第三章能量与热力学第一定律

1、第三章 能量与热力学第一定律第一类永动机 1、定义：某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或做功，叫做“第一类永动机”。 2、特征：这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断的对外做功。第一节 热力学第一定律的实质达芬奇（1452年4月15日1519年5月2日） “永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！” 第一节 热力学第一定律的实质 一、能量转换与能量守恒定律 自然界一切物质都具有能量。能量既不能被创造，也不可能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式。在转换过程中，能量的总量恒定不变。 二、热力学第一定律的实质 热力学第一定律的实质就是能量守恒，可表述为多种形式，如“第一类永动机是

2、不可能造成第一类永动机是不可能造成的的”“当热能与其它形式的能量进行转换时，能当热能与其它形式的能量进行转换时，能的总量保持恒定的总量保持恒定”第一节 热力学第一定律的实质 三、热力学第一定律的表达式 式中Esys-热力系的能量变化；Esur-外界的能量变化 四、封闭热力系的热力学第一定律 对于封闭热力系来说: Esys=U， Esur=-（Q+W） 代入上式得0sursysEEWQU第一节 热力学第一定律的实质 四、封闭热力系的热力学第一定律 对于热力学第一定律解析式，如果考虑到热力系动能和位能的变化，则上式可化为WQUWQEEUpk第一节 热力学第一定律的实质 例3-1：定量空气在状态变化

3、过程中对外放对外放热热40 kJ/kg，内能增加内能增加80 kJ/kg，试问空气是被压缩还是膨胀？功量是多少？第一节 热力学第一定律的实质 例3-2 对定量的某种气体提供热能提供热能100kJ,使其由状态1沿A途径变化至状态2，同时对外做功对外做功60 kJ。若外界对该气体做功该气体做功40 kJ，迫使它从状态2沿B途径返回至状态1，问返回过程中工质是吸热还是放热？其量为多少？又若返回时不沿途径B而沿途径C，此时压缩气体的功压缩气体的功为50 kJ，问C过程中有无吸收热量?第一节 热力学第一定律的实质 五、稳流热力系的热力学第一定律 1.稳流热力系的概念:如果在流动过程中，开口系统内部及其边

4、界上各点工质的热力参数热力参数及运动参数运动参数都不随时间而变不随时间而变，这种流动过程就称稳定流动过程，相应的热力系则称为稳流热力系。 当热力设备在不变的工况下工作时，工质的流动过程可视为稳定流动过程；当其在启动、加速等变动工况工作时，工质的流动过程则属不稳定流动，如向气罐充气和气罐排空的过程等均属不稳定流动。 想一想：大部分设备正常工作时是稳流过程还是非稳流过程？第一节 热力学第一定律的实质 五、稳流热力系的热力学第一定律 2.稳流热力系热力系第一定律0sursysEEpksysEEHEssurWQEsWQzmgCmH2210sursysEEssurWQEpksysEEHE0sursysE

5、EssurWQE第二节 稳流热力系的轴功与技术功 一、稳流热力系的输出功轴功 1.概念:在实际生产中，常用的动力设备：耗功设备，如泵、风机和压缩机；产功设备，如热力机械中的蒸汽轮机、水力机械中的水轮机等，都是通过设备机械轴的转动实现热力系，即工质与外界之间的功交换，这些设备的输入、输出功就是轴功。第二节 稳流热力系的轴功与技术功 一、稳流热力系的输出功轴功 2、轴功计算： 对于稳流热力系，对外输出的轴功等于流动过程中工质容积变化功与各种形式的机械功增量的代数和。 对于封闭热力系：不存在工质的流进流出，输出功就是容积变化功。ZgCvpvpwws2112221第二节 稳流热力系的轴功与技术功二、稳

6、流热力系的做功能力-技术功 1. 对轴功公式 变化得 令 wt称为开口热力系的技术功，是容积功和流动功的代数和。ZgCvpvpwws2112221ZgCwvpvpws2112221ZgCwvpvpwwst2112221第二节 稳流热力系的轴功与技术功三、可逆轴功的计算及其应用 1.对于可逆过程： 若工质进、出热力设备的宏观动能、位能的变化很小，可忽略不计，则ZgCvdpwRs2212121vdpwwRtRs作业 P50,3-7第三节 理想气体的显热计算 显热的定义 指工质在不发生相变化相变化和化学变化化学变化的条件下，在加热或冷却过程中吸收或放出的热量。第三节 理想气体的显热计算一、比热容一、

7、比热容 1.定义：1 kg物质温度变化1K时与外界交换的显热，称为物质的比热容。用符合c表示。 2.单位：J/(kgK)或kJ/(kgK) 3.影响因素：工质的性质；换热方式；工质所处的状态。 思考：水的比热容是多少？ 4200 J/(kgoC)第三节 理想气体的显热计算二、摩尔热容 1、定义：1mol物质温度变化1K时与外界交换的显热，称为物质的摩尔热容。用符合c表示。 2、单位：J/(molK)或kJ/(molK) 3、影响因素：工质的性质；换热方式；工质所处的状态。第三节 理想气体的显热计算四、摩尔定压热容 1.定义：在定压条件下，使1 mol物质温度变化1 K时，与外界交换的显热，称摩

8、尔定容热容，用符合cp表示。 2.计算公式： 3.条件：定压定压，像BdTdhcp三、摩尔定容热容 1.定义：在定容条件定容条件下，使1 mol物质温度变化1 K时，与外界交换的显热，称摩尔定容热容，用符合cv表示。 2.计算公式： 3.条件：容积容积不变，像AdTdUcvcp和和cv的关系：的关系： cp=cv+R第三节 理想气体的显热计算五、显热的计算五、显热的计算 1.定义：指工质在不发生相变化和化学变化的条件下，在加热或冷却过程中吸收或放出的热量。 2.计算公式： 3.采用定值摩尔定压热容计算显热qp 公式：qp =h=cp(T2-T1)=cpT= cp t(J/mol)21TTppd

9、Tchq理想气体的定值摩尔热容和绝热指数理想气体的定值摩尔热容和绝热指数理想气体单原子气体双原子气体多原子气体cv1.5R2.5R3.5Rcp2.5R3.5R4.5Rk=cp/cv1.6671.401.286第三节 理想气体的显热计算五、显热的计算五、显热的计算 4.采用真实摩尔定压热容计算显热qp 无机气体 有机气体 5.采用平均摩尔定压热容计算显热qp21TTppdTchq23221TaTaTaacop33221TaTaTaacop1221ttchqttpp12122121ttdTcttqcTTppttp第三节 理想气体的显热计算六、显热的计算 5.采用平均摩尔定压热容计算显热qp 由于t

10、1、t2是变化的， 也是变化的，为了计算方便，我们采用以0 oC或25 oC为基准温度计算平均摩尔定压热容 当t0=0 oC时，上式可写成 其中：cp2从基准温度t0(一般是0 oC)至t2时的平均摩尔定压热容； t0(一般是0 oC)至t1时的平均摩尔定压热容.1221ttchqttpp21ttcp01021020ttcttcqttpttpp1122tctchqppp第三节 理想气体的显热计算六、显热的计算 6.采用焓值数据计算显热qp：qp =h=h2-h1 7.理想气体混合物的计算 上述各式同样适用，只不过将各计算式中纯气体的摩尔定压热容换成混合物的摩尔定压热容即可。 8.液体、固体物料

11、的显热计算 除了上述各种计算方式外，其摩尔定压热容与摩尔定容热容近似相等BpBBpmcycBBBBBBBpmhhyhyq12vpcc 第三节 理想气体的显热计算 例3-3：试求常压下，将1 mol氧气由100 oC加热至 500 oC时所需的热量。 例3-4：已知烟气的容积为15.6 m3（标准状况），测得其容积分数为CO2=0.104、O2=0.0518、H2O=0.0992、 N2=0.745。若该烟气在锅炉空气预热器进口处的温度为500 oC，出口处温度为200 oC，试求该烟气所放出的热量第四节 第一定律在稳流热力系中的应用一、锅炉及各种换热器 1.以设备中的某种工质为热力系 对于锅炉

12、，Ws=0, z=0, C=0，上式可化为: H=Q传传 式中: H工质在换热过程中的焓变； Q传工质与外界间传递的热量 例3-5：有一水平位置的热交换器，其进、出口的截面积相等。空气进入时的温度、压力和流速分别为30 oC、0.105 MPa和10 m/s，离开时的温度和压力为130 oC和0.104 MPa。试计算当空气的质量流量为100 kg/h时，从热交换器吸收多少热量？已知空气的平均比定压热容为1.005 kJ/(kgK)sWQzmgCmH221第四节 第一定律在稳流热力系中的应用一、锅炉及各种换热器 2.以整个设备为热力系H热+H冷=Q损 ，H热I+ H冷=0 H热热流体的焓变；

13、H冷冷流体的焓变； Q损整个设备与外界环境的热交换，即设备的热损失 例3-6：某台锅炉每小时产汽40t，已知锅炉进水焓h1=410 kJ/kg, 锅炉出口蒸汽焓h2=2780 kJ/kg, 燃煤的发热量qdw=-30000 kJ/kg，锅炉效率为I=80%，试求锅炉每小时燃煤量m为多少？sWQzmgCmH221第四节 第一定律在稳流热力系中的应用 例3-7：用6857 kJ的热量加热空气，问能将多少立方米的空气（标准状况）由t1=40 oC加热到t2=300 oC。 假定烟气与空气的换热过程中无散热损失； 若换热过程中有热损失700 kJ，求被加热的空气量及加热器的热效率。第四节 第一定律在稳

14、流热力系中的应用二、汽轮机和燃气轮机二、汽轮机和燃气轮机 工质流过汽轮机和燃气轮机时压力降低，对外做功。外界未给工质加热，工质对外散热也很小，动能差和位能差也很小，即工质的Q、Ek、Ep可以忽略，得 Ws=H=H2-H1 即工质在汽轮机或燃气轮机中所做的功的数值等于工质即工质在汽轮机或燃气轮机中所做的功的数值等于工质焓的减少。焓的减少。 例3-8：已知蒸气进入透平时的焓值为3230 kJ/kg，流速为50 m/s，离开透平时的焓值为2300 kJ/kg, 流速为120 m/s，蒸气出口管比进口管低3 m，蒸气的流量为10000 kg/h。若忽略透平的散热损失，试求：透平输出功率；若忽略进出口蒸气的动能差和位能差，计算对输出功率的计算值产生的误差。sWQzmgCmH221第四节 第一定律在稳流热力系中的应用三、泵与风机 工质流经泵与风机时，压力增加，外界对工质做功。由于工质流经设备的时间很短，散热量、热量可略去不计，且进出口动能差、位能差都很小。因此，稳定流动能量方程为： Ws=H=H2-H1sWQzmgCmH221第四节 第一定律在稳流热力系中的应用四、压缩机 当气体流经压缩机时，受到压缩，气体的压力升高。一般情况下，进出口气流的