化工热力学 chap5 化工过程的能量分析

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1、第五章化工过程的能量分析1本章应用热力学的第一定律和第二定律，应用理想功、损失功、火用和火无等概念对化工过程中能量的转换、传递与使用进行热力学分析，评价过程或装置能量利用的有效程度，确定其能量利用的总效率，揭示出能量损失的薄弱环节与原因，为分析、改进工艺与设备，提高能量利用率指明方向。25.1能量平衡方程一． 热力学第一定律的实质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：Δ（体系的能量）＋Δ（环境的能量）＝0或Δ（体系的能量）＝－Δ（环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。3在

2、实际生产中大都遇到两种体系，即封闭体系和敞开体系。1.封闭体系：（限定质量体系）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。2.敞开体系：（限定容积体系）与环境有能量交换，也有质量交换。4二.能量平衡方程1.一般形式WsQδm2δm1P1V1u1U1P2V2u2U2Z1Z25（1）物料平衡方程：根据上式：得到m1-m2=dm体系（2）能量平衡方程进入体系的能量－离开体系的能量=体系积累的能量进入体系的能量:微元体本身具有的能量E1δm1环境传入的热量δQ体

3、系与环境交换的功δW6离开体系的能量:微元体带出能量E2δm2体系积累的能量＝能量恒等式为：(5-3)(5-4)7注意：1)是体系与环境交换的功，它包括与环境交换的轴功和流动功。流动功是流体进入体系时，环境对流体所作的流动功与流体离开体系时流体对环境所作的流动功之差，即(5-5)将式(5-5)代入式（5-4），得(5-6)82)E－单位质量流体的总能量，它包含有热力学能、动能和位能。2.  能量平衡方程一般形式代入（5-6）式，整理，得到H=U+PV将(5-7)9三.能量平衡方程的应用1.封闭体系：无

4、质量交换，限定质量体系δm1=δm2=0δQ+δWs=d(mE)封闭体系不存在流动功δWs=δWδQ+δWs=mdU于是有δQ+δW=mdU，对单位质量的体系有du=δQ+δW积分：Q+W=ΔU(5-11)又102.稳定流动体系稳定流动过程，表现在流动过程中体系内(1)每点状态不随时间变化(2)没有质量和能量的积累由式(5-9)可得到稳流体系的一般能量平衡方程11(1)一般能量平衡方程对稳流体系,由式(5-9)得：δm1=δm2=δm(H2-H1)δm+(u22-u12)δm+g(Z2-Z1)δm-δ

5、Ws-δQ=0积分：（5－13）123）式（5-13）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。注意：1)单位要一致，且用SI单位制.H,Q,Ws—能量单位，J/Kgu—m/s流量G—Kg/h（min.s）2）式中Q和Ws为代数值，即：Q以体系吸收为正，Ws以环境对体系作功为正。13（2）能量平衡方程的应用1）对化工机器：如膨胀机，压缩机等。流体的动能，位能变化量与体系焓值的变化量相比较，或者与流体与环境交换的热和功相比较，大都可以忽略。也即根据（5－16）142）对化工设备类：如反应器

6、，热交换器，阀门，管道等且Ws=0（5—17）这个式子的物理意义表现在：体系状态变化，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）等于体系的焓变。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Q153)对化工机器的绝热过程当体系在绝热情况下，与环境进行功的交换时，Q=0此式说明了在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系与环境交换的功量等于体系的焓变。根据164)对喷嘴，如喷射器是通过改变流体截面以使流体的动能与内能发生变化的一种装置对于这种装置，Ws=0

7、，gΔZ≈0水平放gΔZ=0垂直放gΔZ≈0流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，Q=0根据173.应用举例［陈顾版教材P108例5-1～5-2］自看185.2功热间的转换（热力学第二定律）物化知：St≥0>不可逆=可逆一.基本概念才可进行的过程自发过程：不消耗功非自发过程：消耗功0℃30℃冰冬天东北气温-30℃自发,具有产功能力如夏天郑州气温30℃-30℃非自发水水冰19可逆过程：没有摩擦，推动力无限小,过程进行无限慢;体系内部均匀一致，处于热力学平衡;对产功的可逆过程，其产功最大，对耗

8、功的可逆过程，其耗功最小;逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。（即没有功热得失及状态变化）不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度;体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）;逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹;如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。20自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？自发与非自发过程决定物系的始、终态与环境状态；可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没有关系。21可逆过程是一个理想过