熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ) 熱工篇_第2章

1、2021-12-52021-12-52021-12-52021-12-52021-12-52021-12-5第一節(jié)第一節(jié) 熱力系統(tǒng)儲存能熱力系統(tǒng)儲存能2021-12-52021-12-5( , )uf t v2021-12-52. 重力位能：重力位能：ep ，單位為單位為 j 或或 kj pemgz2kf12emc2021-12-5kpeuee2kpf12eueeucgz2021-12-52fk21mce 熱力系儲存能熱力系儲存能e內(nèi)動能內(nèi)動能-溫度溫度 uf（t，v）內(nèi)能內(nèi)能u、u(熱力學(xué)能熱力學(xué)能)內(nèi)位能內(nèi)位能-比體積比體積重力位能重力位能 ep ep mgz外儲存能外儲存能宏觀動能宏觀動

2、能 ek e u+ek+ep 或 eu+ek+ep2021-12-5 第二節(jié)第二節(jié) 熱力系與外界傳遞的能量熱力系與外界傳遞的能量熱量熱量功量功量工質(zhì)通過邊界時所攜帶的能量工質(zhì)通過邊界時所攜帶的能量在熱力過程中在熱力過程中,熱力系與外界交換的能量熱力系與外界交換的能量:2021-12-5一、一、 熱量熱量 1. 熱量熱量 熱力系和外界之間僅僅由于熱力系和外界之間僅僅由于溫度不同溫度不同而通而通過邊界傳遞的能量稱為熱量。過邊界傳遞的能量稱為熱量。 u熱量是在熱傳遞中物體能量改變的量度。熱量是在熱傳遞中物體能量改變的量度。u熱量不是狀態(tài)參數(shù)，而是與過程緊密相關(guān)的熱量不是狀態(tài)參數(shù)，而是與過程緊密相關(guān)的

3、一個過程量一個過程量。u對于熱力系的某個狀態(tài)，我們可以說它具有對于熱力系的某個狀態(tài)，我們可以說它具有多少能量，而不能說具有多少熱量，只能說熱多少能量，而不能說具有多少熱量，只能說熱力系與外界交換了多少熱量。力系與外界交換了多少熱量。2021-12-5 熱量符號熱量符號: q , 單位為單位為j或或kj 。 單位質(zhì)量工質(zhì)與外界交換的熱量用單位質(zhì)量工質(zhì)與外界交換的熱量用q 表示表示,單單位為位為j/kg或kj/kg 。 微元過程中熱力系與外界交換的微小熱微元過程中熱力系與外界交換的微小熱量用量用 q 或或 q表示。表示。 熱量正負(fù)規(guī)定熱量正負(fù)規(guī)定: 2021-12-5 由于熱量是熱力系與外界間因存

4、在溫差而由于熱量是熱力系與外界間因存在溫差而傳遞的能量，因此狀態(tài)參數(shù)溫度傳遞的能量，因此狀態(tài)參數(shù)溫度t便是熱量傳便是熱量傳遞的推動力，只要熱力系與外界間存在微小的遞的推動力，只要熱力系與外界間存在微小的溫度差，就有熱量的傳遞溫度差，就有熱量的傳遞 相應(yīng)地也必然存在某一狀態(tài)參數(shù)，它的變相應(yīng)地也必然存在某一狀態(tài)參數(shù)，它的變化量可以作為熱力系與外界間有無熱量傳遞以化量可以作為熱力系與外界間有無熱量傳遞以及熱量傳遞方向的標(biāo)志及熱量傳遞方向的標(biāo)志 2021-12-52. 熵熵 有溫差便有熱量的傳遞有溫差便有熱量的傳遞,可用可用熵熵的變化量作為熱的變化量作為熱力系與外界間有無熱量傳遞以及熱量傳遞方向的標(biāo)力

5、系與外界間有無熱量傳遞以及熱量傳遞方向的標(biāo)志志 。 熵熵: s , 單位為單位為j/k 或或 kj/k 。 單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的熵稱為單位質(zhì)量工質(zhì)所具有的熵稱為比熵比熵, 用用 s 表示表示, 單單位為位為 j/（kg k) 或或 kj/（kg k） 。 2021-12-5 用熵計算熱量用熵計算熱量stqd21對微元可逆過程對微元可逆過程 : q tds 或或 q tds d0s 0q， d0s 0q， d0s 0q，對可逆熱力過程對可逆熱力過程1-2:stqd21或或2021-12-53. 溫熵圖溫熵圖 (t-s圖圖)圖2-1 t-s圖從圖中分析可知，熱力系的初、終狀態(tài)相同，但從圖中分析可知

6、，熱力系的初、終狀態(tài)相同，但經(jīng)歷的過程不同，其傳熱量也不相同。再次說明經(jīng)歷的過程不同，其傳熱量也不相同。再次說明熱量是過程量熱量是過程量，它與過程特性有關(guān)。，它與過程特性有關(guān)。2021-12-5二二、 功量功量 在力差作用下在力差作用下,熱力系與外界發(fā)生的能量交熱力系與外界發(fā)生的能量交換就是換就是功量。功量。 功量亦為過程量。功量亦為過程量。 有各種形式的功有各種形式的功,如電功、磁功、膨脹功、軸功等。如電功、磁功、膨脹功、軸功等。工程熱力學(xué)主要研究兩種功量形式工程熱力學(xué)主要研究兩種功量形式: 體積變化功體積變化功 軸功軸功2021-12-51、體積變化功體積變化功 由于熱力系體積發(fā)生變化（增

7、大或縮?。┒ㄟ^邊由于熱力系體積發(fā)生變化（增大或縮小）而通過邊界向外界傳遞的機(jī)械功稱為體積變化功（界向外界傳遞的機(jī)械功稱為體積變化功（膨脹功膨脹功或或壓縮功壓縮功）。）。 體積變化功體積變化功: w , 單位為單位為j或或kj 。 1kg工質(zhì)傳遞的體積變化功用符號工質(zhì)傳遞的體積變化功用符號w表示，單位為表示，單位為j/kg或或kj/kg。 正負(fù)規(guī)定正負(fù)規(guī)定: 熱力系對外作膨脹功熱力系對外作膨脹功熱力系對外作壓縮功熱力系對外作壓縮功2021-12-5 體積變化功的計算體積變化功的計算如圖如圖2-2所示所示, 1kg的氣體的氣體 ;可逆膨脹過程可逆膨脹過程 ; p，a，dx對于對于pdvpadxw

8、2121pdvwwmkg工質(zhì)工質(zhì)21pdvmww圖2-2 體積變化功2021-12-5 示功圖示功圖示功圖示功圖21wpdv2021-12-52、軸功軸功 熱力系通過機(jī)械軸與外界交換的功量。熱力系通過機(jī)械軸與外界交換的功量。 軸功軸功: ws , 單位為單位為j或或kj 。 1kg工質(zhì)傳遞的軸功用符號工質(zhì)傳遞的軸功用符號ws表示，單位為表示，單位為j/kg或或kj/kg。 正負(fù)規(guī)定正負(fù)規(guī)定: ws熱力系向外輸出軸功熱力系向外輸出軸功ws外界向熱力系輸入軸功外界向熱力系輸入軸功2021-12-5 軸功的特點(diǎn)軸功的特點(diǎn) 剛性絕熱封閉熱剛性絕熱封閉熱力系不可以任意地力系不可以任意地交換軸功，即交換軸

9、功，即: 外界功源向其輸入軸功外界功源向其輸入軸功將轉(zhuǎn)換成熱量而增加熱將轉(zhuǎn)換成熱量而增加熱力系的熱力學(xué)能。力系的熱力學(xué)能。 剛性絕熱封閉熱力系不剛性絕熱封閉熱力系不可能向外界輸出軸功可能向外界輸出軸功2021-12-5 開口熱力系與外界開口熱力系與外界可以任意地交換軸功，可以任意地交換軸功，即即: 熱力系可向外輸出軸功熱力系可向外輸出軸功, 如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等 熱力系可接受輸入的軸功熱力系可接受輸入的軸功, 如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)2021-12-5 功率功率 單位時間所作的功單位時間所作的功。 功率單位功率單位: w或或kw，1w 1j/s。 用功率可用

10、功率可比較熱機(jī)的做功能力比較熱機(jī)的做功能力。2021-12-5三三、隨工質(zhì)流動傳遞的能量隨工質(zhì)流動傳遞的能量 開口熱力系在運(yùn)行時，存在工質(zhì)的流入、流出，它們開口熱力系在運(yùn)行時，存在工質(zhì)的流入、流出，它們在經(jīng)過邊界時攜帶有一部分能量同時流過邊界，這類能量包在經(jīng)過邊界時攜帶有一部分能量同時流過邊界，這類能量包括兩部分括兩部分: 流動工質(zhì)本身的儲存能流動工質(zhì)本身的儲存能 e 流動功流動功(推動功推動功) wf mgzmcue2f212021-12-5 流動功流動功 開口系因工質(zhì)流動而傳遞的功量稱為開口系因工質(zhì)流動而傳遞的功量稱為流動功流動功,又又稱稱推動功推動功。即推動工質(zhì)流動而做的功。即推動工質(zhì)流

11、動而做的功。 流動功是為推動工質(zhì)通過控制體界面而傳遞的機(jī)械功，它流動功是為推動工質(zhì)通過控制體界面而傳遞的機(jī)械功，它是維持工質(zhì)正常流動所必須傳遞的能量。是維持工質(zhì)正常流動所必須傳遞的能量。 流動功流動功: wf , 單位為單位為 j或或kj 1kg工質(zhì)所作流動功用工質(zhì)所作流動功用 wf 表示，單位為表示，單位為j/kg或或kj/kg。2021-12-5 如圖所示，已知如圖所示，已知dm，p，v，a 對對dm工質(zhì)工質(zhì): wf padx pdv pvdm 對對1kg工質(zhì)工質(zhì) : 1kg工質(zhì)流入和流出控制體的凈流動功為工質(zhì)流入和流出控制體的凈流動功為 wf p2v2 p1v1 流動功是一種特殊的功，其

12、數(shù)值取決于流動功是一種特殊的功，其數(shù)值取決于控制體進(jìn)、出口界面上工質(zhì)的熱力狀態(tài)?？刂企w進(jìn)、出口界面上工質(zhì)的熱力狀態(tài)。 pvmwwdff2021-12-5 流動功是由泵和風(fēng)機(jī)等加給被輸送流動功是由泵和風(fēng)機(jī)等加給被輸送工質(zhì)并隨著工質(zhì)的流動而向前傳遞工質(zhì)并隨著工質(zhì)的流動而向前傳遞的一種能量，不是工質(zhì)本身具有的的一種能量，不是工質(zhì)本身具有的能量。能量。2021-12-5 流動工質(zhì)傳遞的總能量流動工質(zhì)傳遞的總能量: 流動工質(zhì)本身的儲存能流動工質(zhì)本身的儲存能 e 流動功流動功(推動功推動功) wf 即: 或 pvmgzmcu2f21pvgzcu2f212021-12-5四四、焓及其物理意義焓及其物理意義

13、令令 h u pv 焓焓(單位單位: j或或kj ) 或或 h u pv 比焓比焓(單位單位: j/kg或或kj/kg ) 焓也是焓也是狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù),與工質(zhì)是否流動無關(guān)。與工質(zhì)是否流動無關(guān)。 對開口熱力系、流動工質(zhì)，焓表示工質(zhì)在流動過程中攜帶對開口熱力系、流動工質(zhì)，焓表示工質(zhì)在流動過程中攜帶的由其熱力狀態(tài)決定的那部分能量；的由其熱力狀態(tài)決定的那部分能量； 對封閉熱力系，焓表示由熱力學(xué)能、壓力和比體積組成的對封閉熱力系，焓表示由熱力學(xué)能、壓力和比體積組成的一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)。一個復(fù)合狀態(tài)參數(shù)。 引入狀態(tài)參數(shù)焓后引入狀態(tài)參數(shù)焓后, 流動工質(zhì)傳遞的總能量為流動工質(zhì)傳遞的總能量為: 或或mgzmch

14、2f21gzch2f212021-12-5 第三節(jié)第三節(jié) 熱學(xué)第一定律熱學(xué)第一定律一一、熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)。 可表述為可表述為: 熱能和機(jī)械能在傳遞和轉(zhuǎn)換時熱能和機(jī)械能在傳遞和轉(zhuǎn)換時,能量的總量必定守恒。能量的總量必定守恒。 第一類永動機(jī)是不存在的。第一類永動機(jī)是不存在的。 對一切熱力系統(tǒng)和熱力過程對一切熱力系統(tǒng)和熱力過程,有有:2021-12-5二、封閉熱力系的能量方程二、封閉熱力系的能量方程q=u+w或或qu w 對微元過程：對微元過程： q du w 或或 q du w 上述各式適用于封閉熱力系上述各式適用于封閉熱力系 的任何工質(zhì)進(jìn)行的一切熱力過程。它表示加給熱力系

15、的任何工質(zhì)進(jìn)行的一切熱力過程。它表示加給熱力系的熱量一部分用來對外膨脹做功，另一部分用來增加的熱量一部分用來對外膨脹做功，另一部分用來增加工質(zhì)的熱力學(xué)能，儲存于工質(zhì)內(nèi)部。工質(zhì)的熱力學(xué)能，儲存于工質(zhì)內(nèi)部。 對于可逆過程對于可逆過程 : q du pdv 或或 qu vpd212021-12-5 例例2-1 對于對于12kg的氣體在封閉熱力系中吸熱膨脹，的氣體在封閉熱力系中吸熱膨脹，吸收的熱量為吸收的熱量為140kj，對外作了，對外作了95kj的膨脹功。問該過程的膨脹功。問該過程中氣體的熱力學(xué)能是增加還是減少？每千克氣體熱力學(xué)中氣體的熱力學(xué)能是增加還是減少？每千克氣體熱力學(xué)能變化多少？能變化多少？

16、 解解：根據(jù)公式（：根據(jù)公式（2-18）得）得 u q w 140 95 45 （kj） 由于由于 u 45kj0，故氣體的熱力學(xué)能增加。，故氣體的熱力學(xué)能增加。 每千克氣體熱力學(xué)能的增加量為每千克氣體熱力學(xué)能的增加量為 （kj/kg）75. 31245muu2021-12-5 例例2-2 對定量的氣體提供熱量對定量的氣體提供熱量100kj，使其由狀態(tài)，使其由狀態(tài)1沿沿a途徑變化至狀態(tài)途徑變化至狀態(tài)2（圖（圖2-6），同時對外做功），同時對外做功60kj。若。若外界對該氣體做功外界對該氣體做功40kj，迫使它從狀態(tài)，迫使它從狀態(tài)2沿沿b途徑返回至途徑返回至狀態(tài)狀態(tài)1，問返回過程中工質(zhì)吸熱還是放

17、熱？其量為多少？，問返回過程中工質(zhì)吸熱還是放熱？其量為多少？又若返回時不沿又若返回時不沿b途徑而沿途徑而沿c途徑，此時壓縮氣體的功為途徑，此時壓縮氣體的功為50kj，問，問c過程中是否吸收熱量？過程中是否吸收熱量？ 2021-12-5 解解：（：（1）氣體由）氣體由1a2沿沿2b1返回時與外界交換的熱返回時與外界交換的熱量量q2b1的計算。的計算。 對于每一個熱力過程，滿足能量方程對于每一個熱力過程，滿足能量方程qu w，對，對于一個循環(huán)，因為熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，滿足于一個循環(huán)，因為熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)，滿足 或或 。則。則 q1a2 q2b1 w1a2 w2b1 q2b1 w1a2 w2b1

18、q1a2 60 40 10080 （kj） （2）由過程）由過程1a2和和2c1組成循環(huán)時，氣體與外界交組成循環(huán)時，氣體與外界交換的熱量換的熱量q2c1的計算。的計算。 與上述同理與上述同理 q1a2 q2c1 w1a2 w2c1 q2c1 w1a2 w2c1 q1a2 60 50 10090 （kj） 計算所得熱量均為負(fù)值，表示氣體在兩種不同的返計算所得熱量均為負(fù)值，表示氣體在兩種不同的返回過程中均放出熱量，且壓縮氣體的功越大，放熱量越回過程中均放出熱量，且壓縮氣體的功越大，放熱量越多。多。0duwq2021-12-5三、開口熱力系的穩(wěn)定流動能量方程三、開口熱力系的穩(wěn)定流動能量方程1. 穩(wěn)定

19、流動穩(wěn)定流動 在在開口熱力系開口熱力系中，工質(zhì)的流動狀況不隨時間而改變，中，工質(zhì)的流動狀況不隨時間而改變，即流道中任意截面上工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間改變即流道中任意截面上工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間改變. 特征特征: 單位時間內(nèi)熱力系與外界傳遞的熱量和功量不隨時間改變。單位時間內(nèi)熱力系與外界傳遞的熱量和功量不隨時間改變。 各流通截面工質(zhì)的質(zhì)量流量相等、且不隨時間而改變。各流通截面工質(zhì)的質(zhì)量流量相等、且不隨時間而改變。 2021-12-52. 開口熱力系的穩(wěn)定流動能量方程開口熱力系的穩(wěn)定流動能量方程12mmm2021-12-51kg工質(zhì)進(jìn)入熱力系帶進(jìn)的能量工質(zhì)進(jìn)入熱力系帶進(jìn)的能量121f1121gzcu

20、e，流動功，流動功p1v1 ，1kg工質(zhì)工質(zhì)流出熱力系帶出的能量流出熱力系帶出的能量222f2221gzcue，流動功流動功p2v2 又假定又假定1kg工質(zhì)流經(jīng)熱力系時從外界吸工質(zhì)流經(jīng)熱力系時從外界吸入的熱量為入的熱量為q，通過熱力系對外界輸出，通過熱力系對外界輸出的軸功為的軸功為ws2021-12-5根據(jù)熱力學(xué)第一定律根據(jù)熱力學(xué)第一定律, 有有 : 對微元熱力過程對微元熱力過程: 上述各式適用于開口熱力系穩(wěn)定流動的各種熱力過程。上述各式適用于開口熱力系穩(wěn)定流動的各種熱力過程。02121s22222f211121f1wvpgzcuqvpgzcus1221f22f1221wzzgcchhq2fs

21、1ddd2qhcg zw2fs12hcg zw 2021-12-5四、技術(shù)功四、技術(shù)功 wt 在熱力學(xué)中上，將工程上可以直接利用在熱力學(xué)中上，將工程上可以直接利用的的wt。對微元熱力過程對微元熱力過程s2ft21wzgcws2ftdd21wzgcw2021-12-52fs12qhcg zw tqhw wtqh（uw）（up2v2p1v1） 即 wtw （p2v2 p1v1） 表明表明: 工質(zhì)穩(wěn)定流經(jīng)熱力設(shè)備時所作的技術(shù)功等于體積工質(zhì)穩(wěn)定流經(jīng)熱力設(shè)備時所作的技術(shù)功等于體積 變化功減去凈流動功。變化功減去凈流動功。tdqhw 2021-12-5 對于穩(wěn)定流動的可逆過程對于穩(wěn)定流動的可逆過程1-2上

22、式中，上式中，v 恒為正值，負(fù)號表示技術(shù)功的正負(fù)恒為正值，負(fù)號表示技術(shù)功的正負(fù)與與dp相反，即：相反，即： wt 0 ，過程中壓力降低，對外做功；，過程中壓力降低，對外做功； wt 0 ，工質(zhì)的壓力增加，外界對工質(zhì)做功。，工質(zhì)的壓力增加，外界對工質(zhì)做功。212121211122tddddpvpvvpvpvpvpw2021-12-521dqhv p ddqhv p 2t1dwv p 2021-12-5五、穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用五、穩(wěn)定流動能量方程的應(yīng)用 工程上工程上,對許多熱工設(shè)備的運(yùn)行對許多熱工設(shè)備的運(yùn)行,可利用簡化的穩(wěn)定流動能可利用簡化的穩(wěn)定流動能量方程式分析它們的能量關(guān)系量方程式分析它們的

23、能量關(guān)系。1. 動力機(jī)械動力機(jī)械 動力機(jī)械對外輸出的軸功等于工質(zhì)的焓降。 理論功率理論功率 2. 泵與風(fēng)機(jī)泵與風(fēng)機(jī)工質(zhì)流經(jīng)泵與風(fēng)機(jī)，消耗的軸功等于焓的增加。 21shhw)(21msmhhqwqp12shhw2021-12-53. 壓縮機(jī)壓縮機(jī)qhhw12s2021-12-52021-12-5 4. 換熱器換熱器工質(zhì)在換熱器中吸收的熱量等于焓的增加。 5. 噴管與擴(kuò)壓管噴管與擴(kuò)壓管工質(zhì)流經(jīng)噴管或擴(kuò)壓管時， 動能的增加等于焓的減少。 12hhq2121f22f21hhcc2021-12-5120hh2021-12-5 例例2-3 工質(zhì)以工質(zhì)以cf1 3m/s的速度通過截面的速度通過截面a1 45

24、cm2的管道的管道進(jìn)入動力機(jī)械。已知進(jìn)口處進(jìn)入動力機(jī)械。已知進(jìn)口處p1 689.48kpa，v1 0.3373m3/kg，u1 2326kj/kg，出口處，出口處h2 1395.6kj/kg。若忽略工質(zhì)的動。若忽略工質(zhì)的動能及位能的變化，且不考慮散熱，求該動力機(jī)械輸出的理論能及位能的變化，且不考慮散熱，求該動力機(jī)械輸出的理論功率。功率。 解：解：工質(zhì)的質(zhì)量流量為工質(zhì)的質(zhì)量流量為 （kg/s） 進(jìn)口比焓為進(jìn)口比焓為 （kj/kg） 動力機(jī)械輸出的理論功率為動力機(jī)械輸出的理論功率為 （kw）0400. 03373. 0104534111fmvacq6 .25583373. 048.68923261

25、111vpuh5 .466 .13956 .255804. 0)(21mhhqp2021-12-5 例例2-4 某蒸汽輪機(jī)，進(jìn)口蒸汽參數(shù)為某蒸汽輪機(jī)，進(jìn)口蒸汽參數(shù)為p1 9.0mpa，t1 500，h1 3386.4kj/kg，cf1 50m/s；出口蒸汽參數(shù)為；出口蒸汽參數(shù)為p2 0.004mpa，h2 2226.9kj/kg，cf2 140m/s，進(jìn)出口高度差，進(jìn)出口高度差為為12m，每千克蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)散熱，每千克蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)散熱15kj。試求：（。試求：（1）每千克）每千克蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時所輸出的軸功。（蒸汽流經(jīng)汽輪機(jī)時所輸出的軸功。（2）進(jìn)、出口動能差、）進(jìn)、出口動能差、位能差忽略時，對輸出功的各自影響。（位能差忽略時，對輸出功的各自影響。（3）散熱忽略時，）