第二章 热力学第一定律——工程热力学课件PPT

Q
dECV
h2
c
2 f
2
2
gz2 m2
h1
c
2 f1
2
gz1 m1
Wi
流过开口系1kg流体的稳定流动的能量方程:
q
h
1 2
c
2 f
gz
wi
h
wt
微分形式：
q
dh
1 2
dc
2 f
gdz
wi
6
技术功 wt
wt
1 2
c2f
gz
wi
wt = w - D( pv )
对于可逆过程：
2
wt
vdp
1
7
以技术功的形式表达稳定流能量方程
1 2
cf2
gz
ws
q = 0 , ws = 0
h1 h2 0
注意：绝热节流过程不是定焓过程。 18
一般开口系能量方程的应用
充、放气问题
1、充、放气过程中，容器内气体 的状态随时间在不断变化，但在每一 瞬间可以认为整个容器内各处的参数 是一致的。
2、充、放气过程中，虽然流动情况随时间变 化，但可认为通过容器边界进入容器的气体进 口状态（或出去的气体）不随时间变化，这种 过程称为非稳态均匀流动过程。
ws 0 q 0
q
h
1 2
cf2
g
z
ws
1 2
(c2f
2
c2f 1
)
h1
h2
16
5、 绝热节流
管道阀门，制冷装置中毛细管，孔板流量计等
现
场
1
3
2
流
量
测
量
装
置
节流过程：工质流经突然收缩的截面时，压力下降， 速度突然增加（伯努利方程：P+1/2U2=常数）
17
1
3
2
绝热节流过程是不可逆过程。
q
h
2-2 热力学能和总能
一、热力学能
热力学能是储存在系统内部的能量，它与系 统内工质的内部粒子的微观运动和粒子的空间位 置有关，工程热力学中主要包括： 1）分子热运动形成的内动能。它是温度的函数。 2）分子间相互作用形成的内位能。它是比体积 和温度的函数。
U f (T,v )
1
二、 外部储存能：
宏观动能：
Ek
1 2
mcf
2
宏观位能： Ep mgz
三、热力系统储存能（总能） 热力系统储存能：E ，单位为 J 或 kJ
E U Ek Ep
2
2-3 能量的传递和转化
二、推动功和流动功
推动工质流动所作的功，称为推动功。
Wf pAdx pdV pvdm
可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传 递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携 带和所传递的一种能量
流动功：1kg工质要进入截面Ⅰ，必须克服反 抗力p1v1，因而外界需要对它作推动功；当工质流 出截面Ⅱ时，需要推动前方的工质，克服外界的反 抗力p2v2，推动功之差p2v2－p1v1 ，即为维持1千 克工质流经Ⅰ和Ⅱ截面所必需的功，称为流动功。 3
2-4 焓
H U pV h u pv
焓是状态参数。 焓是物质进出开口系统时带入或带出的热力 学能与推动功之和，是随物质一起转移的能量。
4
2-5 热力学第一定律的基本能量方程式
进入系统的能量－离开系统的能量 = 系 统储存能量的变化
Q U W Q dU W
q u w q du w
2
Q U pdV
Q dU pdV
1
2
q u pdv
q du pdv
1
5
2-6 开口系统能量方程式
开口系能量方程的一般表达式
19
考察图中管道对容器的充气过程，假定管道中气体 参数不变，容器绝热。取容器为系统：
Q
dECV
h
c
2 f
2
gz
mout
out
h
c
2 f
2
gz min
Wi
绝热充气过程的条件可表示为：
Q 0 Wi 0 mout 0
忽略进入容器时气体的动能及 位能变化，则方程变为：
dU CV hinmin 20
工程上，除了喷管、扩压管外，常见热工设备的
进出口动、位能的变化一般都可以忽略不计。
q
h
1 2
cf2
gz
ws
wt ws
q h ws
10
1、动力机（透平机械/涡轮/Turbine）
1）流量大
2）保温层 q 0
q h wi wi h1 h2
11
2、压气机(pressor)
水泵
压气机
q0
q h wc wc h2 h1
12
3、 热交换器
炉墙
蒸发管
没有做功部件
ws 0
q h2 h1
2状态
过热 器
来自水 泵 1状态
13
4、 管道（喷管、扩压器）
喷管
14
CFM56燃烧室－短环形突扩扩压器
12级台风：32.7m/s~37m/s
17级台风：56.1～61.2m/s
15
没有做功部件
一般形式
q h wt
q dh wt
Q H Wt
Q dH Wt
过程可逆
2
q h 1 vdp
q dh vdp
2
Q H 1 Vdp
Q dH Vdp
8
对于可逆过程，热力学第一定律表达式：
q du pdv 闭口系统推导 q dh vdp 开口系统推导
9
2-7 能量方程式的应用
u2 = hin = 303kJ/kg
T2 = 420.83K 温度为什么增加？
m = pV = 33.12kg
RgT
22
❖某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的比焓h1 为290kJ/kg。经压缩后空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在 截面2处空气和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度进入燃烧室， 在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入 喷管绝热膨胀到状态3‘，h3’=800kJ/kg，流速增加到cf3’，此燃 气进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力 状态不变，最后离开燃气轮机的速度cf4=100m/s，求：
➢若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？
➢若燃气发热值qB=43960kJ/kg，燃料耗量为多少？
➢燃气喷管出口处的流速是多少？
➢燃气轮机的功率为多少？
➢燃源自文库轮机装置的总功率为多少？
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1）压气机
wc h2 h1 580 290 290kJ/kg Pc mwc 290kJ/kg 100kg/s=29000kW
积分：
dUCV hinmin hin min
U 2 U1 minhin
在充气过程中，容器内气体热力学能的增等于 充入气体的焓。
若充气前容器为真空，则：
u2 hin
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例2－3：输气管内气体参数为：p1=4MPa，t1=30℃， h1=303kJ/kg。设该气体为理想气体，热力学能与温 度之间的关系为{u}kJ/kg=0.72{T}K，气体常数为 Rg=287J/(kg.k)。现将1m3的真空容器连接管道，直 至容器压力达到4MPa为止，设容器刚性且绝热，充 气时管道参数保持不变，问充入的气体质量是多少？