热力学第一定律及其解析式热工基础热力学第一定律.ppt

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热力学第一定律及其解析式热工基础热力学第一定律

设 33 根据能量守恒原理: 进入系统的能量-流出系统的能量 =系统总储能的增量 (3) 稳定流动系统能量方程(热 I 解析式) 即 (适用于一般开口系) 34 对稳流系: 令 H=U+pV,称为焓。 对1kg工质,比焓: 对微元过程: 或 各式使用条件:稳定流动、任何过程、任意工质。 式中: 35 或 稳流能量方程式 (普遍适用) 则 在稳定流动系统能量方程中,工质宏观动能、宏观位能的变化及轴功都是机械能,在技术上都可被用于对外界作功,因此称之为技术功Wt (wt) 。 技术功wt — 技术上可利用的功 (宏观机械能) 当 , 引入技术功后,稳流能量方程可表达为 时: 36 各种功量的关系 3. 闭口系和稳流系能量方程的形式不同,但本质是相同的或等价的。都描述的是一定量的工质在热力过程中的能量转换关系。 工质在稳定流动过程中同样是一个膨胀过程。虽然开口系的边界为刚性边界,过程中系统的总容积不发生变化,但是,沿工质流程的流通截面是递增的。因此,系统与外界交换功的方式和闭口系不同,工质所作的膨胀功是隐含的。 37 由 或 对可逆过程: 38 对 m kg 工质: 可逆过程技术功如图示阴影面积。 可逆过程稳流能量方程式: 或 使用条件:稳流、可逆。 39 因此,在稳流系中,隐含的膨胀功等于流动功和技术功之和。即一部分膨胀功用于提供工质流动所需的流动功,一部分用于增加工质的宏观动能和宏观位能,其余部分才对外输出轴功。 所以膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉,稳流系中所有机械能的总和等于膨胀功。即 40 焓 4. 比焓 : 简称焓。 h 也是状态参数。 h 可表示为任意两个独立的状态参数的函数。 如:h=f(p , T) …… 41 焓的定义式为 在开口系中,随工质流动而携带的总能量包括工质的总储能 e 和推动功 pv。 在有些流动情况下,工质的宏观动能和重力位能为零或忽略不计,但热力学能和推动功是必定存在的,所以说焓是流动工质携带的基本能量。而宏观动能和重力位能是外部储存能,与工质的状态无关,因此也可将 h 看作流动工质所携带的总能量中取决于热力状态的那部分能量。 对于理想气体: 42 焓的物理意义 43 不论对非流动工质还是流动工质,焓都是状 态参数; 对流动工质,h 是随工质流动时携带的取决于热力状态的那部分能量(或基本能量)。 叶轮式机械、喷管、节流阀等通常作绝热处理 叶轮式机械的外表面通常绝热较好; 热交换面积较小、或工质迅速流过系统; 系统与外界的温差很小等。 44 2-5 稳流能量方程式应用举例 1. 简化工程实际问题的几点原则 45 除如喷管、扩压管等设备外,一般设备的进出口动、位能差都可以忽略不计。 如果闭口系中工质的容积没有变化,则容积功为零;如果开口系中没有叶片、转轴类的作功部件,其轴功为零。 应用举例 2. (1) 燃烧室 简化: 燃烧过程等压、稳流; 将燃烧过程视为外部热源加热,忽略化学变化; 忽略燃料质量,将燃气视为空气。 由 ∵ ∴ 46 简化: 近似视为绝热。 忽略动位能变化。 ∵ ∴ 47 (2) 汽轮机、压气机 例1 绝热封闭的气缸中装有不可压缩流体, 对活塞加压,使流体压力从 0.2 MPa 提高到 3 MPa, 试问: ① 活塞是否对流体作功? ② 流体的热力学能和焓变化多少? 解: ① 选闭口系 ∵ ?V=0 ∴ W=0,活塞对流体未做功 W=0,Q=0 → ?H=?U+?(pV) ② 由 48 例2 某活塞式氮气压缩机,压缩前氮气的参数分别为:p1=0.1Mpa,v1=0.88 m3/kg;压缩后 p2=1.0 Mpa, v2=0.16 m3/kg,压缩过程中比热力学能增加180 kJ/kg,同时向外放热 60kJ/kg,压气机每分钟生产氮气18 kg,试求: ① 压缩过程对每千克氮气所作的功; ② 生产每千克压缩氮气所需的功; ③ 带动此压气机至少要多大的电动机? 49 解 :① 活塞式压气机的工作过程包括进气、压缩和排气三个过程,压缩过程中,进排气阀均关闭,所以应选闭口系,能量方程为 q=Δu+w ② 要生产出压缩空气,压气机的进排气阀必须周期性地开闭,可近似看作稳流系,则能量方程为 50 =-312 kJ/kg (负号表示压缩机耗功) ∵ ∴ 51 带动此压缩机所需的电动

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