工程热力学课件：第二章热力学第一定律 (2).ppt

The First Law Of Thermodynamics第二章 热力学第一定律单进出口稳定开口系可逆过程能量方程单进出口稳定开口系可逆过程能量方程技术功技术功状态与达到状态路径无关状态与达到状态路径无关可逆可逆第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律§2-1. 第一定律的建立第一定律的建立§2-2. 闭口系的能量方程闭口系的能量方程§2-3. 开口系的质量守恒方程开口系的质量守恒方程§2-4. 开口系的能量方程开口系的能量方程§2-5. 能量方程的应用能量方程的应用稳定流能量方程工程应用举例稳定流能量方程工程应用举例(1) (1) 喷管与扩压管喷管与扩压管 (2) (2) 涡轮与压气机涡轮与压气机 (4) (4) 换热器换热器(3) (3) 节流阀节流阀 长时间运转于相同工况的装长时间运转于相同工况的装置可视为稳定流装置置可视为稳定流装置 喷管与扩压管喷管与扩压管喷管喷管扩压管扩压管超音流超音流截面面积截面面积变化变化方向相反方向相反 喷管喷管(nozzle) (nozzle) 为一种消耗压为一种消耗压力而增加流体速度的装置力而增加流体速度的装置。

 扩压管扩压管(diffuser) (diffuser) 为一种将为一种将流体减速而增加压力的装置流体减速而增加压力的装置 喷管和扩压管与外界的热传喷管和扩压管与外界的热传极小极小( (因流体速度极快因流体速度极快), ), 作功作功为零为零, , 且位能改变可忽略且位能改变可忽略 例例空气在空气在1010 C C与与80 80 kPakPa以以200 200 m/sm/s的速度稳定地流入的速度稳定地流入扩扩压管压管, ,扩压管扩压管进口面积进口面积0.4 m0.4 m2 2，，比体积比体积1.015m1.015m3 3/kg/kg，比，比焓焓283.14kJ/kg283.14kJ/kg与进口速度比较与进口速度比较, , 出口速度极小出口速度极小, , 试求试求: :(a) (a) 空气的质量流量空气的质量流量, (b) , (b) 空气离开空气离开扩压管的比焓扩压管的比焓解解1.1.取扩压管空气为系统取扩压管空气为系统2.2.假设：假设：例例(a)(b)3.3.解题：解题：涡轮与压气机涡轮与压气机压气机压气机涡轮涡轮 涡轮涡轮 (turbine)(turbine)是流体对叶片作功是流体对叶片作功 压气机压气机 (compressor), (compressor), 泵泵( (液体液体) )及风扇及风扇( (气体气体) )等是叶等是叶片对流体作功片对流体作功, ,  热传量可以忽略热传量可以忽略; ; 而相对于焓变而相对于焓变, , 流体之动能与位能流体之动能与位能变化通常相对地很小变化通常相对地很小, , 故经常也不予考虑故经常也不予考虑涡轮与压气机涡轮与压气机压气机压气机水泵水泵汽轮机汽轮机例例一絶热的蒸汽轮机之功率输出为一絶热的蒸汽轮机之功率输出为5 MW, 5 MW, 若水蒸汽进口与若水蒸汽进口与出口情况如下图出口情况如下图, , 其中其中z1, z2 z1, z2 分别为进出口的高度分别为进出口的高度, , 求求 (a) , (b) (a) , (b) 单位质量水蒸汽对涡轮机所单位质量水蒸汽对涡轮机所作的功（作的功（c) c) 水蒸汽的质量流率水蒸汽的质量流率解解1.1.取取汽轮机蒸汽汽轮机蒸汽为为系统系统2.2.假设：假设：蒸汽蒸汽：：例例蒸汽蒸汽：：(a)3.3.解题：解题：(b)例例蒸汽蒸汽：：(c)由由换热器（锅炉、加热器等）换热器（锅炉、加热器等）(heat exchanger: boiler、heater etc.)换热器换热器换热器换热器 (heat exchanger)(heat exchanger)为两股流体进行非混合的热交为两股流体进行非混合的热交换装置。

换装置 热交换器无功作用热交换器无功作用( (wi i =0), =0), 每一流体动能与位能改变可每一流体动能与位能改变可忽略动势差忽略动势差, ,而热传递只在两流体间进行而热传递只在两流体间进行热流体热流体：：冷流体冷流体：：例例制冷剂制冷剂R-134aR-134a在冷凝器内以水冷却在冷凝器内以水冷却, , 进入冷凝器时制冷进入冷凝器时制冷剂温度剂温度70°C, 70°C, 质量流量质量流量6 kg/min, 6 kg/min, 离开时温度离开时温度35°C35°C冷却水进入冷凝器时温度冷却水进入冷凝器时温度15°C, 15°C, 离开时温度离开时温度25°C25°C求: :水的质量流量水的质量流量=? =? 解解1.1.取取整个冷凝器为整个冷凝器为系统系统2.2.假设：假设：水水制制冷冷剂剂h1 = 62.99 kJ/gh2 = 104.89 kJ/gh3 = 302.34 kJ/gh4 = 98.78 kJ/g例例水水制制冷冷剂剂h1 = 62.99 kJ/gh2 = 104.89 kJ/gh3 = 302.34 kJ/gh4 = 98.78 kJ/g3.3.解题：解题：节流阀节流阀可调阀可调阀多孔塞多孔塞毛细管毛细管节流孔板节流孔板节流阀节流阀节流阀节流阀 (throttling vale) (throttling vale) 为造成流体明显压力降的装置为造成流体明显压力降的装置, , 节流过程中节流过程中, , 位能与动能的改变及传热通常可忽略位能与动能的改变及传热通常可忽略 ，则，则 由于流体分子之间有作用力由于流体分子之间有作用力, , 压力降使分子间平均距离压力降使分子间平均距离增加增加, , 因而造成温度下降或上升的现象因而造成温度下降或上升的现象, , 称为称为焦耳焦耳- -汤姆汤姆逊效应逊效应(Joule-Thomson effect) (Joule-Thomson effect) 。

焦耳焦耳- -汤姆逊汤姆逊节流实验节流实验(1852)(P257)(1852)(P257)焦耳焦耳- -汤姆逊系数汤姆逊系数< 0 升升温温= 0 等等温温> 0 降降温温　保持状态　保持状态1不变，改变流不变，改变流体的流量得出一组节流后体的流量得出一组节流后状态点状态点2a,2b,2c,2d…非稳定流非稳定流质量守恒方程质量守恒方程方程方程( (积分型积分型) )非稳定流能量方程非稳定流能量方程( (积分型积分型) )非稳定流能量方程应用举例非稳定流能量方程应用举例(P128)(P128)控控制体制体内的物质内的物质特性特性随时间而发生改变随时间而发生改变, , 称称为为非稳定流非稳定流或或瞬瞬态态流流过程过程例例: : 对刚性容器填充气体对刚性容器填充气体, , 从压力容器排放从压力容器排放流体流体, , 汽球泄气汽球泄气储气罐充气与放气储气罐充气与放气输气管输气管储气罐储气罐物理模型：物理模型：1 1. .进口附近管道状态量进口附近管道状态量均匀，稳定均匀，稳定2 2. .罐内气体的变化过程为准静态过程罐内气体的变化过程为准静态过程3 3. .忽略管道气体动、势能，传热忽略管道气体动、势能，传热4 4. .储气罐静止储气罐静止罐内强度罐内强度量均布量均布储气罐充气与放气储气罐充气与放气已知储气罐中原有的空气质量已知储气罐中原有的空气质量m1，热力学能，热力学能u1，压力，压力p1，温，温度度T1。

充气后，储气罐内气体充气后，储气罐内气体质量为质量为m2，热力学能，热力学能u2，忽略，忽略动能与位能，且容器为刚动能与位能，且容器为刚性绝热导出性绝热导出u2与与hin的关系式的关系式 例例解解11.1.取气罐为系统考虑一股流体流入，无流出取气罐为系统考虑一股流体流入，无流出2.2.假设：假设：例例3.3.解题：解题：解解2取终态时气罐内全部（取终态时气罐内全部（m2）空气为封闭系）空气为封闭系假想假想初态初态终态终态解解2涡扇发动机28制冷机制冷机———冰箱冰箱29作业作业• 习题习题 2－9 , 2－10 ， 2－16 , 2－18 。