《工程热力学与传热学》教案（5）第三章第三节共NUMPAGES6页第页第三节开口系统的热力学第一定律——焓一、稳定流动与流动功1．稳定流动在热力设备（换热器、冷凝器、蒸发器、压缩机等）运行的时候，工质总是不断地流进和流出来实现连续的能量转移和转换，这些热力设备都属于开口系统。都与工质的流动有关。多数情况下，工程中所用的开口系统都在外界影响不变的条件下稳定运行。稳定流动：工质的流动状况不随时间而改变，流道中任意位置工质的状态参数和流速也不随时间而改变的流动称为稳定流动。含义：单位时间内系统与外界传递的热量和功量不随时间而改变。注意：在稳定流动系统中，工质的状态参数往往会随流动方向不同而发生改变的。但是，工程上为了简化分析，常常假设工质的状态参数和流速只随流动方向发生变化，而在与流动方向垂直的横截面上，个点的状态参数和流速是相等的。我们把这样的流动称为一元稳定流动。一元稳定流动的特点：各流动截面上工质的质量流量相等，且不随时间而改变。一元稳定流动满足的条件：（1）任意一点的状态参数不随时间而改变；（2）系统内工质质量无积聚（即单位时间内进入系统那个的质量等于离开系统的质量）；（3）系统内储存能量保持不变（即（即单位时间内进入系统的能量等于离开系统的能量）。2．流动功开口系统中，由于系统和环境都具有一定压力，工质要流动就必须克服沿途压力而做功。因此对流入系统的工质而言有：工质流出系统时，系统推动工质对环境做功，称为流动功（或称推进功）。换言之，流体流进具有一定压力的空间必须具有一定的能量，称之为推挤能。分析图3-2所示问题质量为dm的工质在外力推动下克服压力p移动了一段距离dx，并通过面积为A的1-1截面进入系统时，环境对工质所作的推进功为：对于dmkg工质dw=pAdx=pdV=pdm•u对于单位质量的工质w=dW/dm=pv由于压强p和比容v是状态函数，所以推进功是热力学状态函数，它是开口系统工质流动中特有的能量。二、开口系统稳定流动能量方程1．稳定流动能量方程式如图3-3所示，假设工质以一元稳定流动流经开口系统，工质在系统进、出口的宏观速度为wg1和wg2，压力、比容、比内能分别为p1、v1、u1和p2、v2、u2。进、出口截面中心相对基准面的高度为Z1和Z2，截面积为A2和A2。对于1kg工质，工质进入系统带进的能量为e1=u1+1/2wg12+gz1，流动功为p1v1；工质流出系统带出的能量为e2=u2+1/2wg22+gz2，流动功为p2v2；假定1kg工质流经系统时从环境中吸收的热量为q，通过系统对环境输出的比轴功为ws。因为研究的对象是一元稳定流动，系统的储存能量不随时间改变，系统与环境的功量和热量交换也保持不变。据式3-1则有：u1+1/2wg12+gz1+p1v1+q=e2=u2+1/2wg22+gz2+p2v2+ws整理得q=（u2+p2v2）-（u1+p1v1）+1/2（wg22-wg12）+g（z2-z1）+ws令h=u+pv称为焓。则上式可化简为q=（h2-h1）+1/2（wg22-wg12）+g（z2-z1）+ws或q=Δh+1/2Δ（wg2）+gΔz+ws（3-11）这就是1kg工质的一元稳定流动能量方程。即一元稳定流动开口系统的热力学第一定律数学表达式。适用范围：适用于任何工质（理想气体或实际气体及其液态）和任何过程（可逆过程或不可逆过程）。对于微元过程上式可变为：dq=dh+1/2d（wg2）+gdz+dws对于mkg工质，稳定流动能量方程表现为Q=（H2-H1）+1/2m（wg22-wg12）+mg（z2-z1）+ws或Q=ΔH+1/2mΔ（wg2）+mgΔz+Ws其中，H=mh，称为工质的焓。2．焓因为流动工质在流入或流出系统的过程中，其比内能u和比流动功pv是同时出现，且二者都只由系统的内部状态参数唯一确定。所以，在热力学中把这两者之和定义为比焓，用符号“h”表示。即h=u+pv比焓的单位为J/kg或kJ/kg.mkg工质的内能与流动功之和称之为焓，即H=U+PV焓的单位为J或KJ。注意：=1\*GB3①焓是尺度参数；比焓是强度参数。=2\*GB3②由于组成焓的内能（U）、压力（P）和比容（u）都是状态函数，所以焓也是状态函数。=3\*GB3③焓的物理意义就是工质在流动中，随工质转移的那部分能量。3．技术功在稳定流动能量方程式Q=ΔH+1/2mΔ（wg2）+mgΔz+Ws中（见书P23-3-13公式），除第一项为焓变外，其他各项均是可以利用的机械能。例如，火箭发动机的喷管中，利用1/2m（wg22-wg12）（即动能的改变量）得到高速