热力化学第四章 热力学第一定律

化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics华北科技学院第四章热力学第一定律能量平衡式4.1闭系非流动过程的能量平衡体系能量的变化=体系与环境交换的净能量即：封闭体系非流动过程的热力学第一定律：

4.2开系通用的能量平衡方程1.开系稳流过程的能量平衡4.3稳流过程的能量平衡1)外部环境对流体提供的能量(对于1kg流体):

①外功(ws)—净功或有效功，J/kg；②热量(q)—获得的热量，J/kg；规定：外界提供给流体功，ws为正；流体传递给外界功，ws为负。稳流过程状态是稳定的

流动是稳定的4.3稳流过程的能量平衡①内能U:J/kg；②位能:③动能:2)流体在流动过程中本身所具有的能量(对于1kg流体):mkg：位能=mgZ，J④静压能(压强能)1kg：位能=gZ，J/kgm

kg-Vm3：静压能=pV，J1kg-V/mm3

：静压能，J/kgmkg：动能=mu2/2，J1kg：动能=u2/2，J/kg4.3稳流过程的能量平衡总能量衡算式依据:输入总能量=输出总能量流动系统衡算范围：1-1

至2-2截面衡算基准：1kg不可压缩流体基准水平面：0-0平面4.3稳流过程的能量平衡P97，例4-11kg流体稳流能量衡算式mkgmkg流体稳流能量衡算式4.3稳流过程的能量平衡(1)机械能平衡方程式（柏努利方程）：流体不可压缩→ρ=常数=1/v，v△p=△p/ρ无热、无轴功交换→q=0，ws=0理想流体，无粘性→摩擦损耗hf=0，△U=0条件△h=△U+v△p2.稳流过程能量平衡的简化形式4.3稳流过程的能量平衡(2)绝热稳定流动方程式

条件：可压缩，与外界无热、无轴功交换。根据此式可计算流体终温、质量流速、出口截面积等，因此它是喷管和扩压管的设计依据。可逆，

∴为等熵过程

节流：△H≈0，等焓过程

孔板、阀门、多孔塞p↓，∆u≈04.3稳流过程的能量平衡b.无热交换（绝热）

或(3)与外界有大量热、轴功交换的稳流过程

(动能≈0，位能≈0)或a.有大量热、无轴功交换，Ws=0

换热器、反应器泵、压缩机、透平P99，例4-2，3体系状态变化，如发生化学反应，相变化，温度变化，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差4.3稳流过程的能量平衡3.轴功(1)可逆轴功Ws(R)的计算：

①对于静止的或流动的封闭体系单位质量流体：

无任何摩擦损失的轴功液体ws(R)=v△p②绝热可逆过程(等熵)：

4.3稳流过程的能量平衡3.轴功(2)实际轴功Ws的计算：

产功设备(透平)：

耗功设备：

ηm：机械效率其大小与机器制作水平有关P105，例4-4，5可逆轴功为最大功可逆轴功为最小功4.热量衡算4.3稳流过程的能量平衡热量衡算：无轴功交换，只有热交换过程的能量衡算。稳流过程的热量衡算的基本关系式：

△H=Q4.3稳流过程的能量平衡四种热效应：

显热――物流的温度变化潜热――物流的相变化混合热效应――多股物流混合反应热效应――化学反应产生热量衡算方法：(四选择)选择控制体（研究对象）；

选择物流量（计算基准）；选择基准状态（基准温度）；选择初始态（设计最佳途径）。

4.3稳流过程的能量平衡A物流B物流TA1TA2TB1TB2QBQAQL换热器热平衡物流A：温度TA1→TA2，放热QA，流量mA，平均等压热容CpmhA物流B：温度TB1→TB2，吸热QB，流量mB，平均等压热容CpmhB换热器：热损失QL对于换热器，△H=Q△H=△HA+△HB，Q=QL=QA+QB△HA=mACpmhA(TA2-TA1)△HB=mBCpmhB(TB2-TB1)换热器的热量平衡式：QL=mACpmhA(TA2-TA1)+mBCpmhB(TB2-TB1)4.3稳流过程的能量平衡循环气：流量mG，冷凝氨量mL

，温度TG1→TG2，CpmhG，△hL液氨：流量mA，汽化液氨量mA

，温度TA1→TA2，CpmhA，△hA氨冷器：热泄入QL对于氨冷器，△H=△HG+△HA=QL△HA=mACpmhA(TA2-TA1)+mA△hA△HG=mGCpmhG(TG2-TG1)+mL△hL氨冷器的热量平衡式：QL=mACpmhA(TA2-TA1)+mA△hA+mGCpmhG(TG2-TG1)+mL△hL循环气入TG1液氨TA1QL氨冷器热平衡气氨TA2循环气出TG2常用于压缩气体的机械有：

压缩机(终压＞0.3MPa，压缩比＞4)

鼓风机(终压0.015～0.3MPa，压缩比＜4)

通风机(终压＜0.015MPa(表压)

按运动机构，压缩机往复式叶轮式4.4气体压缩过程概述外界输入功1.压缩过程热力学分析4.4气体压缩过程理想压缩过程：整个过程均为可逆，不存在任何摩擦损耗，输入的功完全用于压缩气体。

往复式压缩机压缩过程示意图：

排气活门吸气活门冲程活塞冲程：活塞从一端到另一端的行程距离称为冲程或行程4.4气体压缩过程pV12c2a2b31、恒温压缩过程：

pV=常数，-Q=W(s)

2、绝热压缩过程：pVK=常数，△H=W(S)3、多变压缩过程：

pVm=常数

1<m<K往复式压缩机压缩过程示意图绝热(Ws，T2，V2)>多变(Ws，T2，V2)>等温(Ws，T2，V2)V12.单级压缩机可逆轴功的计算4.4气体压缩过程(1)等温压缩(2)绝热过程△H=Q+Ws等温△H=0，Ws(R)=-QQ=0pVK=常数Ws(R)由T1和压缩比p2/p1决定∫P1P2VdpWs=△H=理想气体：pV=RT

4.4气体压缩过程式中，K为绝热指数，与气体性质有关。理想气体K的取值：

单原子气体：K=5/3双原子气体：K=7/5三原子气体：K=4/3混合气体的绝热指数Km：Ki：某组分的绝热指数yi：某组分的摩尔分数4.4气体压缩过程(3)多变压缩式中，m为多变指数。pVm=常数(4)真实气体压缩功a.

Z变化不大：取平均值：Zm=(Z进

+Z出)/2，将Zm看成常数真实气体压缩功=Zm×理想气体压缩功b.

Z变化大：绝热过程：

△H=Ws(R)多变过程：Ws(R)=△H-QP114，例4-84.4气体压缩过程3.多级压缩功的计算

多级压缩可用适当的压缩比，并且各级都设有中间冷凝器，使之更趋近于等温压缩。

多级压缩所消耗的总功=各级压缩所消耗功的代数和。

气体的压缩，为了减少总的功耗，通常都是采用多级压缩。4.4气体压缩过程6多级压缩示意图1.汽缸5.中间冷凝器2.中间冷凝器4.汽缸油水分离器3油水分离器4.4气体压缩过程AHpIBGCFEDV二级压缩p-V图单级等温压缩：功为ABFHA所包围的面积单级绝热压缩：功为ABDHA所包围的面积二级绝热压缩：ABCGEHA所包围的面积

阴影部分面积：二级绝热压缩节省的功4.4气体压缩过程

设，某理想气体由p1压缩至pS+1(S级压缩)，总功耗为各级压缩功之和：各级进气温度相同，且为理想气体。故：因此上式写成：ws(R)绝对值最小的条件：它对中间各压力的一阶偏导数=0于是得:

(压缩比)4.4气体压缩过程所以最适宜的压缩比代入表示总功的式子，则：r相同，各级功耗也相同，ws(R)，1=ws(R)，2=……ws(R)，s4.气体压缩的实际功耗4.4气体压缩过程