缩、无粘性理想流体，无热、无轴功的交换流体：不可压缩、无粘性理想流体，无热、无轴功的交换0=q0=sw0=U化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节()()pvpvUH=+=不可压缩流体不可压缩流体v不变，不变，()ppvpv=swquzgh=+2 21方程变成：方程变成：0212=+pzgu这就是著名的这就是著名的柏努力方程柏努力方程。适用条件：适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动不可压缩，无粘性流体的稳态流动。化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节2、绝热稳定流动方程式2、绝热稳定流动方程式流体：流体
12、：可压缩，与外界无热、无轴功交换.可压缩，与外界无热、无轴功交换.0212=+uh绝热稳定流动方程式、绝热稳定流动方程式、喷管与扩压管喷管喷管与扩压管喷管：流体通过时压力沿着流动方向降低，而流速加快的部 件称为喷嘴。当出口流速音速时，可用渐缩喷管：流体通过时压力沿着流动方向降低，而流速加快的部 件称为喷嘴。当出口流速音速时，可用渐缩喷管：当入口流速音速，当出口流速音速时，用拉法尔喷管当入口流速音速，当出口流速音速时，用拉法尔喷管：亚音速亚音速超音速超音速 扩压管扩压管：在流动方向上流速降低、压力增大的装置称为扩压管：在流动方向上流速降低、压力增大的装置称为扩压管。化工热力学第三章热力学第一定律
13、及其应用第三节喷嘴与扩压管swqzguh=+22是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否0212=+uh化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节根据此式可计算流体根据此式可计算流体终温、质量流速、出口截面积终温、质量流速、出口截面积等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。222111 VAu VAum= 质量流率质量流率、节流节流即流体通过阀门或孔板的节流过程为等焓流动。即流体通过阀门或孔板的节流过程为等焓流动。节流节流膨胀后往往会使流体的膨胀后往往会使流体的温度下降温度下降。理想理想气体通过节流阀气体通过节流阀温度不
14、变温度不变.使流体通过阀门或孔板，截面突然缩小，摩擦损失较大。使流体通过阀门或孔板，截面突然缩小，摩擦损失较大。21, 0hhh=化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节swqzguh=+22节流阀是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略21, 0hhh=化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节3、3、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程。与外界有大量热、轴功交换的稳流过程。SWQH=swqh=或或、有大量热、无轴功交换，、有大量热、无轴功交换，0=SWqhQH=,无热交换（绝热）无热交换（绝热）0=QSWH=
15、swh=或或如：透平机和压缩机如：透平机和压缩机如：换热设备如：换热设备化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节混合设备混合两种或多种流体 是很常见。混合两种或多种流体 是很常见。混合器混合器化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节swqzguh=+22混合设备是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?否否h=0化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节例 32 丙烷气体在2MPa、400K时稳流经过某节流装置后例 32 丙烷气体在2MPa、400K时稳流经过某节流装置后减压至0.1MPa。试求丙烷节流后的温度与节流过程的熵变。减压至0.1MPa。试求丙烷节流后的温度与节流过程的熵变。对于等焓过程，式（287）可写成对于等焓过程，式（287）可写成解解 ()RR PHHTTCH1212+=0=化工热力学第三章热力学第一定律及其应用第三节已知终压为已知终压为0.1MPa，假定此
