化工热力学课件第6章-热力学第一定律及其工程应用

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1、第6章热力学第一定律及其工程应用©引言机械能热能电能1.能量具有各种不同的形式化学能核能等各种不同形式的能量相互转化热能机械能2.热力学第一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做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©本章主要内容6.1敞开系统的热力学第一定律6.2稳定流动过程与可逆过程6.3轴功的计算6.4喷管的热力学基础6.5喷射器6.1敞开系统的热力学第一定律6.1.1封闭系统的能量平衡ΔU=Q−WdUQW=−δδ通常规定：系统吸热，Q为正值；系统放热，Q为负值系统对外

2、做功，W为正值；外界对系统做功，W为负值6.1.2敞开系统的能量平衡实际大多数设备都有物质不断进入和流出，为敞开系统。δWe,dm没有化学反应jje,dmiidE/dtZjZδQ质量平衡idm∑∑mmij−=dt系统累计质量能量守恒定律进入系统能量＝离开系统能量＋系统累计能量δδQWEd∑∑meii−+mejj−=dddttt12e:单位质量流体中的能量e=U+gz+u2W:包括流动功和轴功WWW=+fSδWf=−∑∑mpViiimpVjjjdt⎛⎞11⎛⎞δδQWEd∑∑mHgziii⎜⎟++−uimHgzjj⎜⎟+++−=juj⎝⎠22⎝⎠dtttdd对稳定流动过程Δ+Δ+Δ=−H

3、EEQWpkS6.2稳定流动过程与可逆过程6.2.1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ΔpQW=0;=Δ=Δ=0;U0;HSρΔp12+gZΔ+Δ=u0Bernoulli's方程ρ2考虑摩擦时，12δFp+Δ+Δ+/0ρugZΔ=2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QWg=0,=Δ=0,Z0S12Δh+Δu=02应用实例：喷管扩压管对节流过程：流体流速无明显变化ΔH=0节流过程为等焓过程与环境间有大量热，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2Δu=0,gΔZ=0ΔHQW=−S对

4、蒸发，冷却等换热过程，轴功不存在ΔH=Q应用实例：气体的压缩、膨胀、换热器、吸收解析等。例6.1某厂用功率为2.4kW的泵将90℃水从贮水罐压到换热器，水−1−1流量为3.2kgs⋅。在换热器中以720kJs⋅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−11a−。c=⋅4.184kJkg⋅Cp解：t=?2−1Q=720kJs⋅−=W2.4kWSat=90C1−1u=kg⋅h1以1kg水为计算基准，由题意，忽略动能的影响ΔEk=0-1-1Δ=Δ=×−=Egz9.81(200)196.2(Jkg)=0.1962kJkg⋅

5、⋅pΔ=Hctt(−=)4.184(×−=tt)4.184t−376.6p21212−720-12.4-1Q=⋅=-225(kJkg)−=WS=0.750(kJk⋅g)3.23.2由此可推出4.184t−=376.6−+−2250.750.19622t=36.4℃26.2.2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飞轮汽缸活塞可逆过程：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6.3.1可逆轴功无任何摩擦损失的轴功p2Δ=+HQ∫Vpdp1p2−WV=+dpΔE+ΔES(R)∫kpp1p2−=WVdpS(

6、R)∫p1产功过程，可逆轴功为最大功；耗功过程，可逆轴功为最小功。WWS(R)产功S耗功η=ηs=s设备WS(R)设备WS6.3.2气体压缩及膨胀过程热力学分析气体的压缩过程压缩机、鼓风机低压高压膨胀机、节流•理想气体等温压缩过程特点：T1TmTKΔH===0,WQp,VRTSpWQ2RTp==dSR()∫p(p)1T1⎛⎞p2=RTln⎜⎟1p⎝⎠1c•理想气体的绝热压缩过程kk==p,/57///4c323V特征：QWH=−=Δ0,,pVRk=TS⎡k−1⎤p2kp−1⎢⎛⎞2k⎥−WV==d1pRT⎜⎟−S(R)∫p1⎢⎥1kp⎢⎝⎠1⎥⎣⎦•理想气体非等温非绝热压缩过程1

7、km特征：ΔH=Q−WS,pV=RT⎡m−1⎤mp−1⎢⎛⎞m⎥2−=WRT⎜⎟−1S(R)mp1⎢⎥⎢⎝⎠1⎥⎣⎦•真实气体单级压缩可逆轴功的计算压缩因子系数Z与上述三种压缩过程结果相乘即可例题6.3将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵送到压力为0.588MPa(绝)的锅炉中，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−33-