透平机和压缩机 Ws H
Hu2
2
gzQWs
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? 动能是否变化？
不变化或者可以忽略 通常可以忽略
节流阀
H 0
Hu2
2
gzQWs
是否存在轴功? 是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化?
否 通常可以忽略 否 通常可以忽略
节流阀 Throttling Valve
喷嘴与扩压管
H u2 0 2
Hu2
2
gzQWs
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
H2
H1
u12
u22 2
流体通过焓值的改变来换取动能的调整
质量流率
•
m
u1A1
u2A2
V1
V2
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
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。
H xiH i xjH j0
出
入
x A H 1 x B H 3 x A H 2 x B H 4
xAm A m A m B
xBm A m Bm B
mA和mB分别为流体A和流体 B的质量流量
E1 U112u12g1z
g为重力加速度。
E2 U212u22gz2
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，
1Байду номын сангаас
0
0%
机
wSR wS
1
0
0%
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴 扩压管
透平机
混合装置
节流阀
压缩机
换热装置
喷嘴与扩压管
喷嘴 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。
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
WW s P 1V1P2V2
• 稳态流动系统的能量平衡关系可写为
U 2 u 2 2 2 g2 z U 1 u 2 1 2 g1 z Q W s P 1 V 1 P 2 V 2
UPV 2 u2gzQW s
二、 封闭体系的能量平衡方程
❖ 在闭系非流动过程中的热力学第一定 律数学表达式为
UQW
三、 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。
稳态流动系统的能量平衡关系式为：
E2E1QW
如图为一稳定流动过程：
ui Vi
I
Q
Zi
换
热
热力学第一定律即为能量守恒定律，它阐明了能量“量”的属性。
人体的能量平衡
热量平衡
❖
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ΔE应与体系在该
过程中传递的热量Q与功W相等。
EQW
❖ 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。
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。
m i m j m
出
入
xi m m i
xj
m j m
mi mj 为一股物流的质量流量。
m 为总质量流量。
混合设备
1
混合器
3
2
H xiH i xjH j0
出
入
x1H1x2H2H3
x1x2 1
换热设备
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
P1A1
V1 A1
P1V1
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
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 H 0
Hu2
2
gzQWs
是否存在轴功? 是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化?
否 通常可以忽略 否 否
当不止一个输入物流或（和）输出物流时
H xiHi xjHj
出
入
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。
第一节 能量平衡方程
一、 能量守恒与转换
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， 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。
m2 kgm2 Nm J
s2
k
gs2
kg kg
可逆条件下的轴功
WR
P2 VdP
P1
V RT P
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
WR
RT
ln
P2 P1
左式只适用于理想气体 等温过程
实际过程的轴功
v 对于产功过程 • 对于需功过程
机
wS wSR
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：
Hu2
2
gzQWs
流动功包含在焓中
轴功
⊿ 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。
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 J·kg-1。动能和位能的单位
器
透平机
Ws
基准水平面
图 4-1 稳定流动过程
Z
Vj
uj
II Z j
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。
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)。