1、第二章 热力学第一定律,城建学院安全系张村峰,第二章 讨论课 Discussion,思考题,工质膨胀是否一定对外作功？,做功对象和做功部件,定容过程是否一定不作功？,开口系，技术功,定温过程是否一定不传热？,相变过程（冰融化，水汽化）,水轮机,第二章 讨论课,气体被压缩时一定消耗外功,热力学功指有用功,对外作功指有用功,第二章 讨论课,气体边膨胀边放热是可能的,对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能,解：对途径1-2-3，由闭口系能量方程得： U123=U3-U1=Q123-W123=（-47.5）-30=-77.5kJ,（1）对途径1-4-3，由闭口系能量方程得： Q143= U143+
2、W143= U123+W143=（U3-U1）+W143 =（-77.5）+15=-62.5kJ,（2）对途径3-1，可得到： Q31= U31+W31= （U1-U3）+W31 =77.5+（-6）=71.5kJ（3）对途径2-3，有 W23= =0 则 Q23= U23+W23 = （U3-U2） =87.5-175=-87.5kJ U1=U3- U123=87.5-(-77.5)=165kJ,讨论： 热力学能是状态参数，其变化只决定于初终状态，与变化所经历的途径无关。而热与功不同，它们是过程量，其变化不仅与初终态有关，而且决定于变化所经历的途径。,（1）若空气流量100kg/s为，压气机
3、消耗的功率为多大？（2）若燃气的发热值qB=43960 kJ/kg ，燃料的耗量为多少？（3）燃气在喷管出口处的流速Cf3是多少？（4）燃气轮机的功率为多大？（5）燃气轮机装置的总功率为多少？,例题2 某燃气轮机装置，如图所示。已知压气机出口处空气的比焓h1=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=670 kJ/kg 。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3， h3=290kJ/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
4、，最后离开燃气轮机的速度Cf4=100m/s 。求：,解（1）压气机消耗的功率 取压气机开口系为热力系。假定压缩过程是绝热的，忽略宏观动、位能差的影响。由稳定流动能量方程 q= h+1/2 cf2+g z+ws,c得ws,c=- h=h1-h2=290-580=-290kJ/kg 压气机消耗的功率PC=qmws,c=100290=29000kW（2）燃料的耗量qm,B=qmq/qB=100 670/43960=1.52kg/s（3）燃料在喷管出口处的流速 取截面2至截面3的空间作为热力系，工质作稳定流动，若忽略重力位能差值，则能量方程为q=(h3-h2)+1/2(cf32-cf22)+ws 因
5、ws=0，故cf3=2q-(h3-h2)+ cf221/2=2670 103-（800-580） 103+2021/2 =949m/s,（4）燃气轮机的功率因整个燃气轮机装置为稳定流动，所以燃气流量等于空气流量。取截面3至截面4转轴的空间作为热力系，由于截面3和截面4上工质的热力状态参数相同，因此h4=h3。忽略位能差，则能量方程为：1/2(cf42-cf32)+Ws,T=0Ws,T= 1/2(cf3 2-cf42)=1/2 （9492-1002） =445.3 103 kJ/kg 燃气轮机的功率PT= qmws,T=100 445.3=44530kW(5)燃气轮机装置的总功率 装置的总功率=
6、燃气轮机产生的功率 压气机消耗的功率即 P=PT-PC=44530-29000=15530kW,例题3 某一蒸汽轮机，进口蒸汽参数为p1=9.0MPa，t1=500，h1=3386.8kJ/kg，cf1=50m/s，出口蒸汽参数为p2=4kPa，h2=2226.9kJ/kg，cf2=140m/s ，进出口高度差为12m，每kg蒸汽经汽轮机散热损失为15kJ。试求：（1）单位质量蒸汽流经汽轮机对外输出的功；（2）不计进出口动能的变化，对输出功的影响；（3）不计进出口位能差，对输出功的影响；（4）不计散热损失，对输出功的影响；（5）若蒸汽流量为220t/h，汽轮机功率有多大？,解（1）选汽轮机开口
7、系为热力系，汽轮机是对外输出功的叶轮式动力机械，它对外输出的功是轴功。由稳定流动能量方程 q= h+1/2 cf2+g z+ws 得ws= q- h-1/2 cf2-g z=(-15)-(2226.9-3386.8)- (1402-502) 10-3- 9.8 (-12) 10-3=1.136 103 kJ/kg,（2）第（2）第（5）问，实际上是计算不计动、位能差及散热损失时，所得轴功的相对偏差,（4）,（3）,（5）,例题4 空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后的参数是p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg；假定在压缩过程
8、中，1kg空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功；（2）每生产1kg的压缩气体所需的功；（3）带动此压气机至少要多大功率的电动机？,解 分析：要正确求出压缩过程的功和生产压缩气体的功，必须依赖于热力系同的正确选取，及对功的类型的正确判断。压气机的工作过程包括进气、压缩和排气3个过程。在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此此时的热力系统是闭口系，与外界交换的功是体积变化功w。而要生产压缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出气缸，因此气体与外界交换的功为轴功ws。又考虑到气体动、位能的变化不大，可
9、忽略，则此功是技术功wt。,（1）压缩过程所作的功 由闭口系能量方程得： w=q-u=（-50）-146=-196kJ/kg（2）生产压缩空气所需的功 由开口系能量方程得： wt=q- h=q- u- （pv） =（-50）- 146 - （0.8 103 0.175- 0.1 103 0.845 ） =-251.5kJ/kg（3）电动机的功率 P=qmwt=10/60 251.5=41.9kW,合流问题,充气问题,忽略气体的动能和位能Wu=0,放气问题,第二章 小结,循环,思考题4附图,P,q,充气问题与取系统,习题2-3,储气罐原有气体m0,u0,输气管状态不变，h,经时间充气，关阀,储气
10、罐中气体m,求：储气罐中气体热力学能u,忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热,m0,u0,h,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,1)取储气罐为系统(开口系),忽略动位能变化,h,绝热,无作功部件,无离开气体,1)取储气罐为系统(开口系),经时间充气，积分概念,h,h是常数,四种可取系统 2）,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,2）取最终
11、罐中气体为系统(闭口系),h,m0,m-m0,绝热,m-m0,四种可取系统3),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,m0与m-m0有温差传热Q1,m-m0对m0作功W1,?,?,m-m0,四种可取系统 4),1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,
12、m0与m-m0有温差传热Q1,m0得m-m0作功W1,?,?,4）取储气罐原有气体为系统(闭口系),m0,h,m-m0,四种可取系统,1）取储气罐为系统,开口系,2）取最终罐中气体为系统,闭口系,3）取将进入储气罐的气体为系统,m0,u0,h,闭口系,4）取储气罐原有气体为系统,闭口系,利用热一律的文字表达式,进 出 热力学能变化,h,热力学能变化：,取储气罐为系统(开口系),进：,出：,m0,u0,结果说明,1）取系统不同， 考虑的角度不同,开口系反映为质量携带焓,2）若m00，,m0,u0,h,闭口系反映作功,充气终温的计算,已知：理想气体,求：储气罐中气体终温,m0=0,h,两种算法,t
13、 =15,K,?,充气终温的计算,关键看u与h的零点是否相同,m0=0,h,t =15,K,理想气体,影响终温T的因素,说明T与哪些因素有关？,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,已知：理想气体,T的表达式,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,T的表达式分析,m0,u0,p0,T0,h,p,T,m,u,p,T,1） T与p无关,理想气体 h=f(T),2） T与T有关,T,h,T,T的表达式分析,m0,u0,p0,T0,h,p,TT0,m,u,p,T,3） T与T0有关,T0,T,m0,m-m0,带入能量,T的表达式分析,m0,u0,p0,T0,h,p,TT0,
14、m,u,p,T,4） T与p0/ p有关,p0/ p,T,p0/ p反映充气数量,取系统问题之二,已知：p1=35bar, t1 =16,h0,V,要求：输出4kW,持续30s (kW=kJ/s),允许：p1 p2=3.5bar,求：需要的容积V,解1:取储气罐为系统（开口）,h0,V,解1:取储气罐为系统（开口）,V,h0,解2：取气体为系统（闭口）,V,h0,u2 0,解3：取储气罐和汽机为系统（开口）,V,h0,进 出 热力学能变化,热力学能变化：,进：,出：,u2 0,其它功例,He,Q,l,真空,已知：缓慢加热He气p1=1.013bar, p2 =3.039bar活塞面积A=0.1m2,无摩擦弹簧刚度k=105N/m,求：He作功量W,物理学过：弹簧变形与力的关系,弹簧功,解1：由弹簧功求He作功量,He,Q,l,真空,解2：由He参数求作功量,He,Q,l,真空,缓慢加热：准静态,关键求p与V的关系,第二章 完End of Chapter Two,
