第4章 热力学第一定律及其应用

1、化工热力学化工热力学开系流动过程的能量平衡2闭系非流动过程的能量平衡1第4章 热力学第一定律及其应用气体压缩过程4稳流过程的能量平衡3化工热力学化工热力学 在“物理化学”教材中已详细介绍了闭系非流动过程的能量平衡式式中， 是系统内能的变化，q和w分别是系统与外界所交换的热和功。系统吸热q取正号、放热取负号。系统作功w取正号，得功取负号。w代表各种不同形式的功，如体积功、电功、表面功等。 化工生产中经常遇到的是开系流动过程，因此将主要研究开系流动过程的能量平衡。4.1 闭系非流动过程的能量平衡化工热力学化工热力学根据能量守恒原理，有单位质量流体携带的能量e为4.2 开系流动过程的能量平衡化工热力

2、学化工热力学 根据能量守恒原理，该控制体在时间间隔 内总能量的变化为将式（4-2）、式（4-4）和式（4-5）代入式（4-3），得4.2 开系流动过程的能量平衡化工热力学化工热力学4.3 稳流过程的能量平衡12开系稳流过程的能量平衡式开系稳流过程的能量平衡式稳流过程能量平衡式的简化稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用形式及其应用34轴功轴功热量衡算热量衡算化工热力学化工热力学式（4-10）-式（4-12）可简化成式（4-9）变成4.3.1 开系稳流过程的能量平衡式化工热力学化工热力学以1kg流体为计算基准，式（4-16）可以简化成4.3.1 开系稳流过程的能量平衡式化工热力学化工热力学（）机械

3、能平衡式与外界无热、无轴功交换的不可压缩流体的稳流过程的能量平衡式（）绝热稳定流动方程式与外界无热、无轴功交换的可压缩流体的稳流过程的能量平衡式 在一般情况下，这些热流很小，可以忽略不计。又由于气体通过这些设备装置时的位高基本不变，因此式（4-16）可以简化成4.3.2 稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用化工热力学化工热力学或式（4-21）即为绝热稳定流动方程式。喷管与扩压管节流装置式（4-21）变成或4.3.2 稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用化工热力学化工热力学（）与外界有大量热、轴功交换的稳流过程 由于系统与外界有大量热和轴功的交换，能量平衡式中的动能和位能项可以忽略，式（4-16

4、）变成 倘若过程是绝热的，则式（4-23）还可简化成 对于无轴功交换、但有热交换的化工过程，式（4-23）可简化成4.3.2 稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用化工热力学化工热力学（）可逆轴功 的计算 对于1kg定组成的流体，热力学基本关系式（3-3）可写成 对于产功或耗功过程（或设备），一般可以忽略动能和位能的变化，则 对于液体，v可近似地视为常量，式（4-26）可简化成4.3.3 轴功化工热力学化工热力学（）实际轴功的计算对于产功设备，实际轴功小于可逆轴功对于耗功设备，实际轴功则大于可逆轴功（指绝对值） 实际轴功与可逆轴功之比称机械效率 。对于产功设备对于耗功设备4.3.3 轴功化工热力

5、学化工热力学 无轴功交换，仅有热交换过程的能量衡算称为热量衡算。稳流过程热量衡算的基本关系式为（）热量衡算的一般方法基本的热效应发生于物流的温度变化（显热变化）；物流的相变化（潜热变化）；两种或多种物流相互溶解；系统中的化学反应。4.3.4 热量衡算化工热力学化工热力学（）热量衡算实例 根据热量衡算的基本式（4-25），对于换热器有已知有关温度范围内的平均等压热容，忽略压力变化，则有 4.3.4 热量衡算化工热力学化工热力学将式（4-31）-式（4-32）代入式（4-30），可得4.3.4 热量衡算 根据热量衡算基本式（4-25），对氨冷器有化工热力学化工热力学4.4 气体压缩过程12压缩过程

6、热力学分析压缩过程热力学分析单级压缩机可逆轴功的计算单级压缩机可逆轴功的计算34多级压缩功的计算多级压缩功的计算气体压缩的实际功耗气体压缩的实际功耗5叶轮式压缩机叶轮式压缩机化工热力学化工热力学根据式（4-23）， ，对于理想气体等温压缩过程，4.4.1 压缩过程热力学分析化工热力学化工热力学（）等温压缩（）绝热压缩 对于理想气体，可将 常数的关系代入上式，积分后可得或4.4.2 单级压缩机可逆轴功的计算化工热力学化工热力学混合气体的绝热指数 可按式（4-41）计算：（）多变压缩或4.4.2 单级压缩机可逆轴功的计算化工热力学化工热力学（）真实气体压缩功的计算等温压缩：绝热压缩：多变压缩：多变

7、压缩：绝热压缩：4.4.2 单级压缩机可逆轴功的计算化工热力学化工热力学按可逆多变压缩功计算，两级压缩功之和为4.4.3 多级压缩功的计算化工热力学化工热力学对于有s级的多级压缩，同样有 多级压缩的可逆轴功可分级计算或4.4.3 多级压缩功的计算化工热力学化工热力学 以上介绍压缩功的计算都只适用于无任何摩擦损耗的可逆过程。实际过程都存在摩擦，必定有一部分功耗散为热。例如机内流体流动阻力、可能存在涡流、湍流以及气体泄漏等均造成部分损耗。另外，由于传动机械和轴承的机械摩擦，活塞与汽缸的摩擦等也要消耗一部分功。因此，实际需要的功 要比可逆轴功 大（指绝对值）。设 为考虑各种摩擦损耗因素的机械效率（此即为前面提及的机械效率的一种）。 与 的关系如下所示：4.4.4 气体压缩的实际功耗化工热力学化工热力学 叶轮式压缩机分为离心式和轴流式两种类型，其中较常见的是高速离心式压缩机。 往复式压缩机的最大缺点是排量不大。其原因是由于转速不高，间歇吸气与排气，以及有余隙容积的影响。叶轮式压缩机克服了这些缺点，它的转速比活塞式高几十倍，能连续不断地吸气和排气且没有