热工与流体力学基础 热工篇_第2章

1、2022-1-12022-1-12022-1-12022-1-12022-1-12022-1-1第一节第一节 热力系统储存能热力系统储存能2022-1-12022-1-1( , )uf T v2022-1-12. 重力位能：重力位能：Ep ，单位为单位为 J 或或 kJ pEmgz2kf12Emc2022-1-1kpEUEE2kpf12eueeucgz2022-1-12fk21mcE 热力系储存能热力系储存能E内动能内动能-温度温度 uf（T，v）内能内能U、u(热力学能热力学能)内位能内位能-比体积比体积重力位能重力位能 Ep Ep mgz外储存能外储存能宏观动能宏观动能 Ek E U+Ek

2、+Ep 或 eu+ek+ep2022-1-1 第二节第二节 热力系与外界传递的能量热力系与外界传递的能量热量热量功量功量工质通过边界时所携带的能量工质通过边界时所携带的能量在热力过程中在热力过程中,热力系与外界交换的能量热力系与外界交换的能量:2022-1-1一、一、 热量热量 1. 热量热量 热力系和外界之间仅仅由于热力系和外界之间仅仅由于温度不同温度不同而通而通过边界传递的能量称为热量。过边界传递的能量称为热量。 u热量是在热传递中物体能量改变的量度。热量是在热传递中物体能量改变的量度。u热量不是状态参数，而是与过程紧密相关的热量不是状态参数，而是与过程紧密相关的一个过程量一个过程量。u对

3、于热力系的某个状态，我们可以说它具有对于热力系的某个状态，我们可以说它具有多少能量，而不能说具有多少热量，只能说热多少能量，而不能说具有多少热量，只能说热力系与外界交换了多少热量。力系与外界交换了多少热量。2022-1-1 热量符号热量符号: Q , 单位为单位为J或或kJ 。 单位质量工质与外界交换的热量用单位质量工质与外界交换的热量用q 表示表示,单单位为位为J/kg或kJ/kg 。 微元过程中热力系与外界交换的微小热微元过程中热力系与外界交换的微小热量用量用 Q 或或 q表示。表示。 热量正负规定热量正负规定: 2022-1-1 由于热量是热力系与外界间因存在温差而由于热量是热力系与外界

4、间因存在温差而传递的能量，因此状态参数温度传递的能量，因此状态参数温度T便是热量传便是热量传递的推动力，只要热力系与外界间存在微小的递的推动力，只要热力系与外界间存在微小的温度差，就有热量的传递温度差，就有热量的传递 相应地也必然存在某一状态参数，它的变相应地也必然存在某一状态参数，它的变化量可以作为热力系与外界间有无热量传递以化量可以作为热力系与外界间有无热量传递以及热量传递方向的标志及热量传递方向的标志 2022-1-12. 熵熵 有温差便有热量的传递有温差便有热量的传递,可用可用熵熵的变化量作为热的变化量作为热力系与外界间有无热量传递以及热量传递方向的标力系与外界间有无热量传递以及热量传

5、递方向的标志志 。 熵熵: S , 单位为单位为J/K 或或 kJ/K 。 单位质量工质所具有的熵称为单位质量工质所具有的熵称为比熵比熵, 用用 s 表示表示, 单单位为位为 J/（kg K) 或或 kJ/（kg K） 。 2022-1-1 用熵计算热量用熵计算热量sTqd21对微元可逆过程对微元可逆过程 : q Tds 或或 Q TdS d0s 0q， d0s 0q， d0s 0q，对可逆热力过程对可逆热力过程1-2:STQd21或或2022-1-13. 温熵图温熵图 (T-s图图)图2-1 T-s图从图中分析可知，热力系的初、终状态相同，但从图中分析可知，热力系的初、终状态相同，但经历的过

6、程不同，其传热量也不相同。再次说明经历的过程不同，其传热量也不相同。再次说明热量是过程量热量是过程量，它与过程特性有关。，它与过程特性有关。2022-1-1二二、 功量功量 在力差作用下在力差作用下,热力系与外界发生的能量交热力系与外界发生的能量交换就是换就是功量。功量。 功量亦为过程量。功量亦为过程量。 有各种形式的功有各种形式的功,如电功、磁功、膨胀功、轴功等。如电功、磁功、膨胀功、轴功等。工程热力学主要研究两种功量形式工程热力学主要研究两种功量形式: 体积变化功体积变化功 轴功轴功2022-1-11、体积变化功体积变化功 由于热力系体积发生变化（增大或缩小）而通过边由于热力系体积发生变化

7、（增大或缩小）而通过边界向外界传递的机械功称为体积变化功（界向外界传递的机械功称为体积变化功（膨胀功膨胀功或或压缩功压缩功）。）。 体积变化功体积变化功: W , 单位为单位为J或或kJ 。 1kg工质传递的体积变化功用符号工质传递的体积变化功用符号w表示，单位为表示，单位为J/kg或或kJ/kg。 正负规定正负规定: 热力系对外作膨胀功热力系对外作膨胀功热力系对外作压缩功热力系对外作压缩功2022-1-1 体积变化功的计算体积变化功的计算如图如图2-2所示所示, 1kg的气体的气体 ;可逆膨胀过程可逆膨胀过程 ; p，A，dx对于对于pdvpAdxw2121pdvwwmkg工质工质21pdV

8、mwW图2-2 体积变化功2022-1-1 示功图示功图示功图示功图21wpdv2022-1-12、轴功轴功 热力系通过机械轴与外界交换的功量。热力系通过机械轴与外界交换的功量。 轴功轴功: Ws , 单位为单位为J或或kJ 。 1kg工质传递的轴功用符号工质传递的轴功用符号ws表示，单位为表示，单位为J/kg或或kJ/kg。 正负规定正负规定: ws热力系向外输出轴功热力系向外输出轴功ws外界向热力系输入轴功外界向热力系输入轴功2022-1-1 轴功的特点轴功的特点 刚性绝热封闭热刚性绝热封闭热力系不可以任意地力系不可以任意地交换轴功，即交换轴功，即: 外界功源向其输入轴功外界功源向其输入轴

9、功将转换成热量而增加热将转换成热量而增加热力系的热力学能。力系的热力学能。 刚性绝热封闭热力系不刚性绝热封闭热力系不可能向外界输出轴功可能向外界输出轴功2022-1-1 开口热力系与外界开口热力系与外界可以任意地交换轴功，可以任意地交换轴功，即即: 热力系可向外输出轴功热力系可向外输出轴功, 如燃气轮机、蒸汽轮机等如燃气轮机、蒸汽轮机等 热力系可接受输入的轴功热力系可接受输入的轴功, 如泵、风机、压缩机如泵、风机、压缩机2022-1-1 功率功率 单位时间所作的功单位时间所作的功。 功率单位功率单位: W或或kW，1W 1J/s。 用功率可用功率可比较热机的做功能力比较热机的做功能力。2022

10、-1-1三三、随工质流动传递的能量随工质流动传递的能量 开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们开口热力系在运行时，存在工质的流入、流出，它们在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包在经过边界时携带有一部分能量同时流过边界，这类能量包括两部分括两部分: 流动工质本身的储存能流动工质本身的储存能 E 流动功流动功(推动功推动功) Wf mgzmcUE2f212022-1-1 流动功流动功 开口系因工质流动而传递的功量称为开口系因工质流动而传递的功量称为流动功流动功,又又称称推动功推动功。即推动工质流动而做的功。即推动工质流动而做的功。 流动功是为推动工质通过控制体界面而传递的机

11、械功，它流动功是为推动工质通过控制体界面而传递的机械功，它是维持工质正常流动所必须传递的能量。是维持工质正常流动所必须传递的能量。 流动功流动功: Wf , 单位为单位为 J或或kJ 1kg工质所作流动功用工质所作流动功用 wf 表示，单位为表示，单位为J/kg或或kJ/kg。2022-1-1 如图所示，已知如图所示，已知dm，p，v，A 对对dm工质工质: Wf pAdx pdV pvdm 对对1kg工质工质 : 1kg工质流入和流出控制体的净流动功为工质流入和流出控制体的净流动功为 wf p2v2 p1v1 流动功是一种特殊的功，其数值取决于流动功是一种特殊的功，其数值取决于控制体进、出口

12、界面上工质的热力状态。控制体进、出口界面上工质的热力状态。 pvmWwdff2022-1-1 流动功是由泵和风机等加给被输送流动功是由泵和风机等加给被输送工质并随着工质的流动而向前传递工质并随着工质的流动而向前传递的一种能量，不是工质本身具有的的一种能量，不是工质本身具有的能量。能量。2022-1-1 流动工质传递的总能量流动工质传递的总能量: 流动工质本身的储存能流动工质本身的储存能 E 流动功流动功(推动功推动功) Wf 即: 或 pVmgzmcU2f21pvgzcu2f212022-1-1四四、焓及其物理意义焓及其物理意义 令令 H U pV 焓焓(单位单位: J或或kJ ) 或或 h

13、u pv 比焓比焓(单位单位: J/kg或或kJ/kg ) 焓也是焓也是状态参数状态参数,与工质是否流动无关。与工质是否流动无关。 对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带对开口热力系、流动工质，焓表示工质在流动过程中携带的由其热力状态决定的那部分能量；的由其热力状态决定的那部分能量； 对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的对封闭热力系，焓表示由热力学能、压力和比体积组成的一个复合状态参数。一个复合状态参数。 引入状态参数焓后引入状态参数焓后, 流动工质传递的总能量为流动工质传递的总能量为: 或或mgzmcH2f21gzch2f212022-1-1 第三节第三节 热学第一

14、定律热学第一定律一一、热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质。 可表述为可表述为: 热能和机械能在传递和转换时热能和机械能在传递和转换时,能量的总量必定守恒。能量的总量必定守恒。 第一类永动机是不存在的。第一类永动机是不存在的。 对一切热力系统和热力过程对一切热力系统和热力过程,有有:2022-1-1二、封闭热力系的能量方程二、封闭热力系的能量方程Q=U+W或或qu w 对微元过程：对微元过程： Q dU W 或或 q du w 上述各式适用于封闭热力系上述各式适用于封闭热力系 的任何工质进行的一切热力过程。它表示加给热力系的任何工质进行的一切热力过程。它表示加给热力系的热量一部分用来对外膨

15、胀做功，另一部分用来增加的热量一部分用来对外膨胀做功，另一部分用来增加工质的热力学能，储存于工质内部。工质的热力学能，储存于工质内部。 对于可逆过程对于可逆过程 : q du pdv 或或 qu vpd212022-1-1 例例2-1 对于对于12kg的气体在封闭热力系中吸热膨胀，的气体在封闭热力系中吸热膨胀，吸收的热量为吸收的热量为140kJ，对外作了，对外作了95kJ的膨胀功。问该过程的膨胀功。问该过程中气体的热力学能是增加还是减少？每千克气体热力学中气体的热力学能是增加还是减少？每千克气体热力学能变化多少？能变化多少？ 解解：根据公式（：根据公式（2-18）得）得 U Q W 140 9

16、5 45 （kJ） 由于由于 U 45kJ0，故气体的热力学能增加。，故气体的热力学能增加。 每千克气体热力学能的增加量为每千克气体热力学能的增加量为 （kJ/kg）75. 31245mUu2022-1-1 例例2-2 对定量的气体提供热量对定量的气体提供热量100kJ，使其由状态，使其由状态1沿沿A途径变化至状态途径变化至状态2（图（图2-6），同时对外做功），同时对外做功60kJ。若。若外界对该气体做功外界对该气体做功40kJ，迫使它从状态，迫使它从状态2沿沿B途径返回至途径返回至状态状态1，问返回过程中工质吸热还是放热？其量为多少？，问返回过程中工质吸热还是放热？其量为多少？又若返回时不

17、沿又若返回时不沿B途径而沿途径而沿C途径，此时压缩气体的功为途径，此时压缩气体的功为50kJ，问，问C过程中是否吸收热量？过程中是否吸收热量？ 2022-1-1 解解：（：（1）气体由）气体由1A2沿沿2B1返回时与外界交换的热返回时与外界交换的热量量Q2B1的计算。的计算。 对于每一个热力过程，满足能量方程对于每一个热力过程，满足能量方程QU W，对，对于一个循环，因为热力学能是状态参数，满足于一个循环，因为热力学能是状态参数，满足 或或 。则。则 Q1A2 Q2B1 W1A2 W2B1 Q2B1 W1A2 W2B1 Q1A2 60 40 10080 （kJ） （2）由过程）由过程1A2和和

18、2C1组成循环时，气体与外界交组成循环时，气体与外界交换的热量换的热量Q2C1的计算。的计算。 与上述同理与上述同理 Q1A2 Q2C1 W1A2 W2C1 Q2C1 W1A2 W2C1 Q1A2 60 50 10090 （kJ） 计算所得热量均为负值，表示气体在两种不同的返计算所得热量均为负值，表示气体在两种不同的返回过程中均放出热量，且压缩气体的功越大，放热量越回过程中均放出热量，且压缩气体的功越大，放热量越多。多。0dUWQ2022-1-1三、开口热力系的稳定流动能量方程三、开口热力系的稳定流动能量方程1. 稳定流动稳定流动 在在开口热力系开口热力系中，工质的流动状况不随时间而改变，中，

19、工质的流动状况不随时间而改变，即流道中任意截面上工质的状态参数不随时间改变即流道中任意截面上工质的状态参数不随时间改变. 特征特征: 单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时间改变。单位时间内热力系与外界传递的热量和功量不随时间改变。 各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改变。各流通截面工质的质量流量相等、且不随时间而改变。 2022-1-12. 开口热力系的稳定流动能量方程开口热力系的稳定流动能量方程12mmm2022-1-11kg工质进入热力系带进的能量工质进入热力系带进的能量121f1121gzcue，流动功，流动功p1v1 ，1kg工质工质流出热力系带出的能量流出热力系带出的

20、能量222f2221gzcue，流动功流动功p2v2 又假定又假定1kg工质流经热力系时从外界吸工质流经热力系时从外界吸入的热量为入的热量为q，通过热力系对外界输出，通过热力系对外界输出的轴功为的轴功为ws2022-1-1根据热力学第一定律根据热力学第一定律, 有有 : 对微元热力过程对微元热力过程: 上述各式适用于开口热力系稳定流动的各种热力过程。上述各式适用于开口热力系稳定流动的各种热力过程。02121s22222f211121f1wvpgzcuqvpgzcus1221f22f1221wzzgcchhq2fs1ddd2qhcg zw2fs12hcg zw 2022-1-1四、技术功四、技术

21、功 wt 在热力学中上，将工程上可以直接利用在热力学中上，将工程上可以直接利用的的wt。对微元热力过程对微元热力过程s2ft21wzgcws2ftdd21wzgcw2022-1-12fs12qhcg zw tqhw wtqh（uw）（up2v2p1v1） 即 wtw （p2v2 p1v1） 表明表明: 工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于体积工质稳定流经热力设备时所作的技术功等于体积 变化功减去净流动功。变化功减去净流动功。tdqhw 2022-1-1 对于稳定流动的可逆过程对于稳定流动的可逆过程1-2上式中，上式中，v 恒为正值，负号表示技术功的正负恒为正值，负号表示技术功的正负与与dp相

22、反，即：相反，即： wt 0 ，过程中压力降低，对外做功；，过程中压力降低，对外做功； wt 0 ，工质的压力增加，外界对工质做功。，工质的压力增加，外界对工质做功。212121211122tddddpvpvvpvpvpvpw2022-1-121dqhv p ddqhv p 2t1dwv p 2022-1-1五、稳定流动能量方程的应用五、稳定流动能量方程的应用 工程上工程上,对许多热工设备的运行对许多热工设备的运行,可利用简化的稳定流动能可利用简化的稳定流动能量方程式分析它们的能量关系量方程式分析它们的能量关系。1. 动力机械动力机械 动力机械对外输出的轴功等于工质的焓降。 理论功率理论功率

23、2. 泵与风机泵与风机工质流经泵与风机，消耗的轴功等于焓的增加。 21shhw)(21msmhhqwqP12shhw2022-1-13. 压缩机压缩机qhhw12s2022-1-12022-1-1 4. 换热器换热器工质在换热器中吸收的热量等于焓的增加。 5. 喷管与扩压管喷管与扩压管工质流经喷管或扩压管时， 动能的增加等于焓的减少。 12hhq2121f22f21hhcc2022-1-1120hh2022-1-1 例例2-3 工质以工质以cf1 3m/s的速度通过截面的速度通过截面A1 45cm2的管道的管道进入动力机械。已知进口处进入动力机械。已知进口处p1 689.48kPa，v1 0.

24、3373m3/kg，u1 2326kJ/kg，出口处，出口处h2 1395.6kJ/kg。若忽略工质的动。若忽略工质的动能及位能的变化，且不考虑散热，求该动力机械输出的理论能及位能的变化，且不考虑散热，求该动力机械输出的理论功率。功率。 解：解：工质的质量流量为工质的质量流量为 （kg/s） 进口比焓为进口比焓为 （kJ/kg） 动力机械输出的理论功率为动力机械输出的理论功率为 （kW）0400. 03373. 0104534111fmvAcq6 .25583373. 048.68923261111vpuh5 .466 .13956 .255804. 0)(21mhhqP2022-1-1 例例2-4 某蒸汽轮机，进口蒸汽参数为某蒸汽轮机，进口蒸汽参数为p1 9.0MPa，t1 500，h1 3386.4kJ/kg，cf1 50m/s；出口蒸汽参数为；出口蒸汽参数为p2 0.004MPa，h2 2226.9kJ/kg，cf2 140m/s，进出口高度差，进出口高度差为为12m，每千克蒸汽经汽轮机散热，每千克蒸汽经汽轮机散热15kJ。试求：（。试求：（1）每千克）每千克蒸汽流经汽轮机时所输出的轴功。（蒸汽流经汽轮机时所输出的轴功。（2）进、出口动能差、）进、出口动能差、位能差忽略时，对输出功的各自影响。（位能差忽略时，对输出功的各自影响。（3）散热忽略时，）散热