1、第6章 熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用,內(nèi)容概要,熱力學(xué)第一定律能量守恒定律,能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能在一定條件下從一種形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。轉(zhuǎn)換中，能量的總量保持不變。,不消耗任何能量而不斷作功的第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是造不成的。,熱機(jī)的熱效率不可能大于100%,能量具有各種不同的形式,機(jī)械能、熱能、電能、 化學(xué)能、核能等,各種不同形式的能量間可相互轉(zhuǎn)化,熱能,機(jī)械能,重點(diǎn)內(nèi)容：,敞開(kāi)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律,穩(wěn)定流動(dòng)與可逆過(guò)程,可逆軸功與實(shí)際軸功的計(jì)算,氣體壓縮及膨脹過(guò)程熱力學(xué)分析,節(jié)流與等熵膨脹過(guò)程中的溫度效應(yīng),噴管與噴射器的熱力學(xué)基礎(chǔ),6.1 敞開(kāi)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律,6.1.1 封閉系

2、統(tǒng)的能量平衡,通常規(guī)定：,系統(tǒng)吸熱，Q為正值；系統(tǒng)放熱，Q為負(fù)值,系統(tǒng)對(duì)外作功，W為正值；外界對(duì)系統(tǒng)作功，W為負(fù)值,6.1.2 敞開(kāi)系統(tǒng)的能量平衡,W ,zj,Q,zi,Ui, mi,Uj, mj,沒(méi)有化學(xué)反應(yīng),質(zhì)量平衡,系統(tǒng)累積質(zhì)量,能量守恒定律衡算方程,進(jìn)入系統(tǒng)能量-離開(kāi)系統(tǒng)能量=系統(tǒng)累積能量,實(shí)際大多數(shù)設(shè)備都有物質(zhì)不斷進(jìn)入和流出，為敞開(kāi)系統(tǒng)。,e: 單位質(zhì)量流體中的能量,W: 包括流動(dòng)功和軸功,對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程：,定義：,則：,因?yàn)轶w積不變，所以膨脹功為零,6.2 穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程與可逆過(guò)程,6.2.1穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,機(jī)械能平衡方程,特征：,與環(huán)境無(wú)熱，無(wú)軸功交換，不可壓縮流體，非黏性理想流體穩(wěn)

3、定流動(dòng),Bernoullis方程,考慮摩擦?xí)r，,絕熱穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,特征：,與環(huán)境間無(wú)熱，軸功交換可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,應(yīng)用實(shí)例：,噴管(噴嘴)、擴(kuò)壓管,對(duì)節(jié)流過(guò)程：,流體流速無(wú)明顯變化,節(jié)流過(guò)程為等焓過(guò)程,單位質(zhì)量流體：,與環(huán)境間有大量熱，功交換的過(guò)程,特征：,系統(tǒng)的動(dòng)能、位能變化與功，熱量相比很小,對(duì)蒸發(fā)，冷卻等換熱過(guò)程，不存在軸功,則有,應(yīng)用實(shí)例：,氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收、解吸等。,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(shè)水的

4、比恒壓熱容 。,解：,以1kg水為計(jì)算基準(zhǔn)，由題意，忽略動(dòng)能的影響,由此可推出,6.2.2 可逆過(guò)程,耗散效應(yīng)：,可用功由于摩擦阻力等造成功轉(zhuǎn)變 為熱的現(xiàn)象,汽缸,活塞,飛輪,可逆過(guò)程：,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行正、反兩個(gè)方向后，系統(tǒng)與外界環(huán)境均能完全回復(fù)到其初始狀態(tài)，這樣的過(guò)程稱(chēng)為可逆過(guò)程,6.3 軸功的計(jì)算,6.3.1 可逆軸功,無(wú)任何摩擦損失的軸功,產(chǎn)功過(guò)程，可逆軸功為最大功；耗功過(guò)程，可逆軸功為最小功。,產(chǎn)功設(shè)備,耗功設(shè)備,6.3.2 氣體壓縮及膨脹過(guò)程熱力學(xué)分析,氣體的壓縮過(guò)程,低壓,高壓,壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī),膨脹機(jī)、節(jié)流,理想氣體等溫壓縮過(guò)程,特點(diǎn)：,理想氣體的絕熱壓縮過(guò)程,特征：,理想氣體非等溫非

5、絕熱壓縮過(guò)程,特征：,真實(shí)氣體單級(jí)壓縮可逆軸功的計(jì)算,壓縮因子系數(shù)Z,與上述三種壓縮過(guò)程結(jié)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(wèn)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(shí)際耗功為多少?,解：,查附錄3水蒸汽表298K、0.09807MPa(絕)水的比容為,由此可求出可逆軸功為,實(shí)際功耗,6.3.3 節(jié)流膨脹,節(jié)流：,指流體在管道中流過(guò)閥門(mén)、孔板等設(shè)備時(shí)，壓力降低(p1p2)的現(xiàn)象。,絕熱節(jié)流,節(jié)流過(guò)程中流體與外界沒(méi)有熱量交換,JouleThomson效應(yīng),理想氣體節(jié)流前后溫度不變,實(shí)際氣體節(jié)

6、流前后溫度有三種變化可能,6.3.4 等熵膨脹,高壓氣體在膨脹機(jī)中作絕熱膨脹，同時(shí)對(duì)外作功，若過(guò)程可逆，則為等熵膨脹,等熵效應(yīng)：,等熵時(shí)壓力變化引起的溫度變化,任何氣體，任何條件下進(jìn)行等熵膨脹，溫度總是下降！,6.3.5 膨脹過(guò)程中的溫度效應(yīng),為了獲得較大的溫度降，常采用較大的壓力降,節(jié)流效應(yīng),根據(jù)節(jié)流前狀態(tài)找出點(diǎn)1，沿等焓線到達(dá)節(jié)流后狀態(tài)點(diǎn)2，對(duì)應(yīng)的溫度即為節(jié)流后溫度T2,等溫節(jié)流效應(yīng)：,節(jié)流后的氣體等壓從其它系統(tǒng)吸收熱量，本身回到節(jié)流前的溫度，吸收的熱量為節(jié)流膨脹的制冷量,積分等熵效應(yīng)：,氣體作等熵膨脹時(shí)，壓力降較大引起的溫度變化,同樣可以通過(guò)溫熵圖直接從圖上查出,等熵膨脹制冷量：,節(jié)流膨

7、脹制冷量,膨脹功,等熵效率：,6.4 噴管的熱力學(xué)基礎(chǔ),6.4.1 噴管流動(dòng)的基本特征,噴管：,利用氣體壓降使氣流加速的管道,特征：,忽略熱量交換，穩(wěn)定流動(dòng)，等熵過(guò)程，無(wú)軸功交換,對(duì)等熵流動(dòng),壓力降低，氣體流速增加,等熵流動(dòng)中流速與比體積的變化關(guān)系為：,馬赫數(shù)(Mach number),6.4.2 氣體的流速與臨界速度,從氣體流速看：,適用于所有可逆和不可逆過(guò)程,理想氣體，若恒壓摩爾熱容一定,氣體穩(wěn)定等熵流動(dòng),流速取決于出口截面的壓力比,臨界流速：,氣流速度等于聲速，氣流從亞聲速向超聲速過(guò)渡,臨界壓力比,理想氣等熵流動(dòng)體的臨界壓力比：,由理想氣體等熵過(guò)程狀態(tài)方程,例6.4 有一儲(chǔ)氣罐，其中空氣

8、的壓力為016MPa，溫度為17?，F(xiàn)利用罐中空氣經(jīng)噴管?chē)娚蕉a(chǎn)生高速空氣流，若環(huán)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(shù),解：,設(shè)出口空氣壓力等于大氣壓，對(duì)雙原子氣體,可知出口截面壓力大于臨界壓力，采用漸縮形噴管,噴管出口溫度,6.5 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(jìn)入擴(kuò)壓管，速度能又變成壓力能，為有效真空發(fā)生裝置。,高壓噴管,略有收縮第二種流體進(jìn)口,混合段,擴(kuò)壓管,用能分析：,膨脹過(guò)程中機(jī)械能損失,混合過(guò)程在機(jī)械能的損失,總的機(jī)械能損失膨脹和混合過(guò)程能量損失之和 ,截面3處膨脹后混合流體中驅(qū)動(dòng)流體的焓值為,通過(guò)擴(kuò)壓管混合流體的質(zhì)量流速為,取壓縮效率為,不考慮流出流體的動(dòng)能，擴(kuò)壓管中混合流體的焓值的增加等于驅(qū)動(dòng)流體在噴管和混合段內(nèi)焓的損失，故,可得高壓流體與可壓縮低壓流體的量,不考慮進(jìn)出口的動(dòng)能，噴射器的能量衡算：,例6.6 在一蒸汽噴射器中，驅(qū)動(dòng)蒸汽為785kPa的飽和蒸汽，被引射流體的飽和蒸汽為0.28kPa，兩種