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1、第6章 主要内容,(1)热力学第一定律能量转化与守恒方程(2)热力学第二定律(3)熵增、熵产生与熵平衡(4)理想功、损失功与热力学效率(5)有效能的定义及计算,第6章 化工过程的能量分析,化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品位降低提高能量利用率、合理地使用能量用热力学的观点、方法来指导能量合理使用化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定律和热力学第二定律,第6章 化工过程的能量分析,物化利用热力学两大定律可以计算过程的热和功，判断过程的方向和限度物化介绍两大定律在封闭系统中的应用，在实际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课程中进一步讨论两大定律对流
2、动过程的应用,一、能量的种类,(1)内能U。系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。包括分子内动能、分子内势能和分子内部的能量。(2)动能Ek。如果物质具有质量m，并且以速度u 运动，物系就具有动能。(3)重力势能Ep。如果物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就具有势能。(4)热Q。由于温差而引起的能量传递。Q 需要正负号来表示能量传递方向。在化工热力学中，规定物系得到热时Q 为正值，相反的，物系向环境放热时Q 为负值。,一、能量的种类,（5）功W。除热Q 之外的能量传递。与热Q 一样，功W 也是物系发生状态变化时与环境交换的能量，只是W 是另一种形式。在化工热
3、力学中对于功W 也做了正负号的规定。物系得到功为正值；而物系向环境做功为负值。,二、热力学第一定律,孤立系统热力学第一定律孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。孤立系统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进行转化时，总的能量数值保持不变。,二、热力学第一定律,封闭系统的热力学第一定律 封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的动能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一定律可表示为,三、能量平衡方程,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。能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量
4、，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，常见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，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。,三、能量守恒与转换,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化E应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,稳定流动，简称稳流（稳流系统）,(1)设备内各点的状态不随时间变化(2)垂直于流向的各个截
5、面处的质量流率相等,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,内能的变化：,动能的变化为：,重力势能的变化为：,环境与单位质量的研究体系之间交换的热量为Q；而交换的功W 除了轴功Ws 之外，还有另外一种功流动功Wf。,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,在截面1 处的流动功W1f 为：,截面2 处的流动功W2f 为：,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。,H=U+pV,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,讨论：(1)
6、流体流经换热器、反应器等传质设备 这些设备中没有轴传动的结构，Ws=0；另外，考虑动能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项可以忽略，因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：,结论：换热器热负荷可由焓变来确定,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,(2)流体流经泵、压缩机、透平等设备在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略。,若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相比可忽略不计。,结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力,四、稳流系统的热力学第一定律及其应用,(3)流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴 流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，Q=0；设备没有轴传动结
7、构，Ws=0；流体进出口高度变化不大，重力势能的改变可以忽略,结论：流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为了动能。,6.1.2 能量平衡方程,6.1.2 能量平衡方程,对任一体系，有如下衡算：进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量由此可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式物料平衡方程：能量平衡方程：,6.1.2 能量平衡方程,流体从截面I通过设备流到截面II，在截面I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II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
8、式为动能(u2/2)，势能(gZ)和热力学能(U)。,6.1.2 能量平衡方程,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A1，流体的比容为V1，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:,6.1.2 能量平衡方程,推动单位质量流体进入系统所需要的功为:,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
9、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，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。,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。,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)。,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。,g为重力加速度。,系统与环境交换功W，实际
10、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，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,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
11、交换的功是轴功与流动功之和,稳态流动系统的能量平衡关系可写为,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：,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,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。,可逆条件下的轴功,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,左式只适用与理想气体等温过程,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,喷嘴与扩压管,喷嘴与扩
12、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。使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。,喷嘴,扩压管,喷嘴与扩压管,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,流体通过焓值的改变来换取动能的调整,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,T=90,透平机和压缩机,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?,变化很小可以忽略,动能是否变化？,通常可以忽略,节流阀,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能
13、是否变化?,否,动能是否变化?,通常可以忽略,节流阀 Throttling Valve,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,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,动能是否变化?,否,换热设备,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。,管路和流体输送,稳态流动模型通常是一个不错的近似,通过泵得到轴功,位能变化,管路和流体输送,是否存在轴功?,有时存在,是否和环境交换热量?,通常是,位能是否变化?,有时变化,动能是否变化?,通常不变化,Bernoulli 方程,实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗,对于无热、,无轴功交换、,不可压缩流体的稳流过程,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,结束,
