函授第五章 化工过程的能量分析

函授第五章化工过程的能量分析2023/4/26第1页，共19页，2023年，2月20日，星期日热力学第一定律与能量平衡方程§4.1热力学第一定律§4.2稳定流动体系的热力学原理§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用2023/4/26第2页，共19页，2023年，2月20日，星期日§4.1热力学第一定律ΔU＝Ｑ+Ｗ只适合封闭体系!!!热力学第一定律的数学表达式：2023/4/26第3页，共19页，2023年，2月20日，星期日§4.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动敞开体系稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和物料的积累。化工过程中最常用不能用ΔU＝Ｑ+Ｗ来表达!!!2023/4/26第4页，共19页，2023年，2月20日，星期日能量的形式

化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物质的能量、能量传递的两种形式。1、物质的能量E(以1kg为基准)动能：Ek=

u2/2内能：U=f(T,P,x)位能：EP=

gZ2、能量传递的两种形式(以1kg为基准)

在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即热和功。2023/4/26第5页，共19页，2023年，2月20日，星期日热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用Q表示。

规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。

功W：1.对流动系统：包括两部分(1)流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为轴功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为流动功Wf=PV。管道截面积A[m2]

1kg流体

V[m3/kg]

P

流动功＝F.S=（P.A）.(V/A)=PV[J/Kg]2023/4/26第6页，共19页，2023年，2月20日，星期日注意：*热和功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说“某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。

*热和功是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功W。规定：系统得功，其值为正；反之为负。2023/4/26第7页，共19页，2023年，2月20日，星期日以1Kg为基准!!!Q为体系吸收的热量W为体系与环境交换的功。截面1的能量E1E1=U1+gZ1+u12/2截面2的能量E2E2=U2+gZ2+u22/2§4.2稳定流动体系的热力学原理P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u22023/4/26第8页，共19页，2023年，2月20日，星期日根据能量守恒原理：进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量∵稳定流动体系无能量的积累∴E1+Q=E2

-W（1）体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws

和流动功Wf，即W=Ws+Wf

其中：Wf=P1V1-P2V2所以W=Ws+P1V1-P2V2(2)E=U+gZ+u2/2(3)将(2)、(3)代入（1）可得(4)式§5.1.2稳定流动体系的热力学原理2023/4/26第9页，共19页，2023年，2月20日，星期日稳定流动体系的热力学第一定理：焓变位能变化动能变化(4)式的计算单位建议用J/kg；即以1Kg为基准!!!§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用2023/4/26第10页，共19页，2023年，2月20日，星期日一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置2023/4/26第11页，共19页，2023年，2月20日，星期日应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机

∵u2≈0，gZ≈0

∴

H=Q+Ws——稳流过程中最常用的公式若绝热过程Q=0，

Ws=H=H2-H1高压高温蒸汽带动透平产生轴功。§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用2023/4/26第12页，共19页，2023年，2月20日，星期日2）流体通过换热器、管道、混合器

∵Ws=0，u2=0，gZ=0

∴

H=Q如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差。

§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用体系状态变化，如化学反应

相变化

温度变化

反应热

相变热

显热

Q

——用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程2023/4/26第13页，共19页，2023年，2月20日，星期日3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。∵Ws=0，u2=0，gZ=0，Q=0

∴H=0§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用2023/4/26第14页，共19页，2023年，2月20日，星期日4）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：火箭、化工生产中的喷射器。∵Q=0，gZ=0，Ws=0

∴

H=-u2/2；u2>>u1§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用2023/4/26第15页，共19页，2023年，2月20日，星期日5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律∵u2=0，gZ=0。∴H=Q+WS

又∵H=U+PV

∴U=Q+W§4.3稳流体系能量平衡方程及其应用=Q+W-Wf=Q+W+P1V1-P2V2流动功Wf=P1V1-P2V22023/4/26第16页，共19页，2023年，2月20日，星期日热力学第一定律应用注意事项1、注意区别：U=Q+W封闭体系H=Q+Ws稳定流动体系2、注意符号：热量：体系吸热为正（+），体系放热为负（-）；功：外界对体系做功为正（+），体系对外做功为负（-）。2023/4/26第17页，共19页，2023年，2月20日，星期日例11.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，求湿蒸汽的干度解节流过程无功的传递，忽略散热、动能变化和位能变化T℃HkJ/kg1202716.616027