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1、热力学第一定律及应用,第三章,本章要求,掌握能量平衡方程的形式及应用,本章重点,稳流过程的能量平衡方程,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：（体系的能量）（环境的能量）0或（体系的能量）（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。,3.1 能量平衡方程,一热力学第一定律的实质,1.封闭体系：与环境仅有能量交换，没有质量交换。体系内部是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象。,在实际生产中大都遇到三种体系,3.敞开体系：与环境有能量交换，也有质量交换。,2.孤立体系：与环境没有能量交换，也没有质量交换。,二.能量平衡方程,1.一般形式（敞开体系）,（1）物料平衡方
2、程,进入体系的质量离开体系的质量体系质量的积累,m1-m2=dm体系,（2）能量平衡方程,进入体系的能量离开体系的能量=体系积累的能量,进入体系的能量:微元体本身具有的能量 E1m1 环境对微元体所作的流动功 P1V1m1 环境传入的热量 Q 环境对体系所作的轴功Ws,离开体系的能量:微元体带出能量E2m2 流体对环境所作的流动功 P2V2m2,体系积累的能量 d（mE）,能量恒等式为：,E1m1+P1V1m1+Q+Ws-E2m2-P2V2m2=d(mE),(A),1)E单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能。,注意：,一部分是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
3、时推动前面物质对环境所作的流动功pv。,2）系统与环境交换功W,由两部分组成：一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；,2.1)PV流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功功力*距离P*A*V/A=PVP1V1输入流动功，环境对体系作功P2V2输出流动功，体系对环境作功。,2.2)Ws单位流体通过机器时所作的轴功,可逆轴功,对于可逆总功,d(PV)=PdV+VdP,积分式,?,代入，整理，得到,将,H=U+PV,E1m1+P1V1m1+Q+Ws-E2m2-P2V2m2=d(mE),三.能量平衡方程的应用,1.封闭体系：无质量交换，限定质量体系,m1=m2
4、=m m1=m2=dm=0,Q+Ws=mdE,不存在流动功,若,Ws=W,Q+Ws=mdU,或 Q+W=mdU,积分：Q+W=U,2.稳态流动体系的能量平衡方程,稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。,(1)每点状态不随时间变化,(2)没有质量和能量的积累,(1)一般能量平衡方程,对稳流体系,由式(5-9)得：,=0,m1=m2=dm,(H2-H1)m+(C22-C12)m+g(Z2-Z1)m-Ws-Q=0,积分：,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为 Jkg-1。动能和位能的单位,
5、H、u2/2、g z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。,3）应用条件是稳流体系，不受过程是否可逆以及流体性质的影响。,注意：,1)单位要一致，且用SI单位制.H,Q,Ws能量单位，J/Kg Cm/s 流量GKg/h（min.s）,2）式中Q和Ws为代数值，即：Q以体系吸热为正，Ws 以环境对体系作功为正。,可逆条件下的轴功,对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？,对于理想气体等温过程,左式只适用与理想气体等温过程,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,喷嘴与扩压管,喷嘴与扩压管的结
6、构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。,喷嘴,扩压管,喷嘴与扩压管,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,质量流率,流体通过焓值的改变来换取动能的调整,透平机和压缩机,透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功,压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功,透平机和压缩机,是否存在轴功?,是!,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,不变化或者可以忽略,动能是否变化？,通常可以忽略,节流阀,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能
7、是否变化?,否,动能是否变化?,通常可以忽略,节流阀 Throttling Valve,理想气体通过节流阀温度不变,混合设备,混合两种或多种流体是很常见。,混合器,混合设备,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,动能是否变化?,否,当不止一个输入物流或（和）输出物流时,Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。,为一股物流的质量流量。,为总质量流量。,混合设备,1 3 2,混合器,换热设备,整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热
8、设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。,mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量,管路和流体输送,稳态流动模型通常是一个不错的近似,通过泵得到轴功,位能变化,管路和流体输送,是否存在轴功?,有时存在,是否和环境交换热量?,通常是,位能是否变化?,有时变化,动能是否变化?,通常不变化,Bernoulli 方程,实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗,对于无热、,无轴功交换、,不可压缩流体的稳流过程,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,例 3-1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0
9、.1MPa和403.15K，求湿蒸汽的干度,解,节流过程无功的传递，,忽略散热、,动能变化,和位能变化,130,H2,1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2,解,例 3-2 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(kgK),求50kg空气从换热器吸收的热量,将空气当作理想气体，并忽略压降时,换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计,例题3-3 将90的热水，以12m3h-1速率从储罐1输送到高度为15m的储罐2，热水泵的电动机功率为1.5kW，并且热水经过一个冷却器，放出热量的速率为2.5106 kJh-1，试问：储罐2的水温度是多少？解：此例题是稳定流动过程式的应用，水在储罐的流动速度很慢，可以忽略动能变化，其他能量项单位为kJkg-1。从附录C水性质表中可查得，90时水的密度为965.3kgm-3，则水的质量流率为 965.312=11583.6 kgh-1得到放出的热量 轴功 势能,将上述各项代入式稳流体系的能量平衡方程得到,从附录C-1饱和水性质表中可查得90时饱和液体的焓,再从饱和水性质表中可内插查到此时的温度约为38.5。,
