化工热力学---第6章流动系统的热力学原理及应用

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1、第6章流动系统的热力学原理及应用主要内容热力学第一定律及在化工中的应用热功间的转换(热力学第二定律）化工过程有效能分析蒸汽动力循环制冷循环6.1热力学第一定律6.1.1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。通常能量可分为两大类：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，而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。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

2、程中，能量的数量是守恒的。对于任意体系有体系能量的积累=输入能量-输出能量热力学第一定律---能量转化和守恒原理此处约定：体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。物料流入和流出的能量包括:1.动能,记为Ek2.势能(在重力场中则为位能),记为EP3.物料的内能,U因此此外规定所有流入体系能量为正,流出能量为负6.1.2封闭体系的能量平衡方程在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为对于孤立体系，由于不存在功和热的交换，故6.1.3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的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。稳态流

3、动系统的能量平衡关系式为：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1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。g为重力加速度。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，接受环境所给予的功，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

4、容为V1，压力为P1，则推动力为P1A1，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这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环境)，即对环境作－P2V2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。对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和稳态流动系统的能量平衡关系可写为将焓的定义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

5、一项的单位为J·kg-1。动能和位能的单位流动功包含在焓中轴功⊿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。可逆条件下的轴功对于稳定流动体系,以单位质量流体计,有对于可逆变化,则若忽略动能和位能变化,则积分封闭体系的热力学基本关系对稳态流动体系也是适用的可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于理想气体等温过程左式只适用于理想气体等温过程对于气体怎么办？可逆条件下的轴功体积功可逆轴功可逆体积功与可轴功的比较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，

6、而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。喷嘴扩压管喷嘴与扩压管是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否流体通过焓值的改变来换取动能的调整透平机和压缩机透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功透平机和压缩机是否存在轴功?是!是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略流体通过焓值的改变对外作功,或消耗功而升高焓值节流阀ThrottlingValve理想气体通过节流阀温度不变节流阀是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是

7、否变化?否动能是否变化?通常可以忽略混合设备混合两种或多种流体是很常见。混合器混合设备是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?通常不变或可忽略动能是否变化?通常可忽略混合设备132混合器Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。当不止一个输入物流或（和）输出物流时分别为第i流入股和第j股流出物流的质量流量。为总质量流量。换热设备若整个换热设备的热损失可以忽略不计，换热设备的能量平衡方程