化工热力学课件化工专业本科阶段 (3)

1、热力学第一定律及应用第三章掌握能量平衡方程的形式及应用稳流过程的能量平衡方程热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的，基本形式为： （体系的能量）（环境的能量）0或（体系的能量）（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。3.1 能量平衡方程一热力学第一定律的实质1. 封闭体系：与环境仅有能量交换，没有质量交换。体系内部是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象。在实际生产中大都遇到三种体系3. 敞开体系：与环境有能量交换，也有质量交换。2. 孤立体系：与环境没有能量交换，也没有质量交换。二.能量平衡方程1.一般形式（敞开体系）（1）物料平衡方程进入体系的质量离开体系的质量进入体系

2、的质量离开体系的质量体系质量的积累体系质量的积累 m m1 1- - m m2 2=dm=dm体系体系（2 2）能量平衡方程）能量平衡方程 进入体系的能量离开体系的能量进入体系的能量离开体系的能量= =体系积累的能量体系积累的能量 进入体系的能量进入体系的能量: : 微元体本身具有的能量微元体本身具有的能量 E1m1 环境对微元体所作的流动功环境对微元体所作的流动功 P1V1m1 环境传入的热量环境传入的热量 Q 环境对体系所作的轴功环境对体系所作的轴功Ws 离开体系的能量离开体系的能量: : 微元体带出能量微元体带出能量E2m2 流体对环境所作的流动功流体对环境所作的流动功 P2V2m2 体

3、系积累的能量体系积累的能量 d（mE） 能量恒等式为：能量恒等式为： E1m1+P1V1m1+Q +Ws -E2m2-P2V2m2=d(mE)(A)(A)1 ) E1 ) E单位质量流体的总能量，它包单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能。含有内能、动能和位能。 注意：注意：ZgggCUECC22一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流动功pv。2）系统与环境交换功W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轴功Ws；2.1) PV2.1) PV流动功，表示单位质量流流动功，表示单位质量流体对环境

4、或环境对流体所作的功体对环境或环境对流体所作的功功力功力* *距离距离P P* *A A* *V/A=PVV/A=PVP P1 1V V1 1输入流动功，环境对体系作功输入流动功，环境对体系作功P P2 2V V2 2输出流动功，体系对环境作功输出流动功，体系对环境作功。 2.2)Ws2.2)Ws单位流体通过机器时所作的轴功单位流体通过机器时所作的轴功 可逆轴功可逆轴功21PPSRVdPW对于可逆总功对于可逆总功 WsVPVPPdVWVVR11222111221122VPVPPdVVPVPWWsRd(PV)=PdV+VdPVdPPdVVPVPPVdVPVP11222211)(积分式积分式? ?

5、VdPVdPPdVPdVWs代入，整理，得到代入，整理，得到 gZCUE22将将H=U+PV11211)2(mgZCHWsQmgZCH22222)2()2(2gZCUmdE1m1+P1V1m1+Q +Ws -E2m2-P2V2m2=d(mE)m1=m2=m m1=m2=dm=0 Q+Ws=mdE 不存在流动功不存在流动功0)2(2Cd0gZd若若Ws=WQ+Ws=mdU 或或 Q+W=mdU 积分：积分：Q+W=U 120mmdE(1)(1)每点状态不随时间变化每点状态不随时间变化(2)(2)没有质量和能量的积累没有质量和能量的积累(1)(1)一般能量平衡方程一般能量平衡方程 对稳流体系对稳流

6、体系, ,由式由式(5-9)(5-9)得：得： 11211)2(mgZCHWsQmgZCH22222)2(=0m1=m2=dm (H2-H1) m+ (C22-C12) m+g(Z2-Z1) m-Ws-Q=0 21积分：积分：WsQZgCH221 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sWQzguH22kgJkgmNskgmkgsm2222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。 3 3）应用条件是稳流体系，不受过程是

7、否可逆以及流体）应用条件是稳流体系，不受过程是否可逆以及流体性质的影响。性质的影响。注意：注意：1)1)单位要一致，且用单位要一致，且用SISI单位制单位制. . H,Q,Ws能量单位，能量单位，J/KgJ/Kg Cm/s 流量流量GKg/h（min.s）2 2）式中）式中Q和和Ws为代数值，即：为代数值，即：Q以体系吸热为正，以体系吸热为正，Ws 以环境对体系作功为正。以环境对体系作功为正。对于液体，在积分时一般对于液体，在积分时一般可将可将V当作常数。当作常数。对于气体怎么办？对于气体怎么办？对于理想气体等温过程对于理想气体等温过程RTVP21lnRPWRTP左式只适用与理想气体左式只适用

8、与理想气体等温过程等温过程21PRPWVdP喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置 喷嘴与扩压管的结喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。高的部件称为扩压管。喷嘴扩压管sWQzguH22是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否202uH2222112uuHH质量流率质量流率222111VAuVAum流体通过焓值

9、的改变来换取动能的调整 透平机是借助流体的透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功减压和降温过程来产出功 压缩机可以提高流体压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功的压力，但是要消耗功 sWQzguH22是否存在轴功?是是!是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略sWH sWQzguH22是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略0H理想气体通过节流阀温度不变理想气体通过节流阀温度不变 混合两种或多种流体混合两种或多种流体是很常见

10、。是很常见。混合器混合器sWQzguH22是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?否否0H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。jjiiHxHxH入出mmxmmxjjii为一股物流的质量流量。jimmmmmji入出m 为总质量流量。 1 3 2 混合器混合器0jjiiHxHxH入出32211HHxHx121 xx 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

11、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。0jjiiHxHxH入出4231HxHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmx mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量稳态流动模型通常稳态流动模型通常是一个不错的近似是一个不错的近似通过泵得到轴功通过泵得到轴功位能变化位能变化泵水是否存在轴功?有时存在有时存在是否和环境交换热量?通常是通常是位能是否变化?有时变化有时变化动能是否变化?通常不变化通常不变化sWQzguH22sWQzguH22PVUHPVU 实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变

12、为热力学能，有摩擦损耗热力学能，有摩擦损耗UF对于无热、对于无热、 无轴功交换、无轴功交换、/PU 不可压缩流体的稳流过程不可压缩流体的稳流过程022uzgPF对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则022uzgPsWQzguH22节流过程无功的传递，忽略散热、 动能变化和位能变化12HH130H26271622796627161201601201302.Hkg/kJ.H527362xHxHHgl115273612.HH970909844227929844527361.HHHHxlglsWQzguH22 30 的空气，以5m/s的流速

13、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kJ.TTCmHmP6030303423005150121122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212kJ.J.um5930593259865021222kJ.J.zmg47211472381950kJ.Q6032472159306030例题3-3 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2.5106 kJh-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，其他能量项单位为kJkg-1。从附录C水性质表中可查得，90时水的密度为965.3kgm-3，则水的质量流率为 965.312 = 11583.6 kgh-1得到放出的热量 轴功 势能 16kgkJ8 .2156 .115