6.1 热力学第一定律.ppt

第6-7章流动系统的热力学原理及应用,Chapter6-7PrincipleandApplicationofThermodynamicsinFluidSystem,本章重点稳定流动过程热力学原理，运用热力学第一定律和第二定律，对化工过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量的消耗、大小、原因和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法。能量的等级高级能量：理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等。低级能量：理论上不能完全转化为功的能量，如热能、内能和焓等。,6化工过程的能量分析,能量平衡方程（热力学第一定律）热力学第二定律与热功间的转换熵平衡理想功、损失功和热力学效率有效能与过程的热力学分析,6.1能量平衡方程,能量的分类及形式一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。,能量守恒与转换（热力学第一定律）能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。体系在过程前后的能量变换E应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。,封闭体系的热力学第一定律,封闭体系：体系与环境之间的界面不允许传递物质，而只有能量交换。封闭体系特点：系统的动能、势能、流动功为零。封闭体系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为：,封闭系统内，克服恒定外压所做的体积功的计算公式为,对于可逆过程,稳态流动体系的热力学第一定律,稳态流动体系：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。,稳态流动系统的能量平衡关系式为：,单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gz)和热力学能(U)。,流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。,g为重力加速度。,系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。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；另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,这是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有这种功。,对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和,稳态流动系统的能量平衡关系可写为,将焓的定义H=U+PV代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程,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,H、u2/2、gz、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。,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,位能是否变化?,否,动能是否变化?,通常可以忽略,节流阀ThrottlingValve,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,132,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6-11.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa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,例6-2,解,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6-3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2.5106kJh-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（6-5）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