第6章第1讲能量平衡方程ppt课件

1、2022-4-29-1-第第6 6章章 主要内容主要内容 (1) 热力学第一定律热力学第一定律能量转化与守恒方程能量转化与守恒方程 (2) 热力学第二定律热力学第二定律 (3) 熵增、熵产生与熵平衡熵增、熵产生与熵平衡 (4) 理想功、损失功与热力学效率理想功、损失功与热力学效率 (5) 有效能的定义及计算有效能的定义及计算2022-4-29-2-第第6 6章章 化工过程的能量分析化工过程的能量分析化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品位降低位降低提高能量利用率、合理地使用能量提高能量利用率、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用热力学

2、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律和热力学第二定律2022-4-29-3-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动过程的应

3、用程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用2022-4-29-4-一、能量的种类一、能量的种类 (1) 内能内能U。系统内部所有粒子除整体势能和整体动能。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。分子内部的能量。 (2) 动能动能Ek。如果物质具有质量。如果物质具有质量m，并且以速度，并且以速度u 运运动，物系就具有动能。动，物系就具有动能。 (3) 重力势能重力势能Ep。如果物质具有质量。如果物质具有质量m，并且与势能基，并且与势能基准面的垂直距离为准面的垂直距离为z，物系就具有势能。，物

4、系就具有势能。 (4) 热热Q。由于温差而引起的能量传递。由于温差而引起的能量传递。Q 需要正负号需要正负号来表示能量传递方向。在化工热力学中，规定物系得到来表示能量传递方向。在化工热力学中，规定物系得到热时热时Q 为正值，相反的，物系向环境放热时为正值，相反的，物系向环境放热时Q 为负值。为负值。2022-4-29-5-一、能量的种类一、能量的种类 （5功功W。除热。除热Q 之外的能量传递。与热之外的能量传递。与热Q 一一样，功样，功W 也是物系发生状态变化时与环境交换也是物系发生状态变化时与环境交换的能量，只是的能量，只是W 是另一种形式。在化工热力学是另一种形式。在化工热力学中对于功中对

5、于功W 也做了正负号的规定。物系得到功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。为正值；而物系向环境做功为负值。2022-4-29-6-二、热力学第一定律二、热力学第一定律孤立系统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。转化时，总的能量数值保持不变。 2022-4-29-7-二、热力学

6、第一定律二、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 2022-4-29-8-三、能量平衡方程三、能量平衡方程能量守恒与转换能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。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，如能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函动能、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，常数。另一类是过程

7、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，而与过程有见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有关。关。热量是因为温度差别引起的能量传递，做功是由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。不同且与过程传递方式有关的能量形式。 2022-4-29-9-三、能量守恒与转换三、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，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

8、，即能量转化和守的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。恒原理。体系在过程前后的能量变化体系在过程前后的能量变化E应与体系在该过应与体系在该过程中传递的热量程中传递的热量Q与功与功W相等。相等。WQE2022-4-29-10-四、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 稳定流动，简称稳流稳流系统稳定流动，简称稳流稳流系统 ） (1) 设备内各点的状态不随时间变化设备内各点的状态不随时间变化 (2) 垂直于流向的各个截面处的质量流率相等垂直于流向的各个截面处的质量流率相等 2022-4-29-11-四、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

9、定律及其应用 2022-4-29-12-四、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；而交换的功W 除了轴功除了轴功Ws 之外，还有另之外，还有另外一种功外一种功流动功流动功Wf。 2022-4-29-13-四、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 在截面1 处的流动功W1f 为： 截面2 处的流动功W2f 为：2022-4-29-14-四、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

10、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 2022-4-29-15-四、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 讨论： (1) 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2022-4-29-16-四、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

11、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才干结论：从焓变可求这些设备做功或耗功才干 2022-4-29-17-四、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 (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

12、。 2022-4-29-18-6.1.2 能量平衡方程换热器换热器透平机透平机QIIIQP1,Z1,V1u1,m1P2,Z2,V2u2,m2Wsm,E2022-4-29-19-6.1.2 能量平衡方程对任一体系，有如下衡算：对任一体系，有如下衡算：进入体系的量进入体系的量-离开体系的量离开体系的量=体系积累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：物料平衡方程：能量平衡方程：能量平衡方程：12dmmm体系dEQW体系2022-4-29-20-6.1.2 能量平衡方程 流体从截面流体从截面I通过设备流到截面通过设备流到截面II，

13、在截面，在截面I处流体进入处流体进入设备所具有的状况用下标设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度表示，此处距基准面的高度为为z1，流动平均速度，流动平均速度u1，比容，比容V1，压力，压力p1以及内能以及内能U1等。同样在截面等。同样在截面II处流体流出所具有的状况用下标处流体流出所具有的状况用下标2表表示。示。 单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能势能(gZ)和热力学能和热力学能(U)。1211121gzuUE2222221gzuUE2022-4-29-21-6.1.2 能量平衡方程系统与环境交换功系统与环境交换功W，实

14、际上由两部分组成。一，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系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质；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。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假设系统入口处截面面积为A1，流体的比，流体的比容为容为V1，压力为，压力为p1，则推动力为，则推动力为p1A1，使单位，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/

15、A1,推推动单位质量流体进入系统所需要的功为动单位质量流体进入系统所需要的功为:2022-4-29-22-6.1.2 能量平衡方程 推动单位质量流体进入系统所需要的功为推动单位质量流体进入系统所需要的功为:1111 11Vp ApVA 这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环环境境)所给予的功；同样所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体必须推动前面的流体(环境环境)，即对环境作，即对环境作 p2V2的的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功。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

16、动过程中才有这种功。功。只有在连续流动过程中才有这种功。 2022-4-29-23-6.1.3 稳态流动体系的能量平衡方程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，系统中没有物料和的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。能量的积累。2022-4-29-24- 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)。 流体从截面流体从截面1通过设备流到通过设备流到截面截面2，在截面，在截面1处流体进入设备处流体进入设备所具有的状况用下标所具有的状况用下标1表示，此表示，此处距基准

17、面的高度为处距基准面的高度为z1，流动平，流动平均速度均速度u1，比容，比容V1，压力，压力P1以以及内能及内能U1等。同样在截面等。同样在截面2处流处流体流出所具有的状况用下标体流出所具有的状况用下标2表表示。示。1211121gzuUE2222221gzuUE g为重力加速度。2022-4-29-25- 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Al，流体的比容为V1，压力为P1，则推动力为P1A1，

18、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111111VPAVAP这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境环境)所给予的所给予的功；同样功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环环境境)，即对环境作，即对环境作 P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功。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。的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。2022-4-29-26-对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流

19、动功之和2211VPVPWWs 稳态流动系统的能量平衡关系可写为22111211222222VPVPWQgzuUgzuUssWQzguPVU22 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2022-4-29-27- 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sWQzguH22kgJkgmNskgmkgsm2222流动功包含在焓中流动功包含在焓中轴功轴功 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。2022-4-29-28-可逆

20、条件下的轴功对于液体，在积分时一般对于液体，在积分时一般可将可将V当作常数。当作常数。对于气体怎么办？对于气体怎么办？对于理想气体等温过程对于理想气体等温过程RTVP21lnRPWRTP左式只适用与理想气体左式只适用与理想气体等温过程等温过程21PRPWVdP2022-4-29-29-一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴喷嘴扩压管节流阀透平机透平机压缩机混合装置混合装置换热装置2022-4-29-30-喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 喷嘴与扩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

21、扩压管。喷嘴喷嘴扩压管扩压管2022-4-29-31-喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 sWQzguH22是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否202uH2022-4-29-32-2222112uuHH流体通过焓值的改变来换取动能的调整流体通过焓值的改变来换取动能的调整2022-4-29-33-透平机和压缩机透平机和压缩机 透平机是借助流体的减压透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功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=902022-4-29-34-透平机和压缩机透平机和压缩机 sWQzguH22是否存在轴功?是是!是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?变化很小可以忽略变化很小可以忽略动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略sWH 2022-4-29-35-sWQzguH22节流阀节流阀是否存在轴功是否存在轴功?否否是否和环境交换热量是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化位能是否变化?否否动能是