化工过程的能量分析

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1、第五章化工过程的能量分析Applicationsofthermodynamicstoflowprocesses5化工过程的能量分析本章目的：学习能量分析的原理和方法本章要求：1、正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式2、正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数学表达式，了解热功转换的方向和限度；5化工过程的能量分析本章要求：3、掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度；4、正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定义及其应用；5、正确理解并熟练应用火用、火用的衡算及其应用。5化工过程的能量分析化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、

2、合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。5化工过程的能量分析5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数5.3熵平衡和熵产生5.4理想功和损失功5.5火用及其计算5.6火用衡算及火用效率5.7火用分析法及其应用5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.1热力学第一定律的实质5.1.2能量平衡方程5.1.3能量平衡方程的应用5.1.1热力学第一定律的实质自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的，能量也是守

3、恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律5.1.1热力学第一定律的实质用数学式来表示就是Δ(体系的能量)+Δ(环境的能量）=0或Δ(体系的能量)=－Δ(环境的能量）5.1.1热力学第一定律的实质为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们简单回顾一下有关体系的概念封闭体系（限定质量体系）与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的5.1.1热力学第一定律的实质敞开体系与环境既有能量交换也有物质交换。由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物

4、质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的化工生产中大都为稳定流动体系5.1.1热力学第一定律的实质稳流过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同)，则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。化工生产中大都为稳定流动体系5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.1热力学第一定律的实质5.1.2能量平衡方程5.1.3能量平衡方程的应用5.1.2能量平衡方程物料平衡方程δm1-δm2=dm体系5.1.2能量平衡方程5.1.2能量平衡方程能量平衡方程进入体系的能量－离开体系的能量=

5、体系积累的能量进入体系的能量：微元体本身具有的能量E1δm1+环境对微元体所作的流动功(PVδm)1+环境传入的热量δQ5.1.2能量平衡方程离开体系的能量：微元体带出的能量E2δm2+流体对环境所作的流动功(PVδm)2+体系对环境所作的轴功δW体系积累的能量=d(mE)5.1.2能量平衡方程能量衡算式为注意：⑴E—单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能，E=U+EP+EK其中：单位质量流体势能EP=gZ（位能）EK=1/2u2（动能）E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)5.1.2能量平衡方程⑵PV—流

6、动功Wf，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功P1V1—输入流动功，环境对体系做功P2V2—输出流动功，体系对环境做功功＝力*距离＝P*A*V/A=PV5.1.2能量平衡方程(3)能量平衡方程的一般形式整理可得E1δm1+P1V1δm1+δQ+δWs-E2δm2-P2V2δm2=d(mE)5.1.2能量平衡方程又H=U+PV则上式可写为普遍化的能量平衡方程5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.2能量平衡方程在以上推导过程中没有任何条件限制，所以能量平衡方程式（5-9）不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。在实际过程中，能量平衡方程可以进行适

7、当简化，下面我们就具体讨论能量平衡方程的应用。5.1能量平衡方程---热力学第一定律5.1.1热力学第一定律的实质5.1.2能量平衡方程5.1.3能量平衡方程的应用5.1.3能量平衡方程的应用1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换m1=m2=mδm1=δm2=dm=0δQ+δWs=mdE5.1.3能量平衡方程的应用无动、位能变化mdE=mdU封闭体系Wf＝0,不存在流动功则δW＝δWs故mdU=δQ+δW对单位质量的流体U＝Q+W5.1.3能量平衡方程的应用2）稳定流动体系特点：体系内无质量和能量积累a．进出系统的物质质量流量相等。b．体系内任一点的热力

8、学状态不随时间变化5.1.3能量平衡方程的应用2）稳定流动体系即d