工程熱力學(xué)焓.ppt

2-4 焓（enthalpy）,隨物質(zhì)傳遞的能量包括,流動工質(zhì)本身具有的能量,推動功,焓的定義,定義：H = U + pV h = u + pv 單位： J（kJ） J/kg（kJ/kg） 焓的物理意義： 系統(tǒng)因引進(jìn)(或排出)工質(zhì)而獲得(輸出)的總能量。,焓是狀態(tài)參數(shù),工質(zhì)的焓和熱力學(xué)能一樣，無法測定其絕對值。在熱工計(jì)算中關(guān)心的是兩個狀態(tài)間焓的變化，因此，可選取某一狀態(tài)的焓值為零作為計(jì)算基準(zhǔn)。,滿足狀態(tài)參數(shù)的一切特征。,H = U + pV h = u + pv,h = f (p，v),2-5熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式,1.普遍方程 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲存能的變化,適用于任何系統(tǒng)、任何過程,2. 閉口系統(tǒng)的能量方程式,工質(zhì)從外界吸收熱量Q；從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2；對外界作膨脹功W。,進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲存能的變化,第一定律解析式,適用于閉口系任何過程。,討論：,對于準(zhǔn)靜態(tài)過程，,Tds = du + pdv, Tds = u + pdv,對于循環(huán)，,對于可逆過程，,符號規(guī)定：,系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱Q為負(fù)； 系統(tǒng)對外作功W為正，反之為負(fù)； 系統(tǒng)熱力學(xué)能增大U為正，反之為負(fù)。,如圖，B室為真空，抽去隔板。求過程的U,解：,取氣體為熱力系統(tǒng)，由熱力學(xué)第一定律解析式：,所以：,例2-1,如圖，一定量的氣體在汽缸內(nèi)體積由0.9m3可逆 地膨脹到1.4m3，過程中氣體壓力保持定值，且 p = 0.2MPa。若在此過程中氣體熱力學(xué)能增加 12000J，求：,（1）過程中氣體吸入或放出的熱量； （2）如果活塞質(zhì)量為20kg，且初始時活塞靜止， 求終態(tài)時活塞的速度。 已知環(huán)境壓力p0 = 0.1MPa。,解：,（1）取汽缸內(nèi)的氣體為熱力系，為一閉口系，其能量方程為：,由題意有：,由于過程可逆，且過程中壓力保持恒定，所以有：,所以：,因此，過程中氣體自外界吸熱112000J。,（2）氣體對外界作功，一部分用于排斥活塞背面的大氣作功Wr ，另一部分轉(zhuǎn)變成活塞的動能增加，為 Wu （有用功）。,由有用功的表達(dá)式有：,因?yàn)?所以,例2-2,如圖，氣缸內(nèi)充以空氣，活塞及負(fù)載195kg，缸壁充分導(dǎo)熱，取走100kg負(fù)載，待平衡后，求：,（1）活塞上升的高度H;,（2）氣體在過程中作的功，已知,解：,取缸內(nèi)氣體為閉口系,首先計(jì)算狀態(tài)1及狀態(tài)2的參數(shù)：,突然取走100kg負(fù)載，氣體失去平衡，振蕩后最終建立新的平衡。雖不計(jì)摩擦，但由于非準(zhǔn)靜態(tài)，故過程不可逆，但仍可應(yīng)用第一定律解析式。,(缸壁充分導(dǎo)熱),分析：,（1）過程中質(zhì)量m不變,（2）由于過程不可逆，所以,但是，外力 在此過程中沒有變， 所以有：,例2-3,如圖，已知活塞與氣缸無摩擦，初始時p1=pb=105Pa，t1=27，緩緩加熱，使p2 = 0.15MPa，t2 = 207 。 若m=0.1kg，缸徑=0.4m ，空氣 求：過程加熱量Q,解：,根據(jù)題意可得U：,下面求W 過程可逆，所以可以用 求解。 在整個過程中， ， 所以有：,W大氣,W彈力,例2-4,一個裝有2kg工質(zhì)的閉口系統(tǒng)經(jīng)歷如下過程：過程 中散熱25kJ，外界對系統(tǒng)作功100kJ，比熱力學(xué)能 減小15kJ/kg，并且整個系統(tǒng)被舉高了1000m。確 定過程中系統(tǒng)動能的變化。,解：需要考慮系統(tǒng)動能及位能的變化，運(yùn)用熱力學(xué)第一定律有：,即系統(tǒng)的動能增加了85.4kJ.,例2-5,一閉口系從狀態(tài)1沿1-2-3途徑到狀態(tài)3，傳遞給外界的熱量為47.5kJ，而系統(tǒng)對外作功為30kJ，如圖所示。,（1）若沿1-4-3途徑變化時，系統(tǒng)對外作功15kJ，求過程中系統(tǒng)與外界傳遞的熱量。 （2）若系統(tǒng)從狀態(tài)3沿圖示曲線途徑到達(dá)狀態(tài)1，外界對系統(tǒng)作功6kJ，求該過程中系統(tǒng)與外界傳遞的熱量。 （3）若U2=175kJ， U3=87.5kJ，求過程2-3傳遞的熱量及狀態(tài)1的熱力學(xué)能。,解：,對途徑1-2-3，由閉口系統(tǒng)能量 方程得： U123 = U3 U1 = Q123 W123 = ( - 47.5kJ ) 30kJ = -77.5kJ,（1）對途徑1-4-3，由閉口系統(tǒng)能量方程得： Q123 = U143 + W143 = U123 + W143 = ( -77.5kJ ) + 15kJ = - 62.5kJ（系統(tǒng)向外界放熱）,（1）若沿1-4-3途徑變化時，系統(tǒng)對外作功15kJ，求過程中系統(tǒng)與外界傳遞的熱量。,對途徑3-1，可得到： Q31 = U31 + W31 = ( U1 U3 ) + W31 = 77.5kJ + ( -6kJ ) = 71.5kJ,（2）若系統(tǒng)從狀態(tài)3沿圖示曲線途徑到達(dá)狀態(tài)1，外界對系統(tǒng)作功6kJ，求該過程中系統(tǒng)與外界傳遞的熱量。,對途徑2-3，有 ， 則 Q23 = U23 + W23 = U3 U2 = 87.5kJ-175kJ = -87.5kJ U1 = U3 U123 = 87.5kJ ( -77.5kJ ) = 165kJ,（3）若U2=175kJ， U3=87.5kJ，求過程2-3傳遞的熱量及狀態(tài)1的熱力學(xué)能。,2-6 開口系統(tǒng)能量方程式,分析大多數(shù)實(shí)際熱力設(shè)備時，常采用開口系統(tǒng)即控制容積的分析方法,同一截面上各點(diǎn)的溫度和壓力可近似認(rèn)為不變； 認(rèn)為同一截面上各點(diǎn)有相同的流速。,1. 開口系統(tǒng)能量方程式,Wi,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,能量守恒原則 進(jìn)入的能量-離開的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化,Wi,Q,min,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv,少了推動功,推動功,p,A,p,V,dl,W推 = p A dl = pV w推= pv,注意： 不是 pdv v沒有變化,開口系能量方程的推導(dǎo),Wi,Q,pvin,mout,uin,uout,gzin,gzout,Q + min(u + c2/2 + gz)in - mout(u + c2/2 + gz)out - Wi = dEcv,min,pvout,開口系能量方程微分式,Q + min(u + pv+c2/2 + gz)in - Wi - mout(u + pv+c2/2 + gz)out = dEcv,工程上常用流率,開口系能量方程微分式,流動時，總一起存在 焓,開口系能量方程微分式,開口系能量方程微分式,當(dāng)有多個進(jìn)出口：,2. 穩(wěn)定流動能量方程,Wi,Q,min,mout,穩(wěn)定流動條件,2),1),穩(wěn)定流動能量方程的推導(dǎo),穩(wěn)定流動條件,0,穩(wěn)定流動能量方程的推導(dǎo),比參數(shù),穩(wěn)定流動能量方程,適用條件：任何流動工質(zhì) 任何穩(wěn)定流動過程,1) 穩(wěn)定流動能量方程式的分析,工質(zhì)對機(jī)器所作的功,機(jī)械能增量,流動功,熱能轉(zhuǎn)變成功的部分：工質(zhì)的體積變化功(q=u+w),2) 技術(shù)功wt ( technical work ),技術(shù)上可以加以利用的功：,q-u=w,對可逆過程：,dp為負(fù)，壓力降低,技術(shù)功為正，即工質(zhì)對機(jī)器做功；(汽輪機(jī)),dp為正，壓力升高,技術(shù)功為負(fù)，即機(jī)器對工質(zhì)做功。(壓氣機(jī)),3) 熱力學(xué)第一定律第二解析式,把Wt的概念代入到穩(wěn)定流動能量方程式，可得到第二解析式：,對可逆過程有：,4) 兩個解析式之間的關(guān)系,2-7 能量方程式的應(yīng)用,雖然能量方程形式不同，但開口系所做的功，究其根源任然是工質(zhì)的膨脹功。,1.蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī) (steam turbine、gas turbine),流進(jìn)系統(tǒng)：u1 + p1v1 = h1,內(nèi)部儲存能增量：0,流出系統(tǒng)：u2 + p2v2 = h2，wi,h1 h2 = wi = wt,2.壓氣機(jī)、水泵類(compressor、pump ),wC = (h2 h1) + q = wi = wt,流進(jìn)系統(tǒng)：,內(nèi)部儲存能增量：0,流出系統(tǒng)：,3.換熱器：鍋爐、加熱器等 ( heat exchanger: boiler、heater ),q = h2 h1,q = h2 h1,qm1（h1 h2） = qm2（h4 h3）,如果等式左邊 q 由另一種工質(zhì)經(jīng)該過程的換熱量，即兩種流體相互交換熱量,流進(jìn)系統(tǒng)：qm1h1， qm2h3,流出系統(tǒng)：qm1h2， qm2h4,4. 管內(nèi)流動,(cf22 cf12) = h1 h2,內(nèi)部儲存能增量：0,流進(jìn)系統(tǒng)：,流出系統(tǒng)：,5.絕熱節(jié)流,h1 = h2,工質(zhì)流動時截面突然收縮，壓力下降。,熱力學(xué)解題思路：,1）確定研究對象選好熱力系統(tǒng)； 2）計(jì)算過程初、終態(tài)； 3）兩種思路：從已知條件逐步推向目標(biāo) 從目標(biāo)反過來缺什么補(bǔ)什么 4）不可逆過程的功可嘗試從外部參數(shù)著手,例 2-6,0.1MPa，20的空氣，在壓氣機(jī)中絕熱壓縮升壓升溫，然后導(dǎo)入換熱器排走部分熱量后，再進(jìn)入噴管膨脹到0.1MPa，20。噴管出口截面積A=0.0324m2，氣體流速cf2=300m/s。已知壓氣機(jī)耗功率710kW，問換熱器中空氣散失的熱量。,解：,對CV列能量方程,流入：,流出：,內(nèi)增： 0,據(jù)題義，,或穩(wěn)定流動能量方程,黑箱技術(shù),例 2-7,解：取A為CV,容器剛性絕熱,忽略動能差及位能差，則,若容器A為剛性絕熱 初態(tài)為真空，打開閥門 充氣，使壓力p2=4MPa 時截止。若空氣u=0.72T 求容器A內(nèi)達(dá)平衡后溫度 T2及充入氣體量m。,非穩(wěn)定開口系,充氣問題,由,因輸氣管中參數(shù)不變，所以hin為常數(shù)，所以：,流入：hin min 流出： 0 內(nèi)增：m2u2 - 0,進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)儲存能的變化,討論：,1）非穩(wěn)態(tài)流動問題可用一般能量方程式也 可用基本原則，在某些條件下，后者更方便。 2）能量方程中若流體流入、流出系統(tǒng)，物質(zhì)能量用h，若不流動用u。 3）t2=150.84t1=30 ？,說明理想氣體的熱力學(xué)能增大，這是由隨進(jìn)入工質(zhì)而進(jìn)入的推動功轉(zhuǎn)換成熱能所致即使向真空系統(tǒng)輸送，也需要推動功！,例 2-8充氣問題（延伸）,已知儲氣罐中原有的空氣質(zhì)量m1，熱力學(xué)能u1，壓力p1，溫度T1。充氣后，儲氣罐內(nèi)氣體質(zhì)量為m2，熱力學(xué)能u2，忽略動能差與位能差，且容器為剛性絕熱。導(dǎo)出u2與h的關(guān)系式。,解：取氣罐為系統(tǒng)?？紤]一股流體流入，無流出,方法一,m1,方法二 取終態(tài)時氣罐內(nèi)全部(m