1、化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第一節(jié) 閉系非流動過程的能量平衡第二節(jié) 開系流動過程的能量平衡第三節(jié) 穩(wěn)流過程的能量平衡第四節(jié) 氣體壓縮過程化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用能量分為兩大類：（1）是體系蓄積的能量，如動能、勢能和內(nèi)能，它們都是體系狀態(tài)函數(shù)。（2）是過程中體系和環(huán)境傳遞的能量，常見的有功和熱量，它們不是狀態(tài)函數(shù)，而與過程有關(guān)，是過程函數(shù)。熱量是因為溫度差別引起的能量傳遞，而做功是由勢差引起的能量傳遞。因此，熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過程傳遞方式有關(guān)的能量形式。熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)化與守恒原理體系孤立體系：體系與環(huán)境之間沒有物質(zhì)和能量交換

2、。封閉體系：體系與環(huán)境之間沒有物質(zhì)，有能量交換。敞開體系：體系與環(huán)境之間有物質(zhì)和能量交換。體系：指熱力學(xué)研究的對象。環(huán)境：體系外的部分。 體系吸熱為正值，放熱為負(fù)值； 體系對環(huán)境作功為正值，得功為負(fù)值?；崃W(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第一節(jié)4-1、閉系非流動過程的能量平衡閉系非流動過程的能量平衡體系能量的變化體系能量的變化= =體系與環(huán)境交換的凈能量。體系與環(huán)境交換的凈能量。 即：即： 存出入能能能封閉體系非流動過程的熱力學(xué)第一定律封閉體系非流動過程的熱力學(xué)第一定律： WQU化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第一節(jié)4-2 開系流動過程的能量平衡開系流動過程的能量平衡開系的特點：開

3、系的特點： 體系與環(huán)境有物質(zhì)的交換。體系與環(huán)境有物質(zhì)的交換。 除有熱功交換外，還包括物流輸入和除有熱功交換外，還包括物流輸入和 輸出攜帶能量。輸出攜帶能量。開系的劃分：開系的劃分： 可以是化工生產(chǎn)中的一臺或幾臺設(shè)備?？梢允腔どa(chǎn)中的一臺或幾臺設(shè)備。 可以是一個過程或幾個過程?？梢允且粋€過程或幾個過程。 可以是一個化工廠?？梢允且粋€化工廠。 把劃定的開放體系那部分稱為控制體，用把劃定的開放體系那部分稱為控制體，用表示。表示。 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用開放體系熱力學(xué)第一定律：開放體系熱力學(xué)第一定律：控制體如圖所示：控制體如圖所示：圖圖4-1 開系的平衡開系的平衡（a）質(zhì)量平衡質(zhì)量

4、平衡（b）能量平衡能量平衡imjmdtdM控制體控制體dtdE控制體控制體jjem iiem dtQdtW化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用單位質(zhì)量流體攜帶的能量單位質(zhì)量流體攜帶的能量e為：為： 221Uugzez位高位高g重力加速度重力加速度u流體的平均流速流體的平均流速控制體中能量變化：控制體中能量變化： jjjiiiememdtWdtQdtdE化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用兩端對時間積分得：兩端對時間積分得： dtmedtmeWQEjjttjiitti2121 和和 分別為分別為 內(nèi)開系與外界交換的熱和功內(nèi)開系與外界交換的熱和功 QWtsfWWW又fW流動功流動功 itt

5、iiijjttjjfdtmvPdtmvPW2121機(jī)械設(shè)備交換的功，機(jī)械設(shè)備交換的功，也叫軸功。也叫軸功。 sW化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用ittjjjjittiiiisdtmvPedtmvPeWQE2121)()(221ugzUe再將再將 代入，得：代入，得：221ugzpvUpveittiiiisdtmugzhWQE21)21(2jttjjjjdtmugzh21)21(2將將 0t時，上式變成：時，上式變成：pvUh化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用iiiiisugzhmdtWdtQdtdE221jjjjjugzhm221此式是開系通用的能量平衡方程此式是開系通用的能量平

6、衡方程 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第一節(jié)4-3 穩(wěn)流過程的能量平衡穩(wěn)流過程的能量平衡 所有質(zhì)量和能量的流速均為常量。開系內(nèi)沒有質(zhì)量所有質(zhì)量和能量的流速均為常量。開系內(nèi)沒有質(zhì)量和能量積累的現(xiàn)象。和能量積累的現(xiàn)象。 一、開系穩(wěn)流過程的能量平衡式一、開系穩(wěn)流過程的能量平衡式穩(wěn)流過程穩(wěn)流過程狀態(tài)是穩(wěn)定的狀態(tài)是穩(wěn)定的 流動是穩(wěn)定的流動是穩(wěn)定的 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用0dtdE222121jjjiiijjjiiijjjiiisumumgzmgzmhmhmWQKpsEEHWQ如圖為一穩(wěn)定流動過程：如圖為一穩(wěn)定流動過程： 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用圖圖 4-2 穩(wěn)

7、定流動過程穩(wěn)定流動過程換熱器換熱器透平機(jī)透平機(jī)iVjViuQiZsWZjZ基準(zhǔn)水平面基準(zhǔn)水平面IIIju化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用當(dāng)只有一股物料流入和流出：當(dāng)只有一股物料流入和流出： mmmji則上式：則上式： hmhhmHij)(zmgzzmgEijp)(22221)(21umuumEijksWQumzmghm221則則:對于單位質(zhì)量流體：對于單位質(zhì)量流體： swquzgh221 上兩式為上兩式為開系穩(wěn)流過程的能量平衡式開系穩(wěn)流過程的能量平衡式或稱為開系穩(wěn)流或稱為開系穩(wěn)流過程熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式。過程熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式。 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用t=t

8、=？貯水罐貯水罐換換熱熱器器95 貯水罐貯水罐進(jìn)水進(jìn)水泵泵SWQ15m15m圖圖 4-3 4-3 例例4-14-1穩(wěn)流過程示意圖穩(wěn)流過程示意圖例例 4-1 用功率為用功率為2.0kW的泵將的泵將95的熱水從貯水罐送到換熱器。的熱水從貯水罐送到換熱器。熱水的流量為熱水的流量為3.5kgs3.5kgs-1-1。在換熱。在換熱器中以器中以698kJs698kJs-1-1的速率將熱水冷的速率將熱水冷卻后送入比第一貯水罐高卻后送入比第一貯水罐高15m15m的第的第二貯水罐中，求第二貯水罐的水二貯水罐中，求第二貯水罐的水溫。溫?；崃W(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用以以1kg1kg水為計算基準(zhǔn)水為計算基

9、準(zhǔn) 輸入的功輸入的功5 . 310000 . 2sw14 .571kgJ15714. 0kgkJ放出的熱放出的熱5 . 3698q14 .199kgkJ位能的變化位能的變化1581. 9zg12 .147kgJ11472. 0kgkJ解解化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用可以忽略此過程動能的變化，即可以忽略此過程動能的變化，即0212u根據(jù)穩(wěn)流過程能量平衡式（根據(jù)穩(wěn)流過程能量平衡式（417417），），221uzgwqhs1472. 05714. 04 .19910 .199kgkJ由附表由附表3 3（水蒸汽表）查得（水蒸汽表）查得9595飽和水的焓飽和水的焓1196.397kgkJh故

10、有故有hhh120 .19996.39796.19810 .199kgkJ根據(jù)根據(jù)2h再查附表再查附表3 3，得，得51.472t化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴擴(kuò)壓管節(jié)流閥透平機(jī)壓縮機(jī)混合裝置換熱裝置化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用二、穩(wěn)流過程能量平衡方程式的簡化形式及其應(yīng)用二、穩(wěn)流過程能量平衡方程式的簡化形式及其應(yīng)用1、機(jī)械能平衡方程式（柏努力方程）：機(jī)械能平衡方程式（柏努力方程）：流體：不可壓縮、無粘性理想流體，無熱、無軸功的交換流體：不可壓縮、無粘性理想流體，無熱、無軸功的交換 0q0sw0U化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用pvp

11、vUH不可壓縮流體不可壓縮流體v不變，不變， ppvpvswquzgh221方程方程 變成：變成： 0212pzgu這就是著名的這就是著名的柏努力方程柏努力方程。 適用條件：適用條件：不可壓縮，無粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動不可壓縮，無粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動?；崃W(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用2 2、絕熱穩(wěn)定流動方程式、絕熱穩(wěn)定流動方程式 流體：流體：可壓縮，與外界無熱、無軸功交換可壓縮，與外界無熱、無軸功交換. .0212uh絕熱穩(wěn)定流動方程式絕熱穩(wěn)定流動方程式 、噴管與擴(kuò)壓管噴管與擴(kuò)壓管噴管噴管：流體通過時壓力沿著流動方向降低，而流速加快的部流體通過時壓力沿著流動方向降低，而流速加快的部件稱為噴管

12、。件稱為噴管。 當(dāng)出口流速音速時，可用漸縮噴管：當(dāng)出口流速音速時，可用漸縮噴管： 當(dāng)入口流速音速，當(dāng)出口流速音速時，用當(dāng)入口流速音速，當(dāng)出口流速音速時，用拉法爾噴管拉法爾噴管 ： 亞音速亞音速超音速超音速擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管：在流動方向上流速降低、壓力增大的裝置稱為擴(kuò)壓管。：在流動方向上流速降低、壓力增大的裝置稱為擴(kuò)壓管。 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用噴嘴與擴(kuò)壓管 swqzguh22是否存在軸功?否否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎酝ǔ？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否否0212uh化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 根據(jù)此式可計算流體根據(jù)此式可計算流體終溫、質(zhì)量流速、出口截面積終溫、質(zhì)量流速

13、、出口截面積等，等，因此它是噴管和擴(kuò)壓管的設(shè)計依據(jù)。因此它是噴管和擴(kuò)壓管的設(shè)計依據(jù)。222111VAuVAum質(zhì)量流率質(zhì)量流率、節(jié)流節(jié)流即流體通過閥門或孔板的節(jié)流過程為即流體通過閥門或孔板的節(jié)流過程為等焓等焓流動。流動。節(jié)流節(jié)流膨脹后往往會使流體的膨脹后往往會使流體的溫度下降溫度下降。理想理想氣體通過節(jié)流閥氣體通過節(jié)流閥溫度溫度不變不變.使流體通過閥門或孔板，截面突然縮小，摩擦損失較大。使流體通過閥門或孔板，截面突然縮小，摩擦損失較大。 21, 0hhh化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用swqzguh22節(jié)流閥是否存在軸功?否否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否

14、否動能是否變化?通常可以忽略通?？梢院雎?1, 0hhh化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用3 3、與外界有大量熱、軸功交換的穩(wěn)流過程。與外界有大量熱、軸功交換的穩(wěn)流過程。SWQHswqh或或、有大量熱、無軸功交換，、有大量熱、無軸功交換， 0SWqhQH,無熱交換（絕熱）無熱交換（絕熱） 0QSWHswh或或如：透平機(jī)和壓縮機(jī)如：透平機(jī)和壓縮機(jī)如：換熱設(shè)備如：換熱設(shè)備化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用swqzguh22混合設(shè)備是否存在軸功?否否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎酝ǔ？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否否動能是否變化?否否h=0化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 例例 42

15、42 丙烷氣體在丙烷氣體在2MPa2MPa、400K400K時穩(wěn)流經(jīng)過某節(jié)流裝置后時穩(wěn)流經(jīng)過某節(jié)流裝置后減壓至減壓至0.1MPa0.1MPa。試求丙烷節(jié)流后的溫度與節(jié)流過程的熵變。試求丙烷節(jié)流后的溫度與節(jié)流過程的熵變。對于等焓過程，式（對于等焓過程，式（348348）可寫成）可寫成解解RRPHHTTCH12120化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用已知終壓為已知終壓為0.1MPa，假定此狀態(tài)下丙烷為理想氣體，假定此狀態(tài)下丙烷為理想氣體，即即02RH，由上式可給出，由上式可給出112TCHTpmhR（A）查附表查附表1 1，得丙烷，得丙烷,152. 0,25. 4,8 .369MPaPKTC

16、C由此求出由此求出初態(tài)初態(tài)8 .3694001rT25. 40 . 21rP0817. 14706. 0化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用根據(jù)根據(jù)1rT1rP、之值按圖之值按圖210判斷擬用普遍化第二維里系數(shù)判斷擬用普遍化第二維里系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。由式（進(jìn)行關(guān)聯(lián)。由式（231a）、式（）、式（346）、式（）、式（231b）和）和式（式（347347）可得）可得289. 00B550. 00rdTdB015. 01B480. 01rdTdB用式（用式（344）可得）可得452. 01CRRTH452. 08 .369314. 81RH11390molJ263*10824. 810785.28

17、213. 1/TTRCP化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 現(xiàn)在假設(shè)式現(xiàn)在假設(shè)式A中的中的pmhC值等于初溫值等于初溫400K下的下的pC之值。之值。將將T=400K，11314. 8KmolJR代入上式，則有：代入上式，則有：11*074.94KmolJCpmh由由A式求得式求得400074.9413902T顯然，近似估算結(jié)果，節(jié)流過程溫度變化較小。顯然，近似估算結(jié)果，節(jié)流過程溫度變化較小?，F(xiàn)在，可以用算術(shù)平均溫度求出較為精確的現(xiàn)在，可以用算術(shù)平均溫度求出較為精確的 值，值，*pmhCK6 .39211*734.92KmolJCpmhK2 .38522 .385400amT化工熱力學(xué)第

18、四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用用式用式A重新計算重新計算 ，得：，得：2TKT0 .3852丙烷的熵變可以用式（丙烷的熵變可以用式（349）求得，由于）求得，由于02RS，因而：，因而：RpmsSPPRTTCS11212*lnln因為溫度變化很小因為溫度變化很小 ，可以用，可以用*pmhpmsCC然后用式（然后用式（345）求得）求得 RS1111437. 2KmolJSR于是于是11734.92KmolJ437. 20 . 21 . 0ln314. 84000 .385ln734.92S1180.23KmolJ化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 熵變?yōu)檎?。對于絕熱過程，環(huán)境沒有熵變，因

19、而孤立體系熵變?yōu)檎?。對于絕熱過程，環(huán)境沒有熵變，因而孤立體系熵變也為正值，這表明熵變也為正值，這表明節(jié)流過程是不可逆節(jié)流過程是不可逆的。此例說明，第三章的。此例說明，第三章的普遍化關(guān)聯(lián)法也可以應(yīng)用于節(jié)流過程的計算。的普遍化關(guān)聯(lián)法也可以應(yīng)用于節(jié)流過程的計算?；崃W(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用例例 43 300、4.5 4.5 MPa乙烯氣流在透平機(jī)中絕熱膨脹到乙烯氣流在透平機(jī)中絕熱膨脹到力學(xué)性質(zhì)。力學(xué)性質(zhì)。解解該過程乙烯的焓變和熵變可用式（該過程乙烯的焓變和熵變可用式（348）和式）和式（349）進(jìn)行計算）進(jìn)行計算0.2MPa。試求絕熱、可逆膨脹（即等熵膨脹）過程產(chǎn)出的軸功。試求絕熱、可

20、逆膨脹（即等熵膨脹）過程產(chǎn)出的軸功。（a）用理想氣體方程；（）用理想氣體方程；（b）用普遍化關(guān)聯(lián)法，計算乙烯的熱）用普遍化關(guān)聯(lián)法，計算乙烯的熱化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用RRpmhHHTTCH1212*)(RRpmSSSPPRTTCS121212*lnln式中式中aaMPPMPP2 . 05 . 421，15.2733001TK15.573（a） 假定乙烯是理想氣體，則假定乙烯是理想氣體，則12*TTCHpmh1212*lnlnPPRTTCSpms對于等熵過程，對于等熵過程，0S，后一式變成，后一式變成化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用5 . 42 . 0ln15.573ln

21、1135. 3ln*2RCTpms因而因而3511. 61135. 3exp*2RCTpms（A）根據(jù)附表根據(jù)附表2可查到式（可查到式（334f）中乙烯氣體的有關(guān)數(shù)據(jù)（其）中乙烯氣體的有關(guān)數(shù)據(jù)（其中中D=0），則得），則得lmamlmpmsTCTBTARC*1212*lnlnPPTTRCpms1135. 3化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用424. 1A310394.14B610392. 4C221TTTam1212lnTTTTTlm上述諸式中，僅上述諸式中，僅 為未知數(shù)。用迭代法由式（為未知數(shù)。用迭代法由式（A）和式（）和式（B）2T可先求出可先求出 ，先假定一初值，先假定一初值 ，用

22、式（，用式（B）求出）求出 ，然后，然后2T2TRCpms*代，直至收斂。其結(jié)果為代，直至收斂。其結(jié)果為KT79.3702用式（用式（A）求出）求出 。再將此新的。再將此新的 代入式（代入式（B），如此反復(fù)迭），如此反復(fù)迭2T2T化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用于是于是SSHW等熵）(根據(jù)式（根據(jù)式（334e），），D=0，則，則212*43TTTcBTARCamampmh279.37015.537amT224. 7*RCpmh因而因而15.57379.370314. 8224. 7(等熵）SWSpmhTTC12*K9 .471112154molJ化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)

23、用（b）乙烯為真實氣體）乙烯為真實氣體乙烯的乙烯的KTc4 .282acMPP04. 5085. 0初態(tài)初態(tài)4 .28215.5731rT行關(guān)聯(lián)。由式（行關(guān)聯(lián)。由式（231a）、式（）、式（346）、式（）、式（231b）和式）和式（347），可求得），可求得根據(jù)根據(jù) 、 按圖按圖210判斷，擬用普遍化第二維里系數(shù)法進(jìn)判斷，擬用普遍化第二維里系數(shù)法進(jìn)1rT1rP107. 00rdTdB053. 00B053. 01B018. 01rdTdB893. 0032. 24 .50451rP化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用用式（用式（344）和式（）和式（347）可求得）可求得234. 01c

24、RRTH097. 01RSR4 .282314. 8234. 01RH314. 8097. 01RS為了初步估算為了初步估算 ，先假定，先假定RS2KT79.3702，此值為（，此值為（a）計算）計算的結(jié)果，于是可求出的結(jié)果，于是可求出 和和 1rT1rP4 .28279.3701rT04. 52 . 01rP由式（由式（346）和式（）和式（347）求得）求得1550molJ11806. 0KmolJ313. 1040. 0化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用332. 00rdTdB175. 01rdTdB再由式（再由式（345）求得）求得112115. 0KmolJSR倘若膨脹過程是等

25、熵的，則有式（倘若膨脹過程是等熵的，則有式（349）給出）給出806. 0115. 05 . 42 . 0ln314. 815.573ln02*TCpms由此式可得由此式可得*2577.2615.573lnpmsCT化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用或或3511. 6577.26exp*2pmsCT與（與（a）法相同，用迭代法求出）法相同，用迭代法求出 ，其結(jié)果為，其結(jié)果為2TKT79.3652為了重新求出為了重新求出 ，要使用下述數(shù)據(jù)，要使用下述數(shù)據(jù)RS2295. 12rT040. 02rP345. 00rdTdB188. 01rdTdB112120. 0KmolJSR化工熱力學(xué)第四章

26、 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用此此 與原先估算值相差甚小，不必重新求與原先估算值相差甚小，不必重新求 ?，F(xiàn)在我們可。現(xiàn)在我們可RS22T由上述結(jié)果求得由上述結(jié)果求得 ，因為，因為RH2196. 00B081. 01B故由式（故由式（344）可求出）可求出1262molJHR然后用式（然后用式（348）可求得）可求得5506215.57379.365*pmhSCH*pmhC的求法同（的求法同（a），但此處），但此處KTam47.469。最后我們得到。最后我們得到11*842.59KmolJCpmh111920molJHS1(11920molJHWSS 等熵）化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用三、

27、軸功三、軸功1、可逆軸功可逆軸功 的計算的計算： RSW、絕熱可逆過程：、絕熱可逆過程： HWRS、對于靜止的或流動的封閉體系、對于靜止的或流動的封閉體系單位質(zhì)量流體：單位質(zhì)量流體： vdpqvdpTdsdh可逆化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 當(dāng)流體經(jīng)產(chǎn)功或耗功裝置時，可忽略動位能變化，則通用當(dāng)流體經(jīng)產(chǎn)功或耗功裝置時，可忽略動位能變化，則通用能量平衡方程寫成：能量平衡方程寫成：vdPqwqRRsR)(可逆過程可逆過程: )()RsRwqh（21)(PPRsvdPw或或 2121)(PPppRSVdPvdPmW用于液體時用于液體時: 不可壓縮流體不可壓縮流體V=常數(shù)常數(shù) 化工熱力學(xué)第四

28、章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用PvwRs)(PVWRS)(2、實際軸功的計算：、實際軸功的計算：產(chǎn)功設(shè)備（透平）：產(chǎn)功設(shè)備（透平）： )(RSSWW實1)(RSSmWW（實） 的大小與機(jī)器制作水平有關(guān)。的大小與機(jī)器制作水平有關(guān)。 耗功設(shè)備：耗功設(shè)備： )(RSSWW實1)(（實）SRSmWW化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用例例 44 某化工廠用蒸汽透平帶動事故泵，動力裝置流程如某化工廠用蒸汽透平帶動事故泵，動力裝置流程如圖所示圖所示.水給水泵的水給水泵的壓力為壓力為0.09807MPa（絕）（絕），溫度溫度15。水被。水被加壓到加壓到0.687MPa（絕）（絕）后進(jìn)入鍋爐，將水加熱成飽和蒸

29、汽。蒸后進(jìn)入鍋爐，將水加熱成飽和蒸汽。蒸汽由鍋爐進(jìn)入透平，并在透平中進(jìn)行膨脹作功。排出的蒸汽（汽由鍋爐進(jìn)入透平，并在透平中進(jìn)行膨脹作功。排出的蒸汽（稱乏汽）稱乏汽）壓力為壓力為0.09807MPa。蒸汽透平輸出的功主要用于帶動。蒸汽透平輸出的功主要用于帶動事故泵，有一小部分用于帶動給水泵。若透平機(jī)和給水泵都是絕事故泵，有一小部分用于帶動給水泵。若透平機(jī)和給水泵都是絕熱、可逆操作的，熱、可逆操作的，問有百分之幾的熱能轉(zhuǎn)化為功（即用于事故泵問有百分之幾的熱能轉(zhuǎn)化為功（即用于事故泵的功）？的功）？解解計算基準(zhǔn)取計算基準(zhǔn)取1kg水。水。給水泵軸功可用式（給水泵軸功可用式（427）進(jìn)行計算）進(jìn)行計算化工

30、熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用PvwRS)(查附表查附表3（水蒸汽表）可知（水蒸汽表）可知15水的飽和蒸汽壓為水的飽和蒸汽壓為1.7051KPa1.7051KPa、比容為比容為13001. 0kgm。因此。因此鍋爐鍋爐透透平平Ws（泵）驅(qū)動水泵需用功（泵）驅(qū)動水泵需用功1給水給水a(chǎn)MPP09807. 01t=15泵泵aMPP678. 02234aMPP678. 03飽和蒸汽飽和蒸汽aMPP09807. 04廢蒸汽（乏汽）廢蒸汽（乏汽）TurSW.化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用12hhh倘若知道進(jìn)入水泵時水的焓倘若知道進(jìn)入水泵時水的焓 ，則可從上式求出，則可從上式求出 ，即進(jìn)入鍋

31、，即進(jìn)入鍋1h2h爐的液體水的焓。爐的液體水的焓。15飽和水的焓飽和水的焓 可以從水蒸汽表中查到可以從水蒸汽表中查到飽和水h199.62kgkJh飽和水1h飽和水h與與的關(guān)系為的關(guān)系為1h101PPTdPPhhh飽和水（A）式中式中aakPPkPP01.98,705. 110根據(jù)式（根據(jù)式（39），有），有1589. 0kgkJvdpwS)(泵化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用pTTvTvPh用用PVT數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計算表明，式（數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計算表明，式（A）右邊積分項之值很小，）右邊積分項之值很小，可以忽略。因此可以忽略。因此飽和水hh 15890. 099.622h鍋爐出口為鍋爐出口為

32、687kPa的飽和蒸汽，的飽和蒸汽， 從水蒸氣表中查得從水蒸氣表中查得199.62kgkJ158.63kgkJ132763kgkJh11370. 6KkgkJS化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用可根據(jù)式（可根據(jù)式（423）對鍋爐進(jìn)行能量衡算）對鍋爐進(jìn)行能量衡算swqh0sw12699kgkJ每每kg水通過鍋爐吸熱水通過鍋爐吸熱2699kJ。按題意透平機(jī)是在絕熱、可逆條件下操作的，因此是等熵過程，按題意透平機(jī)是在絕熱、可逆條件下操作的，因此是等熵過程，34SS 已知已知aMPP09807. 04，根據(jù)，根據(jù) 和和 之值從水蒸氣的焓熵圖之值從水蒸氣的焓熵圖4S4P（Mollier圖）可查得圖

33、）可查得142425kgkJh1170. 6KkgkJhq23hh 58.632763化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用根據(jù)式（根據(jù)式（3423）對透平機(jī)進(jìn)行能量衡算）對透平機(jī)進(jìn)行能量衡算TurSwqh.0qhwTurS.其中有一部分軸功用于水泵，因而提供給事故泵的軸功為其中有一部分軸功用于水泵，因而提供給事故泵的軸功為5890. 0338SwSw與與q之比，稱熱效率之比，稱熱效率 ，T由此可見，只有由此可見，只有12.5%的熱轉(zhuǎn)化為功，此功用于事故泵。的熱轉(zhuǎn)化為功，此功用于事故泵。%5 .12qwST26994 .3371250. 014 .337kgkJ1338kgkJ43hh 24

34、252763化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用四、熱量衡算四、熱量衡算無軸功交換，只有熱交換過程的能量衡算稱為無軸功交換，只有熱交換過程的能量衡算稱為熱衡算熱衡算 穩(wěn)流過程的熱量衡算的基本關(guān)系式：穩(wěn)流過程的熱量衡算的基本關(guān)系式： qh J/kg QH 熱量衡算時應(yīng)將生產(chǎn)過程中各種可能熱效應(yīng)考慮進(jìn)去。熱量衡算時應(yīng)將生產(chǎn)過程中各種可能熱效應(yīng)考慮進(jìn)去。生產(chǎn)中的四種熱效應(yīng)：生產(chǎn)中的四種熱效應(yīng)： 顯熱顯熱物流的溫度變化物流的溫度變化 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 潛熱潛熱物流的相變化物流的相變化 混合或溶解熱效應(yīng)混合或溶解熱效應(yīng)多股物流混合和溶解等多股物流混合和溶解等 反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)熱

35、效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量衡算方法：（熱量衡算方法：（四個選擇四個選擇 ） 選擇控制體（體系）選擇控制體（體系） 選擇物流量（物料基準(zhǔn)）選擇物流量（物料基準(zhǔn)） 選擇基準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)溫度）選擇基準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)溫度） 選擇初始態(tài)選擇初始態(tài) （設(shè)計途徑） 1)單位質(zhì)量單位質(zhì)量(1000kg)、單位體積、單位體積(Nm3)、單位摩爾數(shù)、單位摩爾數(shù)(1mol或或1kmol）的產(chǎn)品或原料為基準(zhǔn)。的產(chǎn)品或原料為基準(zhǔn)。2）單位時間的產(chǎn)品或原料為基準(zhǔn)。）單位時間的產(chǎn)品或原料為基準(zhǔn)。kghh-1-1, , m3hh-1-1,kmolh,kmolh-1-1化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 例1 某換熱器使

36、熱流體A從TA1降到TA2 ，冷流體B從TB1 升到TB2，過程無相變和化學(xué)反應(yīng)，壓力也不變。熱流體和冷流體的流量各為mA和mB，平均等壓熱容為CAPmh 、CBPmh，求此換熱器的熱損失。 ATA1BTA2TB1TB2QL化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 例2 合成氨系統(tǒng)的氨合成塔出口氣體稱循環(huán)氣，要讓其中的氨分離出來，需要對循環(huán)氣進(jìn)行冷凝，采用氨冷凝器完成此過程。循環(huán)氣從蛇管內(nèi)通過，其流量為mG，溫度從TG1 降到TG2,；蛇管外液氨汽化，其流量為mA，溫度從TA1 升到TA2。由于液氨汽化的溫度低于大氣溫度，因此大氣有熱量QL泄入氨冷凝器。求QL。循環(huán)氣入口TG1循環(huán)氣出口TG2

37、液氨TA1氣氨TA2QL化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第一節(jié)4-4 氣體壓縮過程氣體壓縮過程常用于壓縮氣體的機(jī)械有：常用于壓縮氣體的機(jī)械有：（終壓（終壓0.3 aMP，壓縮比，壓縮比4） 壓縮機(jī)壓縮機(jī) 鼓風(fēng)機(jī)（終壓鼓風(fēng)機(jī)（終壓0.0150.3aMP， 壓縮比壓縮比4） 通風(fēng)機(jī)（終壓通風(fēng)機(jī)（終壓0.015aMP（表壓）（表壓） 按運動機(jī)構(gòu)，壓縮機(jī)分按運動機(jī)構(gòu)，壓縮機(jī)分往復(fù)式往復(fù)式葉輪式葉輪式化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用一、壓縮過程熱力學(xué)分析一、壓縮過程熱力學(xué)分析 理想壓縮過程：理想壓縮過程： 整個過程均為可逆，不存在任何摩擦整個過程均為可逆，不存在任何摩擦損耗，輸入的功完全

38、用于壓縮氣體。損耗，輸入的功完全用于壓縮氣體。 往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過程示意圖：往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過程示意圖： 排氣活門排氣活門吸氣活門吸氣活門沖程沖程活塞活塞沖程：沖程：活塞從一端到另一端的行程距離稱為沖程或行程活塞從一端到另一端的行程距離稱為沖程或行程 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用Pv2P1P6512c2a2b31 1、恒溫壓縮過程：、恒溫壓縮過程： )(SWQ 2、絕熱壓縮過程：、絕熱壓縮過程：常數(shù)KPV3、多變壓縮過程：、多變壓縮過程：常數(shù)mPV圖圖 410 往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過程示意圖往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過程示意圖（1MK)化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用就功的絕對值而言：就

39、功的絕對值而言：等溫過程壓縮功最小，絕熱壓縮功最大，等溫過程壓縮功最小，絕熱壓縮功最大， 多變過程居中（多變過程居中（1MK)二、單級壓縮機(jī)可逆軸功的計算：二、單級壓縮機(jī)可逆軸功的計算：1、等溫壓縮等溫壓縮理想氣體：理想氣體： QWHRS)(, 0QWRS)(2、絕熱過程：絕熱過程：21PPVdP211PPdPPnRT121lnPPnRT化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用0Q )(RSWH 12*TTnCHPKKPPTT1121211121*TPPTnCHKKP11121*KKVPPPPnRTCCC11121*KKPPPRRTnC化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用KCCVP1111

40、21KKPPnRTKKH1111211KKPPVPKK111121)(KKRSPPnRTKKW1111211KKPPVPKK化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用理想氣體的理想氣體的K 可?。嚎扇。?單單原子氣體：原子氣體：K =1.667雙雙原子氣體：原子氣體：K=1.40三三原子氣體：原子氣體：K=1.333混合氣體的絕熱指數(shù)混合氣體的絕熱指數(shù)mK可按下式計算：可按下式計算： iiimKyK111iK混合氣體中某組分的絕熱指數(shù)混合氣體中某組分的絕熱指數(shù)iy混合氣體中某組分的摩爾數(shù)混合氣體中某組分的摩爾數(shù)化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用由公式可知：由公式可知： 氣體壓縮過程所耗的理

41、論軸功決定于始溫下氣體壓縮過程所耗的理論軸功決定于始溫下絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)K和壓縮比。和壓縮比。3、多變過程：多變過程：1111211)(mmRSPPVPmmW111121mmPPnRTmm化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用4、真實氣體壓縮功的計算：真實氣體壓縮功的計算：、當(dāng)當(dāng)Z變化不大時：變化不大時：若壓縮機(jī)進(jìn)出口若壓縮機(jī)進(jìn)出口Z 變化不大，可取平均值：變化不大，可取平均值：2出進(jìn)ZZZm，然后將其看成常數(shù)。，然后將其看成常數(shù)。 等溫壓縮：等溫壓縮： 121)(lnPPnRTZWmRS化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用 絕熱壓縮：絕熱壓縮： 111121)(KKmRSPPnRTZK

42、KW 多變壓縮：多變壓縮： 111121)(mmmRSPPnRTZmmW、易液化氣體易液化氣體 絕熱過程：絕熱過程： HWRS)(QHWRS)( 多變過程：多變過程： 化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用例例 48 設(shè)空氣的設(shè)空氣的初態(tài)壓力為初態(tài)壓力為0.10814MPa，溫度為溫度為15.6，今，今將將1kg空氣壓縮至空氣壓縮至aMPP8424. 12（絕壓）。（絕壓）。試比較可逆等溫、絕試比較可逆等溫、絕熱和多變壓縮過程（熱和多變壓縮過程（m=1.25）的功耗和終點溫度。）的功耗和終點溫度。解解空氣在壓力較低時可視為理想氣體?？諝庠趬毫^低時可視為理想氣體。（a）等溫壓縮。）等溫壓縮。

43、12)(lnPPTRwRS16 .234kgkJ式中式中。129,kmolkgMMRRairair（b）絕熱壓縮。）絕熱壓縮。10814. 08424. 1ln6 .1527329314. 8從表從表431431查得查得K=1.4K=1.4，根據(jù)式（，根據(jù)式（440a440a），有），有根據(jù)式（根據(jù)式（439），有），有化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用110814. 08424. 16 .1527329314. 814 . 14 . 114 . 14 . 1)(RSw17631. 16 .2882867. 04 . 04 . 1144.361kgkJ（c）多變壓縮。）多變壓縮。1108

44、14. 08424. 16 .2882867. 0125. 125. 114 . 14 . 1)(RSw17631. 16 .2882867. 025. 025. 117 .315kgkJ根據(jù)式（根據(jù)式（442a），有），有化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用壓縮過程終點的溫度為壓縮過程終點的溫度為絕熱壓縮：絕熱壓縮：KKPPTT11212C79.375多變壓縮：多變壓縮：mmPPTT11212K83.508計算結(jié)果列表如下：計算結(jié)果列表如下：4 . 114 . 110814. 08424. 16 .288K79.64825. 1125. 110814. 08424. 16 .288C83

45、.235化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用壓縮過程壓縮過程終溫，終溫，Ct功耗，功耗，)(1)(kgkJwRS等溫等溫多變多變15.6235.83234.6315.7375.79361.44絕熱絕熱 從表中數(shù)據(jù)可見，從表中數(shù)據(jù)可見，在在1mK的條件下，當(dāng)壓縮比一定時，等溫的條件下，當(dāng)壓縮比一定時，等溫壓縮功最小，終溫最低；絕熱壓縮功最大，終溫最高；多變壓縮壓縮功最小，終溫最低；絕熱壓縮功最大，終溫最高；多變壓縮功和終溫介于兩者之間。功和終溫介于兩者之間?；崃W(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用三、多級壓縮功的計算三、多級壓縮功的計算 多級壓縮可用適宜的壓縮比，并且各級都設(shè)有中間多級壓縮可用適宜的壓縮比，并且各級都設(shè)有中間冷凝器，使之更趨近于冷凝器，使之更趨近于等溫壓縮等溫壓縮。 多級壓縮所消耗的總功，應(yīng)為各級壓縮所消耗功多級壓縮所消耗的總功，應(yīng)為各級壓縮所消耗功的代數(shù)和，因此可的代數(shù)和，因此可減少總的功耗減少總的功耗。 氣體的壓縮，通常都是采用分級壓縮。氣體的壓縮，通常都是采用分級壓縮。 下圖為多級壓縮過程示例：下圖為多級壓縮過程示例：化工熱力學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用1T1T1T2P3P6 6多多 級級 壓壓 縮縮 示示 意意 圖圖1、汽缸、汽缸5、中間冷