学教科版选修33 4.2热力学第一定律 课件（2）（81张）.ppt

能量分类 一 体系积蓄能量 动能 内能 位能属于状态函数 二 体系边界传递的能量 功和热 过程函数 热 体系和环境间因温度的差别引起的能量传递 传热 功 除温度外 其它位势差引起的能量传递 做功 4 1闭系非流动过程的能量平衡 闭系非流动过程的能量平衡式 吸热为 放热为 对外做功为 得到功为 4 2开系流动过程的能量平衡 由能量守恒定律 对于敞开体系应满足下面关系 由于物质交换所携带的能量应包括在净能量内 如果只考虑物质的内能 位能 和动能 则单位质量流体所携带能量为 4 2开系流动过程的能量平衡 开系的平衡情况 控制体 控制体 物料平衡 能量平衡 非稳流过程 物料变化 开系的质量和性质随时间而变化 但边界固定不变 由能量守恒原理 该控制体在一定的时间间隔内 总能量的变化 能量变化 功 流动功 使物质通过开系所做的功 4 2开系流动过程的能量平衡 4 2开系流动过程的能量平衡 轴功 开系与外界通过机械轴所交换的功 即流体在经过产功或耗功设备的流动过程中 由于压力的变化导致流体发生膨胀或压缩 由该设备的机械轴传出或输入的功 此机械轴可以理解为转动的 也可以是往复的 如 鼓风机 压缩机 耗功设备 透平机 水轮机 产功设备 4 2开系流动过程的能量平衡 由h u pv和 开系流动过程的能量平衡方程 4 3稳流过程的能量平衡 4 3 1开系稳流过程的能量平衡式 稳流过程 指开系稳定状态与稳定流动过程 即考察时间内沿流体流动的途径所有各点的质量流量都相等 且不随时间变化 能量流率也不随时间变化 即所有质量和能量流率均为常数 无质量和能量的积累 令 4 3 1开系稳流过程的能量平衡式 即单位时间内有 开系稳流过程热力学第一定律数学表达式或能量平衡方程式 4 3 1开系稳流过程的能量平衡式 讨论 若只有一种物料进出体系 由质量平衡则有 能量平衡方程式可简化为 对单位质量物料 4 3 1开系稳流过程的能量平衡式 例4 1用功率为2 0kw的泵将95 c的热水从贮水罐送到换热器 热水的流量为3 5kg s 1 在换热器中以698kj s 1的速率将热水冷却后送入比第一贮水罐高15m的第二贮水罐 求第二贮水罐的水温 4 3 1开系稳流过程的能量平衡式 解 以1kg水为计算基准 例4 1 输入的功 放出的热 位能变化 动能变化忽略 例4 1 4 3 1开系稳流过程的能量平衡式 则有 由附表3查得95 c饱和水的焓 根据h2再查附表3 得到第二贮水罐的水温度约为47 51 c 由稳流过程能量平衡方程式 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 与外界无热交换 无轴功交换的不可压缩流体的稳流过程 对不可压缩流体 假定流动过程是非粘性理想流体的流动过程 无摩擦损耗存在 无机械能转变为内能 因此内能不变 即 又由焓与内能的关系式 即为著名的柏努力方程式 机械能平衡式 不可压缩流体 v 常数 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 与外界无热 无轴功交换的可压缩流体的稳定流动过程的能量平衡方程式 此时通常位能变化很小 方程可简化为 绝热稳定流动方程式 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 喷管 压力沿流动方向降低 从而使流速增大的部件 扩压管 降低流速 增大流体压力的部件 流体流过节流装置压力下降 动能无明显变化 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 3 与外界有大量热 轴功交换的稳流过程 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 如 传热 传质 化学反应 气体压缩与膨胀 液体混合等过程 通常动能变化和位能变化很小 即 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 2 无功交换 传热 化学反应 精馏 蒸发 溶解 吸收 结晶 萃取等过程 1 若绝热 绝热压缩和膨胀 则可得到节流之后温度的表达式为 由焓变的计算式 节流之后压力较低 可视为理想气体 节流过程为等焓 解 分析 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 1 计算 查取丙烷临界参数 初态对比参数为 例4 2 由图2 10判断 应采用普遍化维里系数法 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 例4 2 2 计算 将t 400k r 8 314j mol 1 k 1代入上式得到 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 代入 例4 2 4 3 2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 3 计算 例4 2 4 3 3轴功 1 可逆轴功的ws r 计算 1kg定组成流体 可逆轴功为无任何摩擦的轴功 流体流经产功或耗功装置 没有机械功耗散为热能的损失 可逆过程 为体系和环境交换的热量 则 4 3 3轴功 积分 则 产功和耗功过程 耗功过程为最小值 产功过程为最大值 不可压缩流体 2 实际轴功的ws计算 4 3 3轴功 由于气体分子间 轴与轴承之间 汽缸与活塞之间存在摩擦 使得实际轴功与可逆功之间存在差别 耗功过程 产功过程 机械效率 4 3 3轴功 例4 4某化工厂用蒸汽透平带动事故泵 动力装置流程如图所示 水进入给水泵的压力为0 09807mpa 绝 温度为15 水被加压到0 687mpa 绝 后进入锅炉 将水加热成饱和蒸汽 蒸汽由锅炉进入透平 并在透平中进行膨胀作功 排出的蒸汽压力为0 09807mpa 蒸汽透平输出的功主要用于带动事故泵 有一小部分用于带动给水泵 若透平机和给水泵都是绝热可逆操作 问有百分之几的热能转化为功 即用于事故泵的功 4 3 3轴功 例4 4 例4 4 4 3 3轴功 分析 要计算 应分别求出ws和q 而ws t则是以透平机为体系 其中q是向锅炉提供的热量 是以锅炉为体系 解 取1kg水为计算基准 例4 4 4 3 3轴功 1 计算q 求h2 以给水泵为体系 根据能量平衡方程式 由水蒸气表查得15 下水的饱和蒸汽压为1 7051kpa v 0 001m3 kg 1 4 3 3轴功 h1由15 下饱和水的焓来计算 查表得 由 化工热力学 4 3 3轴功 例4 4 求h3 由687kpa的饱和蒸汽表查得 求q 以锅炉为体系 4 3 3轴功 例4 4 求h4 透平机为绝热可逆条件下操作 故 由已知 结合s4值查p s图得 4 3 3轴功 例4 4 求ws 以透平机为体系进行能量衡算 透平机对外做的功 事故泵获得的功为 求 2 计算ws 4 3 4热量衡算 1 热量衡算 无功交换 仅有热交换过程的能量衡算 2 热量衡算的作用 确定工艺条件 设备尺寸 热载体用量 热损失 热量分布等 3 热量衡算的一般方法 1 化工生产过程的热效应 物流温度变化 显热变化 物流相变化 潜热变化 体系中化学反应 化学热 两种或多种物流相互溶解 混合热 3 总焓变为各分过程焓变之和 即 4 3 4热量衡算 2 系统和计算基准的选择 单位质量 单位体积 单位摩尔数或单位时间产品或原料量为计算基准 4 3 4热量衡算 4 热量衡算实例 1 换热器 无相变化和化学反应 且 解 以换热器为体系 1小时为计算基准 由热量衡算基本式得 设ta tb t环求换热器的热损失 4 3 4热量衡算 而 其中 则 或表示为 若已知热损失 则可根据上式计算物料流量或温度 4 3 4热量衡算 2 冷凝器 部分冷凝 解 以氨冷凝器为体系 1小时为计算基准 由热量衡算基本式得 4 3 4热量衡算 循环气中冷凝的氨量 单位质量氨冷凝焓变 液氨中汽化的氨量 单位质量液氨汽化焓变 则 式中 利用该式可以计算式中任何一变量 3 燃烧反应 4 3 4热量衡算 例4 5用过剩20 的空气燃烧甲烷 二者均在25 进入燃烧炉 试求燃烧所能达到的最高温度 解 甲烷燃烧反应为 燃烧过程为绝热 即 以1mol甲烷为计算基准 进入燃烧炉的气体为 甲烷 1molo2 2 4mol 需要理论o2的摩尔数2 过剩2 0 2 0 4mol n2 2 4 79 21 9 03mol 离开燃烧炉的气体为 o2 0 4mol 过剩o2摩尔数2 0 2 0 4mol n2 2 4 79 21 9 03mol co2 1mol h2o 2mol 4 3 4热量衡算 4 3 4热量衡算 为计算方便可设计一过程 实现绝热燃烧 求最高温度 0 1mpa25 1molch42 4molo29 03moln2 0 1mpat21molco22molh2o0 4molo29 03moln2 0 1mpa25 1molco22molh2o0 4molo29 03moln2 4 3 4热量衡算 由 又由 其中 4 3 4热量衡算 4 3 4热量衡算 其中 令t20 298 15k t21 2414 6k t22 2012 6k t23 2073 4k t24 2063 9k t25 2065 4k t26 2065 2k 1792 4 3 4热量衡算 4 化学变化 主 付 其中 反应前向转化炉提供热使反应产物达到1300k 则甲烷将完全转化 此时产物中co的含量为17 4 摩尔分数 已知反应物预热到600k入炉 试求需要向转化炉提供的热量 0 1mpa600k1molch42molh2o 4 3 4热量衡算 0 1mpa1300k0 87molco0 13molco23 13molh20 87molh2o 0 1mpa298 15k1molch42molh2o 0 1mpa298 15k0 87molco0 13molco23 13molh20 87molh2o 将过程设计为 4 3 4热量衡算 解 以1molch4和2molh2o为计算基准 为便于计算 通常采用由a和b反应组合而成的c反应与反应a结合 a加b得 1 确定产物组成 产物中co占17 4 则 4 3 4热量衡算 2 计算 3 计算 根据定压热容与温度间的关系查表得各参数如下 4 3 4热量衡算 由 4 3 4热量衡算 3 计算 各组分定压热容与温度关系式的参数值 4 3 4热量衡算 由 得各组分平均定压热容 4 3 4热量衡算 4 计算 由绝热过程 即应向转化炉提供328 36kj的热量 4 4气体压缩过程 常见压缩装置 压缩机 鼓风机 送风机等 压缩机 往复式压缩机式 叶轮式 常见离心式压缩机 均需要外界输入功 要用气轮机 内燃机或其他原动机带动它们工作 往复式压缩机式工作原理 离心式压缩机工作原理 靠高速旋转的叶轮对气体做功 使其动能和压力能增加 气体的压力和流速得到提高 然后大部分气体动能通过一个扩压器降低流速 动能转变为压力能 压力进一步提高 在蜗壳处形成高压 最后引出压缩机外 完成吸气一压缩排气过程 离心式压缩机式工作原理 理想压缩过程 即可逆压缩过程 指压缩过程不存在任何摩擦损耗 输入的功都用于气体压缩 没有功耗散为热 往复式压缩机 排气时汽缸中的气体完全排除 不留余隙容积 理想过程 1 理想气体等温压缩过程 则 即压缩过程消耗的功全部转化为热 曲线1 2a 4 4 1压缩过程热力学分析 压缩过程p v图 2 理想气体绝热压缩过程 则 3 实际气体压缩过程 既不是等温 也不是绝热 称为多变压缩过程 多变指数 一般 1 m k 有水夹套的往复式压缩机 m k 离心式压缩机 三种情况比较 其中 tt tm tk 4 4 1压缩过程热力学分析 曲线1 2c 曲线1 2b 4 4 2单级压缩机可逆轴功的计算 1 等温过程 由能量平衡方程 对理想气体 2 绝热过程 对理想气体 4 4 2单级压缩机可逆轴功的计算 4 4 2单级压缩机可逆轴功的计算 对理想气体 k与气体性质有关 单原子气体 k 1 667 双原子气体 k 1 40 三原子气体 k 1 333 混合气体 4 4 2单级压缩机可逆轴功的计算 3 多变过程 对理想气体 4 真实气体压缩功的计算 1 压缩因子变化不大 则zm可视为常数 压缩过程中 等温过程 4 4 2单级压缩机可逆轴功的计算 绝热过程 多变过程 2 易液化的气体 压缩因子变化很大 可采用热力学图表计算 绝热过程 多变过程 4 4 3多级压缩功的计算 1 多级压缩的必要性 1 压缩到很高的压力 由于实际的压缩过程接近于绝热 出口压力受到压缩后温度的限制 终温必须低于压缩机润滑油的闪点 2 过高的温度会造成气体分解或聚合 3 温度过高还会造成管道 汽缸 活门腐蚀和损坏 4 4 3多级压缩功的计算 2 多级压缩比的确定 结论是 各级压缩比相等 总功耗最小 以两级压缩为例推导 理想气体由p1压缩至p3 中间压力为p2 计算可逆多变压缩功 值要最小 则它对压力p2的一阶偏导数为零 即 4 4 3多级压缩功的计算 理想气体 求导得 由于 同理 对于多级压缩存在类似关系 压缩比 实际压缩过程有水冷却器和油水分离器 存在压力降 使压缩比比理论值约大1 1 1 5倍 4 4 3多级压缩功的计算 3 多级压缩可逆轴功的计算 4 4 4气体压缩的实际功耗 实际压缩过程不能视为可逆过程 实际压缩过程存在摩擦 使一部分功耗散为热 流体流动阻力 可能的涡流 湍流 气体泄露 传动机械和轴承之间的摩擦 活塞与汽缸摩擦等原因 使实际功比可逆功大 计算办法 4 4 5叶轮式压缩机 离心式和轴流式 往复式压缩机的缺点 转速不高 间歇吸气和排气以及有余隙容积的影响造成其排量不大 但是压缩比较大 叶轮式压缩机转速比活塞高几十倍 能连续不断地吸气排气 没有余隙容积 因此机体不大排量较大 缺点是每级压缩比较小 要得到较高压力 需要很多