第6章 第1讲 能量平衡方程

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1、第6章主要内容(1)热力学第一定律——能量转化与守恒方程(2)热力学第二定律(3)熵增、熵产生与熵平衡(4)理想功、损失功与热力学效率(5)有效能的定义及计算第6章化工过程的能量分析化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品位降低提高能量利用率、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程中进一步讨

2、论两大定律对流动过程的应用一、能量的种类(1)内能U。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、分子内势能和分子内部的能量。(2)动能Ek。如果物质具有质量m，并且以速度u运动，物系就具有动能。(3)重力势能Ep。如果物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就具有势能。(4)热Q。由于温差而引起的能量传递。Q需要正负号来表示能量传递方向。在化工热力学中，规定物系得到热时Q为正值，相反的，物系向环境放热时Q为负值。一、能量的种类（5）功W。除热Q之外的能量传递。与热Q一样，功W也是物系发生状态变化时与环境交换的能量，只是W是另一

3、种形式。在化工热力学中对于功W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。二、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转化时，总的能量数值保持不变。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三、能量平衡方程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。能量可分为两大

4、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数。另一类是过程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，而与过程有关。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，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。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，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，即能量转化和守恒原理。体系在过程前后的能量变化ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。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）(1)设备内各点

5、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Q；而交换的功W除了轴功Ws之外，还有另外一种功—流动功Wf。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：四、稳流系统的热力学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∴四、稳流系统的热力学

6、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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用(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）能力四、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

7、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。6.1.2能量平衡方程换热器透平机QIIIQP1,Z1,V1u1,δm1P2,Z2,V2u2,δm2Wsm,E6.1.2能量平衡方程对任一体系，有如下衡算：进入体系的量-离开体系的量=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物料平衡方程：能量平衡方程：6.1.2能量平衡方程流体从截面I通过设备流到截面II，在截面I处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准