第6章热力学第一定律及其工程应用课件

第6章热力学第一定律及其工程应用内容概要能量守恒定律能量既不能被创造，也不能被消灭，只能在一定条件下从一种形式的能量转变为另一种形式。转换中，能量的总量保持不变。不消耗任何能量而不断作功的第一类永动机是造不成的。热机的热效率不可能大于1第6章热力学第一定律及其工程应用内容概要能量守恒定律能量既热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的基本形式为：Δ（体系的能量）＋Δ（环境的能量）＝0或Δ（体系的能量）＝－Δ（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。

热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的热力学第一定律的能量具有各种不同的形式机械能热能电能化学能核能等各种不同形式的能量相互转化热能机械能重点内容敞开系统热力学第一定律稳定流动与可逆过程可逆轴功与实际轴功的计算气体压缩及膨胀过程热力学分析节流与等熵膨胀过程中的温度效应能量具有各种不同的形式机械能热能电能化学能核能等各§6—1、封闭系统的能量平衡体系能量的变化=体系与环境能量交换的净能量。

即：封闭体系非流动过程的热力学第一定律：

内能：物质内部所有微观粒子所具有的能量的总和。（仅与微观粒子的数目和温度有关）§6—1、封闭系统的能量平衡体系能量的变化=体系与环境能量交§6—2、敞开系统的能量平衡开系的特点：①体系与环境有物质的交换。除有热功交换外，还包括物流输入和输出(携带能量)

。开系的划分：可以是化工生产中的一台或几台设备。可以是一个过程或几个过程。可以是一个化工厂。把划定的开放体系那部分称为控制体，用σ表示。§6—2、敞开系统的能量平衡开系的特点：①体系与环开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：图6—1开系的平衡（a）质量平衡（b）能量平衡控制体σ控制体σ开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：图6—1单位质量流体携带的能量e为：z——位高g——重力加速度u——流体的平均流速控制体中能量变化：两端对时间积分得：和分别为内开系与外界交换的热和功单位质量流体携带的能量e为：z——位高g——重力加速度u—16p1A1系统与环境交换功W，实际上由两部分组成：

轴功：通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；

流动功：单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及 离开系统时推动前面物质对环境所作的功。 假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为p1

，则推动力为p1A1

，使单位质量流体进入系统，需要移动 的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为：即单位质量流体进入系统时，接受后面流体（环境）所给予的功；同样单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体（环境），即对环境作-p2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功，只有在连续流动过程中才存在。16p1A1系统与环境交换功W，实际上由两部分组成：即单位第6章热力学第一定律及其工程应用课件再结合将代入，得：将时，将上式写成微分式：此式是开系通用的能量平衡方程(开系热力学第一定律）再结合将稳流体系没有能量和质量的积累，即：稳定流动非稳定流动稳定流动：流体的流速及其他物理量仅随位置而变而不随时间而变。§6-3稳流过程的能量平衡稳流体系没有能量和质量的积累，即：稳定流动非稳定流动稳一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合如图为一稳定流动过程：：势能：动能稳定流动过程无能量变化一、开系稳流过程的能量平衡式如图为一稳定流动过程：：势能：动能稳定流动过程无能量变化一换热器透平机零势能基准面12图6-1稳定流动示意图换热器透平机零势能基准面12图6-1稳定流动示意图当只有一股物料流入和流出：则写出通式：

则:如果将单位质量看成一个体系，因为质量不变，可看成是一个流动的封闭体系。当只有一股物料流入和流出：则写出通式：则:如果将同除m变为单位质量：上两式为开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。例6—1用功率为2.0kW的泵将95℃的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为3.5kg•s-1。在换热器中以698kJ•s-1的速率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m的第二贮水罐中，求第二贮水罐的水温。同除m变为单位质量：上两式为开系稳流过程的能量平衡式t=？贮水罐换热器95℃贮水罐进水泵15m例6—1稳流过程示意图t=？换95℃进水泵15m例6—1稳流过程示意图以1kg水为计算基准输入的功放出的热位能的变化[解]1瓦=1焦/秒以1kg水为计算基准输入的功放出的热位能的变化[解]1瓦可以忽略此过程动能的变化，即根据稳流过程能量平衡式（6—8），由附表3（水蒸汽表）查得95℃饱和水的焓故有根据再查附表3，得℃可以忽略此过程动能的变化，即根据稳流过程能量平衡式（6—8）二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、机械能平衡方程式（柏努力方程）：流体：不可压缩，无粘性无热、无轴功的交换由此例可见，对液体稳流过程，热流量较大而位能变化不大时，和与相比，显得很小，可以忽略。自看例6.1作业：6.4内能二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、机械能平衡方不可压缩流体v不变，方程变成：这就是著名的柏努力方程。

适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动。（6-10）不可压缩流体v不变，方程变成：这就是著名的柏努力方程。2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程或⑴、有大量热、无轴功交换，⑵无热交换（绝热）方程为：

或忽略过程中系统的动能和位能变化2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程或⑴、有大量热、无轴功例：某工厂一工段需要流量为10m3·h-1，温度为80℃的热水。现有0.3MPa的饱和水蒸汽和30℃的循环回水可供调用。请你设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水的流量？相应的蒸汽管和冷水管尺寸如何？解：这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以忽略不计。若忽略混合时的热量损失，而混合过程无机械轴功产生，即Q=0，Ws=0。稳流系统热力学第一定律，ΔH=Q-Ws=0，即进出焓相等冷水的热力学性质：30℃，近似为饱和液体，H冷水=125.79kJ·kg-1，比容1.0043l×10-3m3·kg-1例：某工厂一工段需要流量为10m3·h-1，温度为80℃的饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55℃，H蒸汽=2725.3kJ·kg-1，比容6.06×10-3m3·kg-1热水的热力学性质：80℃，近似为饱和液体，H热水=334.91kJ·kg-比容为设冷水的流量为m水，蒸汽的质量流量为m汽。热水流量为则

解得饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55℃查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求在1.0m/s左右，低压蒸汽流速为20m/s左右。则式中A为管道截面积，D为管径，U为流速，V为比容。即冷水管径按照管道规格尺寸，选取DN50的冷水管道。选取DN100的蒸汽管道。蒸汽管径查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求习题6.6习题6.6第6章热力学第一定律及其工程应用课件第6章热力学第一定律及其工程应用课件二、可逆过程耗散效应：可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现象汽缸活塞飞轮可逆过程：当系统进行正、反两个方向后，系统与外界环境均能完全回复到其初始状态，这样的过程称为可逆过程二、可逆过程耗散效应：可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现三、轴功1、可逆轴功、绝热可逆过程：、对于静止的或流动的封闭体系单位质量流体：无任何摩擦损失的轴功三、轴功1、可逆轴功、绝热可逆过程：、对于静止的或流动的封当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用能量平衡方程写成：可逆过程:或用于液体时:∵不可压缩流体V=常数当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用2、实际轴功的计算：产功设备（透平）：η的大小与机器制作水平有关。耗功设备：2、实际轴功的计算：产功设备（透平）：η的大小与机器制作例某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如图所示。给水的压力为0.09807MPa（绝），温度15℃。水被加压到0.687MPa（绝）后进入锅炉，将水加热成饱和蒸汽。蒸汽由锅炉进入透平，并在透平中进行膨胀作功。排出的蒸汽（称乏汽）压力为0.09807MPa。蒸汽透平输出的功主要用于带动事故泵，有一小部分用于带动给水泵。若透平机和给水泵都是绝热、可逆操作的，问有百分之几的热能转化为功（即用于事故泵的功）？[解]计算基准取1kg水。给水泵轴功可用式（6—15）进行计算例某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如图所示。给水的查附表3（水蒸汽表）可知15℃水的饱和蒸汽压为1.7051KPa、比容为泵的操作绝热可逆，因此：锅炉透平Ws（泵）驱动水泵需用功1给水t=15℃泵243饱和蒸汽废蒸汽（乏汽）查附表3（水蒸汽表）可知15℃水的饱和蒸汽压为1.7051K倘若知道进入水泵时水的焓，则可从上式求出，即进入锅炉的液体水的焓。15℃饱和水的焓可以从水蒸汽表中查到与的关系为（A）式中由倘若知道进入水泵时水的焓，则可从上式求出并用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，可以忽略。因此锅炉出口为687kPa的饱和蒸汽，从水蒸气表中查得（A）并用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，可根据式（6—14）对锅炉进行能量衡算每kg水通过锅炉吸热2699kJ。按题意透平机是在绝热、可逆条件下操作的，因此是等熵过程，已知，根据和之值从水蒸气的焓熵图（Mollier图）可查得可根据式（6—14）对锅炉进行能量衡算每kg水通过锅炉吸热2根据式（6—14）对透平机进行能量衡算其中有一部分轴功用于水泵，因而提供给事故泵的轴功为与之比，称热效率，由此可见，只有12.5%的热转化为功，此功用于事故泵。根据式（6—14）对透平机进行能量衡算其中有一部分轴功用于水例：30℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kg.K),求50kg空气从换热器吸收的热量例：30℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换将空气当作理想气体，并忽略压降时解：将空气当作理想气体，并忽略压降时解：换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计例题6.3将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵送到压力为0.588MPa(绝)的锅炉中，问输送1000kg水要消耗多少可逆轴功？若给水泵的效率为0.85，间实际耗功为多少?解：查附录3水蒸汽表298K、0.09807MPa(绝)水的比容为由此可求出可逆轴功为实际功耗例题6.3将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵送四、热量衡算无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算

稳流过程的热量衡算的基本关系式：J/kg

热量衡算时应将生产过程中各种可能热效应考虑进去。生产中的四种热效应：①显热――物流的温度变化②潜热――物流的相变化③混合热效应――多股物流混合④反应热效应――化学反应产生四、热量衡算无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算§6-4、气体压缩过程常用于压缩气体的机械有：（终压＞0.3，压缩比＞4）压缩机鼓风机（终压0.015～0.3，

压缩比＜4）通风机（终压＜0.015（表压））

按运动机构，压缩机分往复式叶轮式§6-4、气体压缩过程常用于压缩气体的机械有：（终压＞0.一、压缩过热力学分析理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存在任何摩擦损耗，输入的功完全用于压缩气体。往复式压缩机压缩过程示意图：排气活门吸气活门冲程活塞冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程一、压缩过热力学分析理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存PV6512c2a2b31、恒温压缩过程：

3、绝热压缩过程：2、多变压缩过程：气体压缩过程在P-V图中的表达图6-3PV6512c2a2b31、恒温压缩过程：3、绝热压缩过程就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，多变过程居中二、单级压缩机可逆轴功的计算：1、等温压缩理想气体：

2、绝热过程与体积功计算公式的区别就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，二、单

第6章热力学第一定律及其工程应用课件理想气体的K可取：单原子气体：K=5/3=1.667双原子气体：K=7/5=1.40多原子气体：K=4/3=1.333混合气体的绝热指数可按下式计算：

——混合气体中某组分的绝热指数——混合气体中某组分的摩尔数理想气体的K可取：单原子气体：K=5/3=1.667混由公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下绝热指数K和压缩比。3、多变过程：由公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下3、多变过4、真实气体压缩功的计算：⑴、当压缩因子系数Z变化不大时：若压缩机进出口Z变化不大，可取平均值：，然后将其看成常数。等温压缩：4、真实气体压缩功的计算：⑴、当压缩因子系数Z变化不大时：若绝热压缩：多变压缩：⑵、易液化气体（上述公式不适用）绝热过程：多变过程：绝热压缩：多变压缩：⑵、易液化气体（上述例设空气的初态压力为0.10814MPa，温度为15.6℃，今将1kg空气压缩至（绝压）。试比较可逆等温、绝热和多变压缩过程（m=1.25）的功耗和终点温度。（空气可作双原子气体处理）[解]空气在压力较低时可视为理想气体。（a）等温压缩。式中根据式（6—18），有例设空气的初态压力为0.10814MPa，温度为15.（c）多变压缩。根据式（6—20），有（b）绝热压缩。空气K=1.4，根据式（6—19），有（c）多变压缩。根据式（6—20），有（b）绝热压缩。空气压缩过程终点的温度为绝热压缩：多变压缩：计算结果列表如下：压缩过程终点的温度为绝热压缩：多变压缩：计算结果列表如下：压缩过程终温，功耗，等温多变15.6235.83234.6315.7375.79361.44绝热从表中数据可见，在1<m<K的条件下，当压缩比一定时，等温压缩功最小，终温最低；绝热压缩功最大，终温最高；多变压缩功和终温介于两者之间。压缩过程终温，功耗，等温多变15.6235.83234.636.5节流膨胀节流：指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时，压力降低(p1>p2)的现象。

节流阀ThrottlingValve6.5节流膨胀节流：指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时，Joule－Thomson节流温度效应理想气体节流前后温度不变实际气体节流前后温度有三种变化可能，绝热节流节流过程中流体与外界没有热量交换μJ-T>0表示节流膨胀后气体温度下降；μJ-T<0表示节流膨胀后气体温度升高；μJ-T=0表示节流膨胀后气体温度不变；Joule－Thomson节流温度效应理想气体节流前后温度不等焓线与转回曲线：

为了求μJ-T的值，必须作出等焓线，这要作若干个节流过程实验，在T-P图上得到若干个点，将点连结就是等焓线。如下图。在线上任意一点的切线，就是该温度压力下的μJ-T值。显然，在点3左侧，μJ-T>0；在点3右侧，μJ-T<0；在点3处，μJ-T=0.

(T0,p0)等焓线与转回曲线：(T0,p0)选择不同的起始状态P0、T0，作若干条等焓线。将各条等焓线的极大值相连，就得到一条虚线，将T-p图分成两个区域。该虚线称为转回曲线。在虚线以左，μJ-T>0，是致冷区，在这个区内，可以把气体液化；虚线以右，μJ-T<0，是致热区，气体通过节流过程温度反而升高。选择不同的起始状态P0、T0，作若干条等焓线。将各条等焓显然，工作物质（即筒内的气体）不同，转回曲线的T,p区间也不同。例如，N2的转回曲线温度高，N2气能液化的范围大；而H2和He则很难液化。图1-17为不同气体在等焓条件下温度随压力变化的实验曲线。显然，工作物质（即筒内的气体）不同，转回曲线的T,p区间例1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K的过热蒸汽，求湿蒸汽的干度（蒸汽组成）。解节流过程无功的传递，忽略散热、动能变化和位能变化T℃HkJ/kg1202716.61602796.2130H2内插法查表求H2例1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和401.5MPa饱和液体焓值Hl=844.9饱和蒸汽焓值Hg=2792.21.5MPa饱和液体焓值Hl=844.96.6等熵膨胀高压气体在膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作功，若过程可逆，则为等熵膨胀等熵效应：等熵时压力变化引起的温度变化因为微分等熵效应6.6等熵膨胀高压气体在膨胀机中作绝热膨胀，同时对外作功，温度下降的原因：是由于在膨胀过程有外功输出，膨胀后气体的位能增大，这些都要消耗能量，这些能量需要用内能来补偿，故气体的温度必然降低，总是得到冷效应。6.7膨胀过程中的温度效应为了获得较大的温度降，常采用较大的压力降积分节流效应经验式：任何气体，任何条件下进行等熵膨胀，温度总是下降！温度下降的原因：是由于在膨胀过程有外功输出，膨胀后气体的位能根据节流前状态找出点1，沿等焓线到达节流后状态点2，对应的温度即为节流后温度T2工程上，积分节流效应值△TH可利用热力学性质图直接读出，较为方便。等温节流效应：节流后的气体等压从其它体系吸收热量，本身回到节流前的温度，吸收的热量为节流膨胀的制冷量根据节流前状态找出点1，沿等焓线到达节流后状态点2，对应的温积分等熵效应：气体作等熵膨胀时，压力降较大引起的温度变化同样可以通过温熵图直接从图6-5上查出等熵膨胀的温度降为节流膨胀的制冷量在数值上等于等温变压的焓差，即等于等温膨胀过程中自外界吸收的热量，所以称之为等温节流效应。积分等熵效应：气体作等熵膨胀时，压力降较大引起的温度变化同样等熵膨胀制冷量节流膨胀制冷量膨胀功等熵膨胀制冷量等于节流膨胀制冷量与对外所做膨胀功之和。实际气体的等熵膨胀过程并非可逆过程，完全的等熵过程也是不存在的，因此：等熵膨胀制冷量节流膨胀制冷量膨胀功等熵膨胀制冷量等于节流膨胀节流膨胀与等熵膨胀比较：等熵效率：节流膨胀与等熵膨胀比较：等熵效率：喷管的热力学基础和喷射器(自看)作业：习题6.5、6.7喷管的热力学基础和喷射器(自看)作业：习题6.5、6.7第6章热力学第一定律及其工程应用内容概要能量守恒定律能量既不能被创造，也不能被消灭，只能在一定条件下从一种形式的能量转变为另一种形式。转换中，能量的总量保持不变。不消耗任何能量而不断作功的第一类永动机是造不成的。热机的热效率不可能大于1第6章热力学第一定律及其工程应用内容概要能量守恒定律能量既热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的基本形式为：Δ（体系的能量）＋Δ（环境的能量）＝0或Δ（体系的能量）＝－Δ（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。

热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的热力学第一定律的能量具有各种不同的形式机械能热能电能化学能核能等各种不同形式的能量相互转化热能机械能重点内容敞开系统热力学第一定律稳定流动与可逆过程可逆轴功与实际轴功的计算气体压缩及膨胀过程热力学分析节流与等熵膨胀过程中的温度效应能量具有各种不同的形式机械能热能电能化学能核能等各§6—1、封闭系统的能量平衡体系能量的变化=体系与环境能量交换的净能量。

即：封闭体系非流动过程的热力学第一定律：

内能：物质内部所有微观粒子所具有的能量的总和。（仅与微观粒子的数目和温度有关）§6—1、封闭系统的能量平衡体系能量的变化=体系与环境能量交§6—2、敞开系统的能量平衡开系的特点：①体系与环境有物质的交换。除有热功交换外，还包括物流输入和输出(携带能量)

。开系的划分：可以是化工生产中的一台或几台设备。可以是一个过程或几个过程。可以是一个化工厂。把划定的开放体系那部分称为控制体，用σ表示。§6—2、敞开系统的能量平衡开系的特点：①体系与环开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：图6—1开系的平衡（a）质量平衡（b）能量平衡控制体σ控制体σ开放体系热力学第一定律：控制体如图所示：图6—1单位质量流体携带的能量e为：z——位高g——重力加速度u——流体的平均流速控制体中能量变化：两端对时间积分得：和分别为内开系与外界交换的热和功单位质量流体携带的能量e为：z——位高g——重力加速度u—16p1A1系统与环境交换功W，实际上由两部分组成：

轴功：通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；

流动功：单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及 离开系统时推动前面物质对环境所作的功。 假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为p1

，则推动力为p1A1

，使单位质量流体进入系统，需要移动 的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为：即单位质量流体进入系统时，接受后面流体（环境）所给予的功；同样单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体（环境），即对环境作-p2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功，只有在连续流动过程中才存在。16p1A1系统与环境交换功W，实际上由两部分组成：即单位第6章热力学第一定律及其工程应用课件再结合将代入，得：将时，将上式写成微分式：此式是开系通用的能量平衡方程(开系热力学第一定律）再结合将稳流体系没有能量和质量的积累，即：稳定流动非稳定流动稳定流动：流体的流速及其他物理量仅随位置而变而不随时间而变。§6-3稳流过程的能量平衡稳流体系没有能量和质量的积累，即：稳定流动非稳定流动稳一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合如图为一稳定流动过程：：势能：动能稳定流动过程无能量变化一、开系稳流过程的能量平衡式如图为一稳定流动过程：：势能：动能稳定流动过程无能量变化一换热器透平机零势能基准面12图6-1稳定流动示意图换热器透平机零势能基准面12图6-1稳定流动示意图当只有一股物料流入和流出：则写出通式：

则:如果将单位质量看成一个体系，因为质量不变，可看成是一个流动的封闭体系。当只有一股物料流入和流出：则写出通式：则:如果将同除m变为单位质量：上两式为开系稳流过程的能量平衡式或称为开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。例6—1用功率为2.0kW的泵将95℃的热水从贮水罐送到换热器。热水的流量为3.5kg•s-1。在换热器中以698kJ•s-1的速率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m的第二贮水罐中，求第二贮水罐的水温。同除m变为单位质量：上两式为开系稳流过程的能量平衡式t=？贮水罐换热器95℃贮水罐进水泵15m例6—1稳流过程示意图t=？换95℃进水泵15m例6—1稳流过程示意图以1kg水为计算基准输入的功放出的热位能的变化[解]1瓦=1焦/秒以1kg水为计算基准输入的功放出的热位能的变化[解]1瓦可以忽略此过程动能的变化，即根据稳流过程能量平衡式（6—8），由附表3（水蒸汽表）查得95℃饱和水的焓故有根据再查附表3，得℃可以忽略此过程动能的变化，即根据稳流过程能量平衡式（6—8）二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、机械能平衡方程式（柏努力方程）：流体：不可压缩，无粘性无热、无轴功的交换由此例可见，对液体稳流过程，热流量较大而位能变化不大时，和与相比，显得很小，可以忽略。自看例6.1作业：6.4内能二、稳流过程能量平衡方程式的简化形式及其应用1、机械能平衡方不可压缩流体v不变，方程变成：这就是著名的柏努力方程。

适用条件：不可压缩，无粘性流体的稳态流动。（6-10）不可压缩流体v不变，方程变成：这就是著名的柏努力方程。2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程或⑴、有大量热、无轴功交换，⑵无热交换（绝热）方程为：

或忽略过程中系统的动能和位能变化2、与外界有大量热、轴功交换的稳流过程或⑴、有大量热、无轴功例：某工厂一工段需要流量为10m3·h-1，温度为80℃的热水。现有0.3MPa的饱和水蒸汽和30℃的循环回水可供调用。请你设计一个热水槽，进入该槽的蒸汽和冷水的流量？相应的蒸汽管和冷水管尺寸如何？解：这是一个稳定流动系统，动能及势能不是很突出，可以忽略不计。若忽略混合时的热量损失，而混合过程无机械轴功产生，即Q=0，Ws=0。稳流系统热力学第一定律，ΔH=Q-Ws=0，即进出焓相等冷水的热力学性质：30℃，近似为饱和液体，H冷水=125.79kJ·kg-1，比容1.0043l×10-3m3·kg-1例：某工厂一工段需要流量为10m3·h-1，温度为80℃的饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55℃，H蒸汽=2725.3kJ·kg-1，比容6.06×10-3m3·kg-1热水的热力学性质：80℃，近似为饱和液体，H热水=334.91kJ·kg-比容为设冷水的流量为m水，蒸汽的质量流量为m汽。热水流量为则

解得饱和蒸汽的热力学性质：0.3MPa，饱和温度为133.55℃查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求在1.0m/s左右，低压蒸汽流速为20m/s左右。则式中A为管道截面积，D为管径，U为流速，V为比容。即冷水管径按照管道规格尺寸，选取DN50的冷水管道。选取DN100的蒸汽管道。蒸汽管径查阅“化工工艺设计手册”，可知：一般工业用水在管中的流速要求习题6.6习题6.6第6章热力学第一定律及其工程应用课件第6章热力学第一定律及其工程应用课件二、可逆过程耗散效应：可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现象汽缸活塞飞轮可逆过程：当系统进行正、反两个方向后，系统与外界环境均能完全回复到其初始状态，这样的过程称为可逆过程二、可逆过程耗散效应：可用功由于摩擦阻力等造成功转变为热的现三、轴功1、可逆轴功、绝热可逆过程：、对于静止的或流动的封闭体系单位质量流体：无任何摩擦损失的轴功三、轴功1、可逆轴功、绝热可逆过程：、对于静止的或流动的封当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用能量平衡方程写成：可逆过程:或用于液体时:∵不可压缩流体V=常数当流体经产功或耗功装置时，可忽略动位能变化，则通用2、实际轴功的计算：产功设备（透平）：η的大小与机器制作水平有关。耗功设备：2、实际轴功的计算：产功设备（透平）：η的大小与机器制作例某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如图所示。给水的压力为0.09807MPa（绝），温度15℃。水被加压到0.687MPa（绝）后进入锅炉，将水加热成饱和蒸汽。蒸汽由锅炉进入透平，并在透平中进行膨胀作功。排出的蒸汽（称乏汽）压力为0.09807MPa。蒸汽透平输出的功主要用于带动事故泵，有一小部分用于带动给水泵。若透平机和给水泵都是绝热、可逆操作的，问有百分之几的热能转化为功（即用于事故泵的功）？[解]计算基准取1kg水。给水泵轴功可用式（6—15）进行计算例某化工厂用蒸汽透平带动事故泵，动力装置流程如图所示。给水的查附表3（水蒸汽表）可知15℃水的饱和蒸汽压为1.7051KPa、比容为泵的操作绝热可逆，因此：锅炉透平Ws（泵）驱动水泵需用功1给水t=15℃泵243饱和蒸汽废蒸汽（乏汽）查附表3（水蒸汽表）可知15℃水的饱和蒸汽压为1.7051K倘若知道进入水泵时水的焓，则可从上式求出，即进入锅炉的液体水的焓。15℃饱和水的焓可以从水蒸汽表中查到与的关系为（A）式中由倘若知道进入水泵时水的焓，则可从上式求出并用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，可以忽略。因此锅炉出口为687kPa的饱和蒸汽，从水蒸气表中查得（A）并用PVT数据进行积分计算表明，式（A）右边积分项之值很小，可根据式（6—14）对锅炉进行能量衡算每kg水通过锅炉吸热2699kJ。按题意透平机是在绝热、可逆条件下操作的，因此是等熵过程，已知，根据和之值从水蒸气的焓熵图（Mollier图）可查得可根据式（6—14）对锅炉进行能量衡算每kg水通过锅炉吸热2根据式（6—14）对透平机进行能量衡算其中有一部分轴功用于水泵，因而提供给事故泵的轴功为与之比，称热效率，由此可见，只有12.5%的热转化为功，此功用于事故泵。根据式（6—14）对透平机进行能量衡算其中有一部分轴功用于水例：30℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kg.K),求50kg空气从换热器吸收的热量例：30℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换将空气当作理想气体，并忽略压降时解：将空气当作理想气体，并忽略压降时解：换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计例题6.3将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵送到压力为0.588MPa(绝)的锅炉中，问输送1000kg水要消耗多少可逆轴功？若给水泵的效率为0.85，间实际耗功为多少?解：查附录3水蒸汽表298K、0.09807MPa(绝)水的比容为由此可求出可逆轴功为实际功耗例题6.3将298K、0.09807MPa(绝)的水用泵送四、热量衡算无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算

稳流过程的热量衡算的基本关系式：J/kg

热量衡算时应将生产过程中各种可能热效应考虑进去。生产中的四种热效应：①显热――物流的温度变化②潜热――物流的相变化③混合热效应――多股物流混合④反应热效应――化学反应产生四、热量衡算无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算称为热衡算§6-4、气体压缩过程常用于压缩气体的机械有：（终压＞0.3，压缩比＞4）压缩机鼓风机（终压0.015～0.3，

压缩比＜4）通风机（终压＜0.015（表压））

按运动机构，压缩机分往复式叶轮式§6-4、气体压缩过程常用于压缩气体的机械有：（终压＞0.一、压缩过热力学分析理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存在任何摩擦损耗，输入的功完全用于压缩气体。往复式压缩机压缩过程示意图：排气活门吸气活门冲程活塞冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程一、压缩过热力学分析理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存PV6512c2a2b31、恒温压缩过程：

3、绝热压缩过程：2、多变压缩过程：气体压缩过程在P-V图中的表达图6-3PV6512c2a2b31、恒温压缩过程：3、绝热压缩过程就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，多变过程居中二、单级压缩机可逆轴功的计算：1、等温压缩理想气体：

2、绝热过程与体积功计算公式的区别就功的绝对值而言：等温过程压缩功最小，绝热压缩功最大，二、单

第6章热力学第一定律及其工程应用课件理想气体的K可取：单原子气体：K=5/3=1.667双原子气体：K=7/5=1.40多原子气体：K=4/3=1.333混合气体的绝热指数可按下式计算：

——混合气体中某组分的绝热指数——混合气体中某组分的摩尔数理想气体的K可取：单原子气体：K=5/3=1.667混由公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下绝热指数K和压缩比。3、多变过程：由公式可知：气体压缩过程所耗的理论轴功决定于始温下3、多变过4、真实气体压缩功的计算：⑴、当压缩因子系数Z变化不大时：若压缩机进出口Z变化不大，可取平均值：，然后将其看成常数。等温压缩：4、真实气体压缩功的计算：⑴、当压缩因子系数Z变化不大时：若绝热压缩：多变压缩：⑵、易液化气体（上述公式不适用）绝热过程：多变过程：绝热压缩：多变压缩：⑵、易液化气体（上述例设空气的初态压力为0.10814MPa，温度为15.6℃，今将1kg空气压缩至（绝压）。试比较可逆等温、绝热和多变压缩过程（m=1.25）的功耗和终点温度。（空气可作双原子气体处理）[解]空气在压力较低时可视为理想气体。（a）等温压缩。式中根据式（6—18），有例设空气的初态压力为0.10814MPa，温度为15.（c）多变压缩。根据式（6—20），有（b）绝热压缩。空气K=1.4，根据式（6—19），有（c）多变压缩。根据式（6—20），有（b）绝热压缩。空气压缩过程终点的温度为绝热压缩：多变压缩：计算结果列表如下：压缩过程终点的温度为绝热压缩：多变压缩：计算结果列表如下：压缩过程终温，功耗，等温多变15.6235.83234.6315.7375.79361.44绝热从表中数据可见，在1<m<K的条件下，当压缩比一定时，等温压缩功最小，终温最低；绝热压缩功最大，终温最高；多变压缩功和终温介于两者之间。压缩过程终温，功耗，等温多变15.6235.83234.636.5节流膨胀节流：指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时，压力降低(p1>p2)的现象。

节流阀ThrottlingValve6.5节流膨胀节流：指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时，Joul