【正文】 1 第五章 化工過程的能量分析 2 本章應(yīng)用熱力學(xué)的第一定律和第二定律，應(yīng)用理想功、損失功、火用和火無等概念對化工過程中能量的轉(zhuǎn)換、傳遞與使用進(jìn)行熱力學(xué)分析，評價(jià)過程或裝置能量利用的有效程度，確定其能量利用的總效率，揭示出能量損失的薄弱環(huán)節(jié)與原因，為分析、改進(jìn)工藝與設(shè)備，提高能量利用率指明方向。 3 能量平衡方程 ? 一 ． 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì) 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)就是能量在數(shù)量上是守恒的 基本形式為： Δ （ 體系的能量 ） ＋ Δ （ 環(huán)境的能量 ） ＝ 0 或 Δ （ 體系的能量 ） ＝－ Δ （ 環(huán)境的能量 ） 體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。 4 在實(shí)際生產(chǎn)中大都遇到兩種體系 ， 即封閉體系和敞開體系 。 1. 封閉體系： （ 限定質(zhì)量體系 ） 與環(huán)境僅有能量交換 ， 沒有質(zhì)量交換 。體系內(nèi)部是固定的 。 封閉體系是以固定的物質(zhì)為研究對象 。 2. 敞開體系： （ 限定容積體系 ） 與環(huán)境有能量交換，也有質(zhì)量交換。 5 二 .能量平衡方程 ? Ws Q δ m2 δ m1 P1 V1 u1 U1 P2 V2 u2 U2 Z1 Z2 6 （ 1）物料平衡方程：根據(jù)上式：得到 ?m1 ? m2=dm體系 （ 2）能量平衡方程 進(jìn)入體系的能量－離開體系的能量 =體系積累的能量 進(jìn)入體系的能量 : 微元體本身具有的能量 E1δm1 環(huán)境傳入的熱量 δ Q 體系與環(huán)境交換的功 δ W 7 離開體系的能量 : 微元體帶出能量 E2δm2 體系積累的能量＝ 能量恒等式為： (53) )(2211 mEdmEWQmE ???? ????)(mEd2211)( mEmEWQmEd ???? ????(54) 8 注意： 1) 是體系與環(huán)境交換的功 ， 它包括與環(huán)境交換的軸功 和流動(dòng)功 。 流動(dòng)功 是流體進(jìn)入體系時(shí) ，環(huán)境對流體所作的流動(dòng)功 與流體離開體系時(shí)流體對環(huán)境所作的流動(dòng)功 之差 ， 即 W?SW? fW? fW?)( 111 mVP ?)( 222 mVP ?222111 mVPmVPWWWW Sfs ?????? ?????(55) 將式 (55)代入式（ 54），得 2211222111)( mEmEmVPmVPWQmEd s ?????? ??????(56) 9 2 ) E－ 單位質(zhì)量流體的總能量，它包含有熱力學(xué)能、動(dòng)能和位能。 gZuUE ??? 222. 能量平衡方程一般形式 代入（ 56） 式，整理，得到 H=U+PV gZuUE ???22將 (57) ??? 11211 )2( mgZuH ? WsQmgZuH ??? ????22222 )2()(mEd?10 三 .能量平衡方程的應(yīng)用 ? ：無質(zhì)量交換，限定質(zhì)量體系 δm1=δm2=0 ?? δQ+δWs=d(mE) 封閉體系 不存在流動(dòng)功 0)2( 2 ?ud ? ? 0?gZdδWs=δW δQ+δWs=mdU 于是有 δQ+δW=mdU， 對單位質(zhì)量的體系有 du =δQ+δW 積分： Q+W=ΔU (511) 又 md Umd EmEd ??)(? ?11 穩(wěn)定流動(dòng)過程，表現(xiàn)在流動(dòng)過程中體系內(nèi) (1)每點(diǎn)狀態(tài)不隨時(shí)間變化 (2)沒有質(zhì)量和能量的積累 由式 (59)可得到穩(wěn)流體系的一般能量平衡方程 12 (1)一般能量平衡方程 對穩(wěn)流體系 ,由式 (59)得： ??? 11211 )2( mgZuH ? 0)2( 22222 ????? WsQmgZuH ???δm1=δm2=δm ? (H2H1) δm+ (u22u12) δm+g(Z2Z1) δmδWsδQ=0 ?21積分： WsQZguH ??????? 221（ 5－ 13） 13 3） 式 （ 513） 應(yīng)用條件是穩(wěn)流體系 ， 不受過程是否可逆以及流體性質(zhì)的影響 。 注意： 1)單位要一致，且用 SI單位制 . H,Q,Ws— 能量單位， J/Kg u— m/s 流量 G— Kg/h（ ） 2） 式中 Q和 Ws為代數(shù)值，即： Q以體系吸收為正， Ws 以環(huán)境對體系作功為正。 14 （ 2）能量平衡方程的應(yīng)用 ? 1） 對化工機(jī)器：如膨脹機(jī) ， 壓縮機(jī)等 。 ? 流體的動(dòng)能 ， 位能變化量與體系焓值的變化量相比較 ， 或者與流體與環(huán)境交換的熱和功相比較 ， 大都可以忽略 。 也即 ? 根據(jù) （ 5－ 16） WsQH ???021 2 ?? u 0?? ZgWsQZguH ??????? 22115 2） 對化工設(shè)備類：如反應(yīng)器 ， 熱交換器 ， 閥門 ， 管道等 ? 0?? Zg021 2 ??u? QH ??且 Ws=0 （ 5— 17） ?這個(gè)式子的物理意義表現(xiàn)在：體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相變化，溫度變化時(shí)，與環(huán)境交換的熱量（反應(yīng)熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓變。 體系狀態(tài)變化，如 化學(xué)反應(yīng) 相變化 溫度變化 反應(yīng)熱 相變熱 顯熱 Q H?16 3)對化工機(jī)器的絕熱過程 當(dāng)體系在絕熱情況下 ， 與環(huán)境進(jìn)行功的交換時(shí) ， ? 0?? Zg?021 2 ??uQ=0 HWs ??此式說明了在絕熱情況下，當(dāng)動(dòng)能和位能的變化相對很小時(shí)，體系與環(huán)境交換的功量等于體系的焓變 。 WsQZguH ??????? 221根據(jù) 17 4)對噴嘴，如噴射器是通過改變流體截面以使流體的動(dòng)能與內(nèi)能發(fā)生變化的一種裝置 ? 對于這種裝置 ， Ws=0， gΔZ≈0 水平放 gΔZ=0 垂直放 gΔZ≈0 流體通過噴嘴速度很快來不及換熱，可視為絕熱過程， Q=0 ? 221 uH ???? )(21 2221 uuH ???????? 2122 2 uHu 2121 )(2 uHH ??根據(jù) WsQZguH ??????? 22118 ? ［陳顧版教材 P108 例 51～ 52］自看 19 功熱間的轉(zhuǎn)換 （熱力學(xué)第二定律） ? 物化知： ?St≥0 不可逆 =可逆 一 .基本概念 才可進(jìn)行的過程 自發(fā)過程：不消耗功 非自發(fā)過程：消耗功 0℃ 30℃ 冰 冬天 東北氣溫 30℃ 自發(fā) ,具有產(chǎn)功能力 如 夏天 鄭州氣溫 30℃ 30℃ 非自發(fā) 水 水 冰 20 ? 可逆過程： ? 沒有摩擦 ， 推動(dòng)力無限小 , 過程進(jìn)行無限慢 。 ? 體系內(nèi)部均勻一致 ， 處于熱力學(xué)平衡 。 ? 對產(chǎn)功的可逆過程 ， 其產(chǎn)功最大 ， 對耗功的可逆過程 ， 其耗功最小 。 ? 逆向進(jìn)行時(shí) ， 體系恢復(fù)始態(tài) ， 環(huán)境不留下任何痕跡 。 ? （即沒有功熱得失及狀態(tài)變化） ? 不可逆過程： ? 有摩擦，過程進(jìn)行有一定速度 。 ? 體系內(nèi)部不均勻（有擾動(dòng)，渦流等現(xiàn)象） 。 ? 逆向進(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡 。 ? 如果與相同始終態(tài)的可逆過程相比較，產(chǎn)功小于可逆過程，耗功大于可逆過程。 21 自發(fā)、非自發(fā)和可逆、非可逆之間的區(qū)別？ ? 自發(fā)與非自發(fā)過程決定物系的始、終態(tài)與環(huán)境狀態(tài)； ? 可逆與非可逆過程是（考慮）過程完成的方式，與狀態(tài)沒有關(guān)系。 22 可逆過程 是一個(gè) 理想過程 ， 實(shí)際過程 都是 不可逆 的。 可逆過程具有過程的進(jìn)行的任一瞬間體系都處于熱力學(xué)平衡態(tài)的特征，因此， 體系的狀態(tài)可以用狀態(tài)參數(shù)來描述。 ?? T