化工熱力學(xué)：第6章 熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用

第6章熱力學(xué)第一定律及其工程應(yīng)用熱力學(xué)第一定律即為能量守恒定律，它闡明了能量“量”的屬性。

人體的能量平衡熱量平衡內(nèi)容概要熱力學(xué)第一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永動(dòng)機(jī)是造不成的。熱機(jī)的熱效率不可能大于1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相互轉(zhuǎn)化熱能機(jī)械能重點(diǎn)內(nèi)容敞開系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律穩(wěn)定流動(dòng)與可逆過程可逆軸功與實(shí)際軸功的計(jì)算氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析節(jié)流與等熵膨脹過程中的溫度效應(yīng)噴管與噴射器的熱力學(xué)基礎(chǔ)6.1敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律6.1.1封閉系統(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)值開系的特點(diǎn)：①體系與環(huán)境有物質(zhì)的交換。

除有熱功交換外，還包括物流輸入和輸出攜帶能量。任何系統(tǒng)能量平衡：

進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)內(nèi)能量的積累穩(wěn)流系統(tǒng)能量平衡：進(jìn)入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量＝06.1.2敞開系統(tǒng)的能量平衡△EδWsZjδQZiUi,

δmiUj,δmj沒有化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量平衡系統(tǒng)累計(jì)質(zhì)量能量守恒定律進(jìn)入系統(tǒng)能量＝離開系統(tǒng)能量＋系統(tǒng)累計(jì)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)過程6.2穩(wěn)定流動(dòng)過程與可逆過程6.2.1穩(wěn)定流動(dòng)過程機(jī)械能平衡方程特征：與環(huán)境無熱，無軸功交換，不可壓縮流體，非黏性理想流體穩(wěn)定流動(dòng)Bernoulli's方程考慮摩擦?xí)r，絕熱穩(wěn)定流動(dòng)過程特征：與環(huán)境間無熱，軸功交換可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)過程應(yīng)用實(shí)例：噴管擴(kuò)壓管對(duì)節(jié)流過程：流體流速無明顯變化節(jié)流過程為等焓過程與環(huán)境間有大量熱，功交換的過程特征：系統(tǒng)的動(dòng)能、位能變化與功，熱量相比很小對(duì)蒸發(fā)，冷卻等換熱過程，軸功不存在應(yīng)用實(shí)例：氣體的壓縮、膨脹、換熱器、吸收解析等。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可逆過程耗散效應(yīng)：可用功由于摩擦阻力等造成功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬默F(xiàn)象汽缸活塞飛輪可逆過程：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)，這樣的過程稱為可逆過程

1：傳遞推動(dòng)力無限小2：過程沒有耗散效應(yīng)6.3軸功的計(jì)算6.3.1可逆軸功無任何摩擦損失的軸功產(chǎn)功過程，可逆軸功為最大功；耗功過程，可逆軸功為最小功。產(chǎn)功設(shè)備耗功設(shè)備6.3.2氣體壓縮及膨脹過程熱力學(xué)分析氣體的壓縮過程低壓高壓壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)膨脹機(jī)、節(jié)流理想氣體等溫壓縮過程特點(diǎn)：理想氣體的絕熱壓縮過程特征：理想氣體非等溫非絕熱壓縮過程特征：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，問輸送1000kg水要消耗多少可逆軸功？若給水泵的效率為0.85，問實(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閥門、孔板等設(shè)備時(shí)，壓力降低(p1>p2)的現(xiàn)象。絕熱節(jié)流節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量交換Joule－Thomson效應(yīng)理想氣體節(jié)流前后溫度不變實(shí)際氣體節(jié)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體系吸收熱量，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溫熵圖直接從圖上查出等熵膨脹制冷量節(jié)流膨脹制冷量膨脹功等熵效率：核反應(yīng)堆鍋爐汽輪機(jī)t=380℃12或2’34冷凝器P1=7MPat1=360℃22’134TS核動(dòng)力循環(huán)如圖所示，鍋爐從溫度為380℃的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為360℃的過熱蒸汽（點(diǎn)1），過熱蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)作不可逆絕熱膨脹做功后于0.8MPa壓力下排出（點(diǎn)2‘），其等熵效率為0.75,求：?jiǎn)挝毁|(zhì)量蒸汽做功能力；汽輪機(jī)出口乏氣的濕度是多少？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)，等熵過程，無軸功交換對(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)(Machnumber)氣體流量穩(wěn)定：A為噴管截面積得到：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：由理想氣體等熵過程狀態(tài)方程pc/p0單原子氣體1.670.487雙原子氣體1.400.528多原子氣體1.300.546例6.4有一儲(chǔ)氣罐，其中空氣的壓力為016MPa，溫度為17℃。罐利用罐中空氣經(jīng)噴管噴山而產(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程中機(jī)械能損失＝混合過程在機(jī)械能的損失＝總的機(jī)械能損失＝膨脹和混合過程能量損失之和＝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，兩種流體混合后排出的壓力為101kPa，如果混合在等壓下