绪论及第一章.ppt

绪绪 论论.本课程的定义本课程的定义:A A、化工单元操作：、化工单元操作：The unit operations of chemical The unit operations of chemical engineeringengineeringB B、化学工程：、化学工程：chemical engineering chemical engineering C C、化工原理：、化工原理：principleprinciple of chemical engineering of chemical engineeringD D、化工过程及设备：、化工过程及设备：Chemical process equipmentChemical process equipment.化工原理课程的内容、性质和任务化工原理课程的内容、性质和任务内容：三传理论内容：三传理论(动量传递理论、热量传动量传递理论、热量传递理论、质量传递理论递理论、质量传递理论）性质：重要的专业技术基础课性质：重要的专业技术基础课任务：研究基本原理、典型设备，掌握任务：研究基本原理、典型设备，掌握 分析和解决工程问题的基本法，分析和解决工程问题的基本法，培养解决实际问题的能力。培养解决实际问题的能力。.化学工程发展的四个阶段化学工程发展的四个阶段.实际问题求解的典型方法：实际问题求解的典型方法：数学模型法：纯理论的数学推导过程，结数学模型法：纯理论的数学推导过程，结论具有普遍性；论具有普遍性；因次分析法：又称半经验半理论方法，实因次分析法：又称半经验半理论方法，实验研究的一般方法，结论往往仅适用于某验研究的一般方法，结论往往仅适用于某些特定的、具体的实验约束条件和对象。些特定的、具体的实验约束条件和对象。.重要的基本理论及工程概念重要的基本理论及工程概念质量守恒定律质量守恒定律能量守恒定律能量守恒定律工程观点：工程观点：工程应用的观点工程应用的观点经济核算的观点经济核算的观点.一、物理量的单位一、物理量的单位基本量基本量基本单位基本单位：长度（：长度（m m）、质量（）、质量（KgKg）、时间）、时间（s s）、电流（）、电流（A A）、热力学温度（）、热力学温度（K K）、物）、物质的量（质的量（molmol）、发光强度（）、发光强度（cdcd坎德拉）坎德拉）导出单位导出单位：由有关基本单位组合构成。：由有关基本单位组合构成。国际单位国际单位.1 1、物理量的单位换算、物理量的单位换算换算因子：同一物理量，若单位不同其数换算因子：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值。值就不同，二者包括单位在内的比值。例题例题从已有资料中查出常温下苯的导热系数从已有资料中查出常温下苯的导热系数为为0.0919BTU/0.0919BTU/（fthfthF)F)换算成国际单换算成国际单位。位。.2.2.经验公式（或数字公式）的换算经验公式（或数字公式）的换算经验公式经验公式：根据实验数据整理而成的公式：根据实验数据整理而成的公式例题：管壁对周围空气的对流传热系数经验公式例题：管壁对周围空气的对流传热系数经验公式为为管壁对周围空气的对流传热系数管壁对周围空气的对流传热系数GG空气的质量速度空气的质量速度DD管子的外径管子的外径.二、物料衡算二、物料衡算遵守质量守恒定律遵守质量守恒定律输入物料的总和等于输出物料的总和和累输入物料的总和等于输出物料的总和和累积的物料量积的物料量输入物料的总和输入物料的总和输出物料的总和输出物料的总和累积的物料量累积的物料量.双效并流蒸发器是将待浓缩的原料液加入第双效并流蒸发器是将待浓缩的原料液加入第一效中浓缩到某浓度后由底部排出送至第二效，一效中浓缩到某浓度后由底部排出送至第二效，再继续浓缩到指定的浓度，完成液由第二效底部再继续浓缩到指定的浓度，完成液由第二效底部排出。加热蒸汽也送入第一效，在其中放出热量排出。加热蒸汽也送入第一效，在其中放出热量后冷凝水排至器外。由第一效溶液中蒸出的蒸汽后冷凝水排至器外。由第一效溶液中蒸出的蒸汽送至第二效作为加热蒸汽，冷凝水也排至器外。送至第二效作为加热蒸汽，冷凝水也排至器外。由第二效溶液中蒸出的蒸汽送至冷凝器中。由第二效溶液中蒸出的蒸汽送至冷凝器中。每小时将每小时将5000kg5000kg无机盐水溶液在双效并流蒸无机盐水溶液在双效并流蒸发器中从发器中从1212(质量百分浓度，下同）浓缩到质量百分浓度，下同）浓缩到3030。已知第二效比第一效多蒸出。已知第二效比第一效多蒸出5 5的水分。试的水分。试求：求：(1)(1)每小时从第二效中取出完成液的量及各效蒸出每小时从第二效中取出完成液的量及各效蒸出的水分量：的水分量：(2)(2)第一效排出溶液的浓度。第一效排出溶液的浓度。.解：解：根据题意画出如本题附图所示的流程示意根据题意画出如本题附图所示的流程示意图，在图上用箭头标出物料的流向，并用数字和图，在图上用箭头标出物料的流向，并用数字和符号说明物料的数量和单位。符号说明物料的数量和单位。第第一一蒸蒸发发器器第第二二蒸蒸发发器器W W1 1W W2 2去冷凝器去冷凝器B1B1冷凝水冷凝水W1完成液完成液B2X2=0.312原料液原料液F F0 0=5000kg/h=5000kg/hX X0 0=0.12=0.12加热蒸汽加热蒸汽冷凝水冷凝水F F0 0原料液的质量流量，原料液的质量流量，kg/hkg/hB B1 1第一效排出液流量，第一效排出液流量，kg/hkg/hB B2 2完成液流量，完成液流量，kg/hkg/hxx溶液中无机盐的质量溶液中无机盐的质量分率。分率。下标下标0 0表示原料液，下标表示原料液，下标1 1、2 2为蒸发器序号为蒸发器序号.圈出衡算范围，如图中虚线圈出衡算范围，如图中虚线1 1及虚线及虚线2 2所示。在工所示。在工程计算中，可以根据具体情况以一个生产过程或一程计算中，可以根据具体情况以一个生产过程或一个设备，甚至设备某一局部作衡算范围。凡穿越所个设备，甚至设备某一局部作衡算范围。凡穿越所划范围的流股，划范围的流股，其箭头向内的为输入物料，向外的其箭头向内的为输入物料，向外的为输出物料为输出物料。没有穿越所划范围的流股不参与物料。没有穿越所划范围的流股不参与物料衡算。衡算。定出衡算基准。对连续操作常以单位时间为基准；定出衡算基准。对连续操作常以单位时间为基准；对间歇操作，常以一批物料对间歇操作，常以一批物料(即一个操作循即一个操作循环环)为基准。基准选得不当，会使计算过程变得复为基准。基准选得不当，会使计算过程变得复杂。基准选定后，参与衡算的各流股都按所选的基杂。基准选定后，参与衡算的各流股都按所选的基准进行计算。本题选准进行计算。本题选h h为基准。为基准。.(1)(1)每小时从第二效中取出完成液的量及各效蒸出每小时从第二效中取出完成液的量及各效蒸出的水分量的水分量 在图中虚线在图中虚线1 1范围内列盐及总物料衡算。这范围内列盐及总物料衡算。这里要说明两点：一是第一效蒸发器的加热蒸汽与里要说明两点：一是第一效蒸发器的加热蒸汽与冷凝水都是穿越虚线冷凝水都是穿越虚线1 1的两个流股，它们进、出的两个流股，它们进、出虚线虚线1 1各一次，只与系统有热量交换而没有质量各一次，只与系统有热量交换而没有质量交换，故不参与衡算；二是第一效蒸出的交换，故不参与衡算；二是第一效蒸出的W Wl lkg/hkg/h的蒸汽送至第二效蒸发器放出热量后排至外界，的蒸汽送至第二效蒸发器放出热量后排至外界，故故W W1 1应参与衡算。应参与衡算。.盐的衡算盐的衡算总物料衡算总物料衡算将已知值代入以上二式，得到结果将已知值代入以上二式，得到结果.三、能量衡算三、能量衡算物料进入系统的总热量等于随物料离开系物料进入系统的总热量等于随物料离开系统的总热量和向系统周围散失的热量总和统的总热量和向系统周围散失的热量总和随物料进入系统的总热量随物料进入系统的总热量，kJkJ或或kWkW随物料离开系统的总热量，随物料离开系统的总热量，kJkJ或或kWkW向系统周围散失的热量，向系统周围散失的热量，kJkJ或或kWkW.上式可以用焓表示：上式可以用焓表示：w物料的质量，kg/s或kg;H物料的焓，kJ/kg.在换热器里将平均比热容为在换热器里将平均比热容为3.56kJ/(kg)3.56kJ/(kg)的某种溶液自的某种溶液自2525热到热到8080，溶液流量为，溶液流量为1.0kg/s1.0kg/s。加热介质为。加热介质为120120的饱和水蒸气，其消的饱和水蒸气，其消耗量为耗量为0.095kg/s0.095kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。以计算此换热器的热损失占水蒸汽所提后排出。以计算此换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分数。供热量的百分数。.120120饱和水蒸气饱和水蒸气0.095kg/s25溶液溶液1.0kg/s80溶液溶液1.0kg/s120饱和水饱和水0.095kg/s.解：作热量衡算时也和物料衡算一样，要规定出衡解：作热量衡算时也和物料衡算一样，要规定出衡算基准和范围。此外，由于焓是相对值，与从哪一算基准和范围。此外，由于焓是相对值，与从哪一个温度算起有关，所以进行热量衡算时还要指明个温度算起有关，所以进行热量衡算时还要指明基基准温度准温度(简称基温简称基温)。习惯上选。习惯上选00为基温，并规定为基温，并规定00时液态的焓为零，这一点在计算中可以不指明。时液态的焓为零，这一点在计算中可以不指明。有时为了方便，要以其它温度作基淮，这时应加以有时为了方便，要以其它温度作基淮，这时应加以说明。说明。.选选s s作为基准。作为基准。从附录二十、三查出从附录二十、三查出120120饱和水蒸气的焓值饱和水蒸气的焓值为为2708.9kJ/kg2708.9kJ/kg，120120饱和水的焓值为饱和水的焓值为503.67kJ/kg503.67kJ/kg。在图中虚线范围内作热量衡算。在图中虚线范围内作热量衡算。随流股带入换热器的总热量：随流股带入换热器的总热量：其中其中:蒸汽带入的热量蒸汽带入的热量Q Q1 1=0.0952708.9=257.3kW=0.0952708.9=257.3kW溶液带入的热量溶液带入的热量Q Q2 2=13.56=13.56（25-025-0）=89kW=89kW所以所以QQI I=257.3+89=346.3kW=257.3+89=346.3kW.冷凝水带出的热量冷凝水带出的热量Q Q3 30.095503.670.095503.6747.8kW47.8kW溶液带出的热量溶液带出的热量Q Q4 413.5813.58（80-080-0）=284.8kW=284.8kW随流股带出换热器的总热量随流股带出换热器的总热量QQO O=Q=Q3 3+Q+Q4 4=47.8+284.8=332.6kW=47.8+284.8=332.6kW将以上诸值带入公式中：将以上诸值带入公式中：346.3=332.6+Q346.3=332.6+QL LQ QL L=13.7kW=13.7kW热损失百分数热损失百分数=.第一章第一章 流体流动流体流动第一节第一节 概述概述一、定义：液体和气体统称为一、定义：液体和气体统称为流体流体。流体的特征是。流体的特征是具有流动性，其形状随容器的形状而变化；受外力具有流动性，其形状随容器的形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。作用时内部产生相对运动。二、流体的流动规律是本课程的重要基础，因为：二、流体的流动规律是本课程的重要基础，因为：.1 1、化工生产中所处理的物料大多为流体，从一设、化工生产中所处理的物料大多为流体，从一设备送往另一设备，借助管道和输送机械备送往另一设备，借助管道和输送机械(如泵、风机如泵、风机等等)来完成。需要研究流体的流动规律，同时进行管来完成。需要研究流体的流动规律，同时进行管路的设计计算。路的设计计算。2 2、化工设备中的传热、传质和化学反应过程大多是、化工设备中的传热、传质和化学反应过程大多是在流体流动的条件下进行，需首先研究流体的流动在流体流动的条件下进行，需首先研究流体的流动规律及流体流动的内部结构。规律及流体流动的内部结构。.三、连续性假设三、连续性假设流体是由彼此之间没有空隙，没有微观运动流体是由彼此之间没有空隙，没有微观运动的无数流体质点的无数流体质点(或称或称微团微团)所组成的连续介质。所组成的连续介质。流体质点由很多分子组成，其尺寸远大于分子自流体质点由很多分子组成，其尺寸远大于分子自由程，而与流体所在空间由程，而与流体所在空间(设备或管道设备或管道)相比又微相比又微不足道。这种流体的物理性质不足道。这种流体的物理性质(如密度、粘度等如密度、粘度等)和运动参数和运动参数(速度等速度等)均是连续变化的，从而可以均是连续变化的，从而可以使用连续函数这一有效的数学工具。使用连续函数这一有效的数学工具。.应当指出，连续性假设在绝大多数情况下应当指出，连续性假设在绝大多数情况下是适用的，但在高真空的情况下，由于气体稀是适用的，但在高真空的情况下，由于气体稀薄，这种假设将不再成立。薄，这种假设将不再成立。四、不可压缩性流体与可压缩性流体四、不可压缩性流体与可压缩性流体若流体的体积不随压力及温度变化，则称若流体的体积不随压力及温度变化，则称其为不可压缩性流体。其为不可压缩性流体。.若流体的体积随压力及温度变化，则称其为若流体的体积随压力及温度变化，则称其为可可压缩性流体压缩性流体。实际流体均为可压缩性流体。但在实际工程问实际流体均为可压缩性流体。但在实际工程问题处理中，通常由于流体的体积随压力及温度变化题处理中，通常由于流体的体积随压力及温度变化很小而视其为不可压缩性流体；当气体的压力或温很小而视其为不可压缩性流体；当气体的压力或温度变化很小时，亦可将气体作为不可压缩性流体处度变化很小时，亦可将气体作为不可压缩性流体处理；但一般情况下，由于气体比流体有较大的压缩理；但一般情况下，由于气体比流体有较大的压缩性及膨胀性，通常将它视为可压缩性流体。性及膨胀性，通常将它视为可压缩性流体。.1.1.11.1.1密度密度1 1、定义：单位体积流体所具有的质量称为流体的密、定义：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，用符号度，用符号表示。其表达式为表示。其表达式为 =-流体的密度，流体的密度，kg/mkg/m3 3；m m-流体的质量，流体的质量，kgkg；V V-流体的体积，流体的体积，m m3 3。1.1 1.1 密度、相对密度和比容密度、相对密度和比容.一定的流体，密度是压力和温度的函数，即一定的流体，密度是压力和温度的函数，即=f f(p,p,t t)2 2 流体的密度流体的密度 (1)(1)假设：视液体为不可压缩性流体，其密度随压假设：视液体为不可压缩性流体，其密度随压力的变化很小力的变化很小(极高压力下除外极高压力下除外)可忽略不计，但温可忽略不计，但温度对液体密度有一定影响，故查取流体密度时，要度对液体密度有一定影响，故查取流体密度时，要注意注明其温度条件。注意注明其温度条件。.(2)(2)流体混合物的密度流体混合物的密度 若几种液体混合前的分体积等于混合后的总体积，若几种液体混合前的分体积等于混合后的总体积，则混合物的平均密度可按下式计算：则混合物的平均密度可按下式计算：m m-液体混和物的平均密度，液体混和物的平均密度，kg/mkg/m3 3；a a1 1、a a2 2、a an n-液体混合物中各组分的质量分率，液体混合物中各组分的质量分率，a a1 1+a a2 2+a an n=1=11 1、2 2、n n液体混合物中各组分的密度，液体混合物中各组分的密度，kg/mkg/m3 3.已知硫酸与水的密度分别为已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m1830kg/m3 3与与998kg/m998kg/m3 3，试求含硫酸为，试求含硫酸为60%60%（质量）的硫酸水溶（质量）的硫酸水溶液的密度为若干。液的密度为若干。.解：根据混合物密度的计算公式解：根据混合物密度的计算公式 =（3.28+4.01）10-4=7.2910-4m=1372kg/m3.3 3 气体的密度气体的密度 气体为可压缩流体，其密度随温度和压力变化气体为可压缩流体，其密度随温度和压力变化较大。当没有气体密度数据时，如果压力不太高、较大。当没有气体密度数据时，如果压力不太高、温度不太低，气体的密度可近似按理想气体状态方温度不太低，气体的密度可近似按理想气体状态方程式计算，即程式计算，即(1)(1)一种气体分子一种气体分子 p p-气体的压力，气体的压力，kPakPa；T T-气体的温度，气体的温度，K K；M M-气体的分子量，气体的分子量，kg/kmolkg/kmol；R R-通用气体常数，通用气体常数，R R=8.314kJ/(kmolK)=8.314kJ/(kmolK)。.气体的密度亦可按下式计算：气体的密度亦可按下式计算：0 0-标准状态下气体的密度，标准状态下气体的密度，kg/mkg/m3 3；T T0 0-标准状态温度，标准状态温度，K K，T T0 0=273K=273K；p p0 0-标准状态压力，标准状态压力，kPakPa，p p0 0=101.33kPa=101.33kPa。.应注意：当气体的温度较低、压力较高时，气体的应注意：当气体的温度较低、压力较高时，气体的密度需采用真实气体状态方程式进行计算。密度需采用真实气体状态方程式进行计算。(2)(2)气体混合物的密度气体混合物的密度气体混合的平均密度气体混合的平均密度m m可用下式计算可用下式计算式中的式中的P P为混合气体的总压，式中的为混合气体的总压，式中的M Mm m为混合气体的为混合气体的平均分子量，即平均分子量，即.M M1 1 、M M2 2M Mn n-气体混合物各组分的分子量，气体混合物各组分的分子量，kg/kmolkg/kmol；y y1 1、y y2 2 y yn n-气体混合物各组分的摩尔分率，气体混合物各组分的摩尔分率，y y1 1+y y2 2+y yn n=1=1气体混合物平均密度亦可用下式计算：气体混合物平均密度亦可用下式计算：m m=1 1x x1 1+2 2x x2 2+n nx xn n.1 1、2 2n n-在气体混合物的压力下，各组分的密在气体混合物的压力下，各组分的密度，度，kg/mkg/m3 3；x x1 1、x x2 2 x xn n-气体混合物中各组分的体积分率，气体混合物中各组分的体积分率，x x1 1+x+x2 2+x+xn n=1 1常用气体、流体及其混合物的密度，可由有关书刊常用气体、流体及其混合物的密度，可由有关书刊或手册中查取。或手册中查取。.已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O O2 221%21%、N N2 278%78%和和Ar1%Ar1%（均为（均为体积体积%），试求干空气在压力为），试求干空气在压力为9.81109.81104 4PaPa及温度及温度为为100100时的密度。时的密度。.解：首先将摄氏度换算成开尔文解：首先将摄氏度换算成开尔文 100=273+100=373 100=273+100=373K K再求干空气的平均摩尔质量再求干空气的平均摩尔质量 M Mm m=320.21+280.78+39.90.01=320.21+280.78+39.90.01 =28.96kg/m =28.96kg/m3 3根据气体的平均密度为：根据气体的平均密度为：.二、相对密度二、相对密度 在一定温度下，某种流体的密度与在一定温度下，某种流体的密度与4(4(或或277K)277K)的纯水密度之比，称为相对密度，又称比重，用符的纯水密度之比，称为相对密度，又称比重，用符号号d d表示。它是一个无因次的物理量。表达式为表示。它是一个无因次的物理量。表达式为-流体在流体在t t时的密度，时的密度，kg/mkg/m3 3；-水在水在44时的密度，时的密度，kg/mkg/m3 3。相对密度值由实验测定，主要是查有关手册。相对密度值由实验测定，主要是查有关手册。.三、比容三、比容 单位质量流体的体积称为流体的比容，用符号单位质量流体的体积称为流体的比容，用符号表示。用下式表达：表示。用下式表达：流体的比容是密度的倒数，为流体的比容是密度的倒数，为m m3 3/kg/kg。.1.1.21.1.2粘度粘度 粘性大的流体其流动性差，粘性小的流体其流粘性大的流体其流动性差，粘性小的流体其流动性好。动性好。.一、牛顿粘性定律和粘度一、牛顿粘性定律和粘度流体内部产生的相互作用力，通常称为流体内部产生的相互作用力，通常称为内摩内摩擦力擦力（或称（或称粘滞力粘滞力）。流体在流动时产生内摩擦）。流体在流动时产生内摩擦的性质，称为的性质，称为流体的粘性流体的粘性。内摩擦力是剪力，单位面积上的剪力为剪应内摩擦力是剪力，单位面积上的剪力为剪应力，以符号力，以符号表示，单位为表示，单位为PaPa。若剪力为。若剪力为F F、面积、面积为为A A，则剪应力可用牛顿粘性定律来表示：，则剪应力可用牛顿粘性定律来表示：.-剪应力，剪应力，PaPa；-法向上流体速度的变化率，称为法向上流体速度的变化率，称为速速度梯度度梯度，1/s 1/s；-比例系数，称为比例系数，称为粘度系数粘度系数，或称，或称动粘度、绝动粘度、绝对粘度对粘度，简称，简称粘度粘度，Ns/mNs/m2 2或或PasPas。牛顿粘性定律是流体流动过程的特征方程。牛顿粘性定律是流体流动过程的特征方程。.粘度的物理意义：当速度梯度粘度的物理意义：当速度梯度du/dydu/dy=1=1时，流体在时，流体在单位面积上由于粘性所产生的内摩擦力（即剪应力）单位面积上由于粘性所产生的内摩擦力（即剪应力）在数值上与粘度相等，即在数值上与粘度相等，即=。显然，在同样流。显然，在同样流动情况下，流体的粘度越大，流体流动时产生的内动情况下，流体的粘度越大，流体流动时产生的内摩擦力越大，可见，摩擦力越大，可见，粘度是度量流体粘性大小的物粘度是度量流体粘性大小的物理量。理量。.二、粘度的单位二、粘度的单位法定单位推导：法定单位推导：物理单位制：物理单位制：称为称为1 1泊，用符号泊，用符号P P表示。泊比较大，使用不方便，表示。泊比较大，使用不方便，通常用的粘度单位是泊的百分之一，称为厘泊，以通常用的粘度单位是泊的百分之一，称为厘泊，以符号符号cPcP表示，即表示，即1P1P100cP100cP.工程单位制工程单位制流体粘度的大小还可用运动粘度来表示。运动粘度流体粘度的大小还可用运动粘度来表示。运动粘度是流体的动力粘度是流体的动力粘度与其密度与其密度之比，用符号之比，用符号表示，表示，即即.的单位为的单位为m m2 2/s/s，在物理单位制中单位为，在物理单位制中单位为cmcm2 2/s/s，称为沲（斯托克斯），用符号称为沲（斯托克斯），用符号StSt表示。沲百分之一表示。沲百分之一为厘沲，用符号为厘沲，用符号cStcSt表示，即表示，即 1St=100cSt 1St=100cSt.2 2 气体气体常压下气体混合物的粘度，可用下式估算：常压下气体混合物的粘度，可用下式估算：m m-气体混合物的粘度；气体混合物的粘度；y yi i-气体混合物中气体混合物中i i组分的摩尔分率；组分的摩尔分率；i i-气体混合物中气体混合物中i i组分的粘度。组分的粘度。M Mi i-气体混合物中气体混合物中i i组分的分子量。组分的分子量。.四、影响粘度的因素四、影响粘度的因素同一液体的粘度，随着温度的增高而降低，压同一液体的粘度，随着温度的增高而降低，压力对液体粘度的影响可忽略不计。力对液体粘度的影响可忽略不计。同一气体的粘度随着温度升高而增大，一般情况下同一气体的粘度随着温度升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。下需考虑其影响。气体的粘度远小于液体。气体的粘度远小于液体。.五、牛顿型流体和非牛顿型流体五、牛顿型流体和非牛顿型流体牛顿型流体牛顿型流体是指在流动过程中形成的剪应力是指在流动过程中形成的剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿粘性定律的流体，与速度梯度的关系完全符合牛顿粘性定律的流体，所有气体和大部分流体均属此类。所有气体和大部分流体均属此类。非牛顿型流体非牛顿型流体是指在流动过程中形成的剪应是指在流动过程中形成的剪应力与速度梯度的关系不符合牛顿粘性定律的流体，力与速度梯度的关系不符合牛顿粘性定律的流体，如某些高分子溶液、胶体溶液、泥浆等。对于这类如某些高分子溶液、胶体溶液、泥浆等。对于这类液体流动的研究，属于流变学范畴，这里不予讨论液体流动的研究，属于流变学范畴，这里不予讨论.1-2 1-2 流体的压强流体的压强定义：垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的定义：垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的压强压强，习惯上称为，习惯上称为压力压力，以符号，以符号p p表示。表示。一、压力的单位一、压力的单位1 1直接根据定义，流体单位面积上的压力，用法定直接根据定义，流体单位面积上的压力，用法定计量单位表示是计量单位表示是N/mN/m2 2，称为帕斯卡，以，称为帕斯卡，以PaPa表示。表示。(与与SISI中单位相同中单位相同)2 2间接地以流体柱高度表示，如用米水柱、毫米水间接地以流体柱高度表示，如用米水柱、毫米水柱或毫米汞柱等表示。柱或毫米汞柱等表示。p=ghp=gh.同一压力同一压力p p值，由于流体种类不同值，由于流体种类不同(不同不同)，流体，流体柱高度柱高度h h亦不同，故若用流体柱高度亦不同，故若用流体柱高度h h表示压力时，表示压力时，必须指明流体的种类。必须指明流体的种类。3 3 以标准大气以标准大气 压压(atm)(atm)为计量单位：为计量单位：(非法定计量单非法定计量单位位)换算关系：换算关系：1bar(1bar(巴巴)=0.1MPa()=0.1MPa(兆帕兆帕)1atm(1atm(标准大气压标准大气压)=101.325kPa()=101.325kPa(千帕千帕)1at(1at(工程大气压工程大气压)98.0665 kPa(98.0665 kPa(千帕千帕)1mH 1mH2 2O(O(米水柱米水柱)9.80665 kPa(9.80665 kPa(千帕千帕)1mmH 1mmH2 2O(O(毫米水柱毫米水柱)9.80665 Pa(9.80665 Pa(帕帕)1mmHg(1mmHg(毫米汞柱毫米汞柱)133.322Pa(133.322Pa(帕帕)1kgf/m 1kgf/m2 2（千克力毎平方米）（千克力毎平方米）=9.80665 Pa(=9.80665 Pa(帕帕).若表压值低于当地大气压时，则其表压的负值称若表压值低于当地大气压时，则其表压的负值称为真空度（即大气压与绝对压的差值）。为真空度（即大气压与绝对压的差值）。真空度表示绝对压低于大气压的值，即真空度表示绝对压低于大气压的值，即真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力真空度亦可由真空表直接测量并得读数。真空度亦可由真空表直接测量并得读数。关系如图关系如图1 11 1所示。所示。.绝绝对对压压力力大大气气压压表表压压压压力力真真空空度度绝绝对对压压力力测定压力测定压力当时当地大气压当时当地大气压测定压力测定压力绝对零压线绝对零压线图图1-1 1-1 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系.有一设备，其进口表的读数为有一设备，其进口表的读数为0.02MPa0.02MPa，出，出口压力表的读数为口压力表的读数为0.092MPa0.092MPa。当地大气压为。当地大气压为101.33kPa101.33kPa，试求进、出口的绝对压力为多少，试求进、出口的绝对压力为多少kPakPa？.解：解：(1)进口进口p绝绝=p大大p真真=101.330.02103=81.33kPa(2)出口出口p绝绝=p大大p表表 =101.330.092103 =199.33kPa.1-41-4流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、流体静力学基本方程式的推导一、流体静力学基本方程式的推导 一容器内盛有密度为一容器内盛有密度为的均质静止液体，在该的均质静止液体，在该液体中一段垂直液柱，液柱的截面积为液体中一段垂直液柱，液柱的截面积为A A，若以容，若以容器容器底为基准水平面，则液柱的上、下两端面与器容器底为基准水平面，则液柱的上、下两端面与基准面的垂直距离分别为基准面的垂直距离分别为z z1 1和和z z2 2。作用在液柱上、。作用在液柱上、下端面的压力分别为下端面的压力分别为p p1 1和和p p2 2。液柱受力分析如下：。液柱受力分析如下：.液柱水平方向所受作用力互相抵消。作用在液柱上液柱水平方向所受作用力互相抵消。作用在液柱上端面的总压力端面的总压力P P1 1p p1 1A A，其方向向下。液柱受的重，其方向向下。液柱受的重力力G G=gAgA(z z1 1z z2 2)，作用方向向下。液柱下端面的，作用方向向下。液柱下端面的总压力总压力P P2 2p p2 2A A，作用方向向上。由于液柱处于静，作用方向向上。由于液柱处于静止状态，上述三项力之合力应为零，若取向下的作止状态，上述三项力之合力应为零，若取向下的作用力为正值，则用力为正值，则 P P1 1G GP P2 20 0.用截面积用截面积A A除各项并移项，可得除各项并移项，可得若将液柱的上端面取在容器内的液面上，若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为设液面上方的压力为p p0 0，并用，并用h h表示液柱表示液柱高度，高度，h h=z z1 1z z2 2，上式可改写为：，上式可改写为：将上式中各项均除将上式中各项均除，并移项，得，并移项，得.上面三式称为上面三式称为流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式，前两式是以，前两式是以压力的形式表示压力的形式表示，而第三式是，而第三式是以能量的形式以能量的形式表示。表示。这三式均说明在重力作用下，静止流体内部压强的这三式均说明在重力作用下，静止流体内部压强的变化规律。变化规律。.二、静力学基本方程式得出的结论二、静力学基本方程式得出的结论1 1 液面上方压力液面上方压力p p0 0一定时，静止流体任一点的压一定时，静止流体任一点的压力力p p与流体本身的与流体本身的密度及该点距液面的深度密度及该点距液面的深度(指垂指垂直距离直距离)有关，与该点的水平位置及容器正式形状无有关，与该点的水平位置及容器正式形状无关。液体的密度越大、距液面越远，该点的压力越关。液体的密度越大、距液面越远，该点的压力越大，而处于同一水平面上的各点压力必定相等大，而处于同一水平面上的各点压力必定相等(此即此即为连通器的原理为连通器的原理)。通常将压力相等的水平面称为。通常将压力相等的水平面称为等等压面压面。.2 2 当液面上方压力当液面上方压力p p0 0发生变化时，液体内部各点的发生变化时，液体内部各点的压力也将发生同样大小的变化。换言之，静止、连压力也将发生同样大小的变化。换言之，静止、连续、均质的液体内的压力，能以相同大小传递到液续、均质的液体内的压力，能以相同大小传递到液体内各点。此即体内各点。此即巴斯噶巴斯噶原理。原理。3 3 静力学方程式也是描述静止流体内能量守恒与转静力学方程式也是描述静止流体内能量守恒与转换的方程式。换的方程式。项表示项表示1kg1kg静止流体具有的静压能，静止流体具有的静压能，.gzgz(可写为可写为 gzgz)项表示项表示1kg1kg流体具有的位能。流体具有的位能。注意：流体静力学基本方程式是以液体的密度为常注意：流体静力学基本方程式是以液体的密度为常数时推导出来的，对于气体密度变化不大时数时推导出来的，对于气体密度变化不大时(如一容如一容器内器内)也适用；但对于气体的压力和密度变化大的不也适用；但对于气体的压力和密度变化大的不能使用。能使用。.本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度度h h1 1=0.7m=0.7m、密度、密度1 1=800kg/m=800kg/m3 3，水层高度，水层高度h h2 2=0.6m=0.6m、密度密度2 2=1000kg/m=1000kg/m3 3。（1 1）判断下列两关系是否成立，即）判断下列两关系是否成立，即 p pA A=p=pA A p pB B=p=pB B（2 2）计算水在玻璃管内的高度）计算水在玻璃管内的高度h h。.解：（解：（1 1）判断题给两关系式是否）判断题给两关系式是否成立成立 p pA A=p=p/A A的关系成立。因的关系成立。因A A与与A A/两点在静止的连通着的同一流体内，两点在静止的连通着的同一流体内，并在同一水平面上。所以截面并在同一水平面上。所以截面A-AA-A/称为等压面。称为等压面。p pB B=p=p/B B的关系不能成立。因的关系不能成立。因B B及及B B/两两点虽在静止流体的同一水平面上，点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截但不是连通着的同一种流体，即截面面B-BB-B/不是等压面。不是等压面。.（2 2）计算玻璃管内水的高度）计算玻璃管内水的高度h h 由上面讨论知，由上面讨论知，p pA A=p=p/A A，而而p pA A=p=p/A A都可以用流体静力学基本方程式计都可以用流体静力学基本方程式计算，即算，即 p pA A=p=pa a+1 1ghgh1 1+2 2ghgh2 2 p pA A/=p=pa a+2 2ghgh于是于是 p pa a+1 1ghgh1 1+2 2ghgh2 2=p=pa a+2 2ghgh简化上式并将已知值代入，得简化上式并将已知值代入，得 8000.7+10000.6=1000 8000.7+10000.6=1000h h解得解得 h h=1.16m=1.16m.液体静力学基本方程式的应用液体静力学基本方程式的应用一、压力测量一、压力测量 以静力学原理为依据的测量仪器统称为液柱压以静力学原理为依据的测量仪器统称为液柱压力计力计(又称液柱压差计又称液柱压差计)，主要用于测量某点的压力，主要用于测量某点的压力，也可以测两点间的压力差。也可以测两点间的压力差。1 U1 U形压差计形压差计 指示液指示液应是一种与被测流体不互溶、不起化学应是一种与被测流体不互溶、不起化学变化、密度大于被测流体的液体。常用的指示液有变化、密度大于被测流体的液体。常用的指示液有水银、四氯化碳、液体石蜡及水等。水银、四氯化碳、液体石蜡及水等。.2 2 倒倒U U形压差计形压差计 若用指示剂的密度若用指示剂的密度0 0小于被测流体的密度小于被测流体的密度时，可采用倒时，可采用倒U U形压差计。形压差计。.3 3 倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计(又称斜管压差计又称斜管压差计)当被测的流体压力或压力差很小时，为了提高当被测的流体压力或压力差很小时，为了提高读数的精确程度，还可将液柱压力计倾斜，即为倾读数的精确程度，还可将液柱压力计倾斜，即为倾斜液柱压差计。斜液柱压差计。.4 4 微差压差计微差压差计(又又称双液液柱压差计称双液液柱压差计)当测量小压差时当测量小压差时(如用倾斜液柱压如用倾斜液柱压差计所示的读数仍差计所示的读数仍然很小然很小)，可采用，可采用微差压差计。微差压差计。.特点：特点：(1)(1)内装有不相溶的两种指示液内装有不相溶的两种指示液A A和和C C，密度，密度分别为分别为A A和和C C，为了将计数，为了将计数R R放大，应尽可能使两放大，应尽可能使两种指示液的密度相接近，还应注意使指示液种指示液的密度相接近，还应注意使指示液C C(若若A AC C)与被测流体不互溶。与被测流体不互溶。(2)U (2)U形管两侧臂的上端装有扩张室，扩张室形管两侧臂的上端装有扩张室，扩张室的截面积比的截面积比U U形管的截面积大得多形管的截面积大得多(若扩张室的截面若扩张室的截面亦为圆形，应使扩张室的内径与亦为圆形，应使扩张室的内径与U U形管内径之比大于形管内径之比大于10)10)，这样，测量时读数，