1、函授第五章 化工過程的能量分析第1頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3熱力學(xué)第一定律與能量平衡方程4.1 熱力學(xué)第一定律4.2 穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理4.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用第2頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/34.1熱力學(xué)第一定律U+只適合封閉體系!熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：第3頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/34.2穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理穩(wěn)定流動(dòng)敞開體系穩(wěn)定、連續(xù)、流進(jìn)、流出，不隨時(shí)間變化，沒有能量和物料的積累。化工過程中最常用不能用U+來表達(dá)!第4頁，共19頁

2、，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3能量的形式 化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：物質(zhì)的能量、能量傳遞的兩種形式。1、物質(zhì)的能量E(以1kg為基準(zhǔn))動(dòng)能：Ek= u2/2內(nèi)能：U=f(T,P, x)位能： EP= gZ2、能量傳遞的兩種形式(以1kg為基準(zhǔn)) 在各種熱力學(xué)過程中，體系與環(huán)境之間常發(fā)生能量的傳遞，能量傳遞的形式有兩種，即熱和功。第5頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3熱:系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交換的能量，用Q表示。規(guī)定：系統(tǒng)獲得的熱量，其值為正；反之為負(fù)。功W：1.對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)：包括兩部分(1) 流體通過

3、機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的能量，稱為軸功Ws。(2)物料在連續(xù)流動(dòng)過程中，由于流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功，稱為流動(dòng)功Wf =PV。管道截面積A m2 1kg流體 Vm3/kg P 流動(dòng)功F.S =（P.A）.(V/A) = PV J/K g第6頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3注意：*熱和功只是在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身具有的能量，故不能說“某物質(zhì)具有多少熱或功”。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。如：在換熱設(shè)備中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，結(jié)果是熱流體內(nèi)能降低。冷流體內(nèi)能增加。 *熱和功是過程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)。2.對(duì)非流動(dòng)系統(tǒng)，特定設(shè)備（如

4、帶活塞的氣缸）中，因流體體積改變而與環(huán)境交換的能量，稱為體積功W。規(guī)定：系統(tǒng)得功，其值為正；反之為負(fù)。第7頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3以1Kg為基準(zhǔn)!Q為體系吸收的熱量W為體系與環(huán)境交換的功。截面1的能量E1E1 = U1 + gZ1+ u12/2截面2的能量E2E2 = U2 + gZ2+ u22/24.2穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u2第8頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3根據(jù)能量守恒原理：進(jìn)入體系能量=離開體系能量+體系內(nèi)積累的能量 穩(wěn)定流動(dòng)體系無能量的積累 E1 +Q

5、= E2 -W （1）體系與環(huán)境交換的功W包括與環(huán)境交換的軸功Ws 和流動(dòng)功Wf，即W = Ws + Wf 其中：Wf= P1V1 -P2V2 所以 W = Ws+ P1V1 -P2V2 (2) E = U + gZ + u2/2 (3)將(2)、(3)代入（1）可得(4)式穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理第9頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)第一定理：焓變位能變化動(dòng)能變化(4)式的計(jì)算單位建議用 J/kg；即以1Kg為基準(zhǔn)!4.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用第10頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3一些常

6、見的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴擴(kuò)壓管節(jié)流閥透平機(jī)壓縮機(jī)混合裝置換熱裝置第11頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3應(yīng)用中的簡化1）流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī) u20，g Z0 H=Q + Ws穩(wěn)流過程中最常用的公式若絕熱過程Q=0， Ws= H= H2-H1高壓高溫蒸汽帶動(dòng)透平產(chǎn)生軸功。4.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用第12頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/32）流體通過換熱器、管道、混合器 Ws=0，u2=0，g Z=0 H=Q如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相變化，溫度變化時(shí)，與環(huán)境交換的熱量（反應(yīng)熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。 4.3

7、 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用體系狀態(tài)變化，如化學(xué)反應(yīng) 相變化 溫度變化 反應(yīng)熱 相變熱 顯熱 Q 用于精餾、蒸發(fā)、吸收、結(jié)晶過程第13頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/33）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程。 Ws=0，u2=0，g Z=0 ，Q=0 H=04.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用第14頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/34）流體通過噴嘴獲得高速氣體（超音速）例：火箭、化工生產(chǎn)中的噴射器。 Q=0，g Z=0 ， Ws=0 H= -u2/2 ； u2 u14.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用

8、第15頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/35）對(duì)封閉體系，退化為封閉體系熱力學(xué)第一定律 u2=0，g Z=0 。 H= Q + WS 又 H=U+ PV U=Q + W4.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用=Q + W- Wf= Q + W+ P1V1 -P2V2流動(dòng)功Wf= P1V1 -P2V2第16頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3熱力學(xué)第一定律應(yīng)用注意事項(xiàng)1、注意區(qū)別：U=Q + W 封閉體系H=Q +Ws 穩(wěn)定流動(dòng)體系2、注意符號(hào)：熱量：體系吸熱為正（+），體系放熱為負(fù)（-） ；功：外界對(duì)體系做功為正（+），體系對(duì)外做功為負(fù)（-） 。第17頁，共19頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)23分，星期一2022/9/3例 1 1.5MPa的濕蒸汽在量熱計(jì)中被節(jié)流到0.1MPa和403.15K，求濕蒸汽的干度解節(jié)流過程無功的傳遞，忽略散熱、動(dòng)能變化和位能變化T H kJ/kg1202716.61602796.213