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内容概要热力学第一定律——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100%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间可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喷管与喷射器的热力学基础6.1敞开系统的热力学第一定律6.1.1封闭系统的能

2、量平衡通常规定：系统吸热，Q为正值；系统放热，Q为负值系统对外作功，W为正值；外界对系统作功，W为负值6.1.2敞开系统的能量平衡δW´zjδQziUi,δmiUj,δmj没有化学反应质量平衡系统累积质量能量守恒定律——衡算方程进入系统能量-离开系统能量=系统累积能量实际大多数设备都有物质不断进入和流出，为敞开系统。e:单位质量流体中的能量W':包括流动功和轴功对稳定流动过程：定义：则：{因为体积不变，所以膨胀功为零6.2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Bernoul

3、li's方程考虑摩擦时，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应用实例：喷管(喷嘴)、扩压管对节流过程：流体流速无明显变化节流过程为等焓过程单位质量流体：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，热量相比很小对蒸发，冷却等换热过程，不存在轴功,则有应用实例：气体的压缩、膨胀、换热器、吸收、解吸等。例6.1某厂用功率为2.4的泵将90℃水从贮水罐压到换热器，水流量为3.2。在换热器中以720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。解：以1k

4、g水为计算基准，由题意，忽略动能的影响由此可推出℃6.2.2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6.3轴功的计算6.3.1可逆轴功无任何摩擦损失的轴功产功过程，可逆轴功为最大功；耗功过程，可逆轴功为最小功。产功设备耗功设备6.3.2气体压缩及膨胀过程热力学分析气体的压缩过程低压高压压缩机、鼓风机膨胀机、节流理想气体等温压缩过程特点：理想气体的绝热压缩过程特征：理想气体非等温非绝热压缩过程特征：真实气体单级压缩可逆轴功的计算压缩

5、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)水的比容为由此可求出可逆轴功为实际功耗6.3.3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(p1>p2)的现象。绝热节流节流过程中流体与外界没有热量交换Joule－Thomson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6.3.4等熵膨胀高压气体在

6、膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作功，若过程可逆，则为等熵膨胀等熵效应：等熵时压力变化引起的温度变化任何气体，任何条件下进行等熵膨胀，温度总是下降！6.3.5膨胀过程中的温度效应为了获得较大的温度降，常采用较大的压力降节流效应根据节流前状态找出点1，沿等焓线到达节流后状态点2，对应的温度即为节流后温度T2等温节流效应：节流后的气体等压从其它系统吸收热量，本身回到节流前的温度，吸收的热量为节流膨胀的制冷量积分等熵效应：气体作等熵膨胀时，压力降较大引起的温度变化同样可以通过温熵图直接从图上查出等熵膨胀制冷量：节流膨胀制冷量膨胀功等熵效率：6.4喷管的热力学基础6.4

7、.1喷管流动的基本特征喷管：利用气体压降使气流加速的管道特征：忽略热量交换，稳定流动，等熵过程，无轴功交换对等熵流动压力降低，气体流速增加等熵流动中流速与比体积的变化关系为：马赫数(Machnumber)6.4.2气体的流速与临界速度从气体流速看：适用于所有可逆和不可逆过程理想气体，若恒压摩尔热容一定气体稳定等熵流动流速取决于出口截面的压力比临界流速：气流速度等于声速，气流从亚声速向超声速过渡临界压力比理想气等熵流动体的临界压力比：由理想气体等熵过程状态方程pc/p0单原子气体1.670.487双原子气体1.400.528多原子气体1.300.546例6.4

8、有一储气罐，其中空气的压力为016MPa，温度为17