第五章 化工过程的能量分析
1 第五章 化工过程的能量分析
5.1能量平衡方程 ·5.2功热间的转化 0 5.3熵函数 ·5.4理想功、损失功及热力学效率 5.5有效能和无效能 5.6有效能衡算及有效能效率 5.7化红过程与系统的有效能分析
2 ▪ 5.1 能量平衡方程 ▪ 5.2 功热间的转化 ▪ 5.3 熵函数 ▪ 5.4 理想功、损失功及热力学效率 ▪ 5.5 有效能和无效能 ▪ 5.6 有效能衡算及有效能效率 ▪ 5.7 化工过程与系统的有效能分析
5. 1能量平衡方程 5.1.1 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，它们就不是状态函 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
3 5.1 能量平衡方程 ▪ 5.1.1 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，它们就不是状态函 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
·体系与环境间由于温差而传递的能量称为热Q ·在除温差之外的其他推动力影响下，体系与环境间传递的能量 称为功W。 ◆ 体系在过程前后的能量变化△E应与体系在该过程中传递的热 Q与功W之代数和相等。 ·如E1、E2分别代表体系始、终态的总能量，则 △E=E2-E1=Q+W 这就是热力学第一定律的数学表达式
4 ▪ 体系与环境间由于温差而传递的能量称为热Q ▪ 在除温差之外的其他推动力影响下，体系与环境间传递的能量 称为功W。 ▪ 体系在过程前后的能量变化△E 应与体系在该过程中传递的热 Q与功W之代数和相等。 ▪ 如E1、E2分别代表体系始、终态的总能量，则 ▪ △E=E2-E1=Q+W ▪ 这就是热力学第一定律的数学表达式
在实际生产中大都遇到两种体系，即敞开体系和封闭 体系。 1.封闭体系： (限定质量体系) 与环境仅有能量交换，没有质量交换。体系内部 是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象。 2.敞开体系： (限定容积体系) 与环境有能量交换，也有质量交换。 5
5 在实际生产中大都遇到两种体系，即敞开体系和封闭 体系。 1. 封闭体系： （限定质量体系） 与环境仅有能量交换，没有质量交换。体系内部 是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象。 2. 敞开体系： （限定容积体系） 与环境有能量交换，也有质量交换
5.1.2 能量平衡方程 ·1.一般形式 PIV C U δm1 d Ws Z P2 V2 C2 U2 d δm2 Z
6 5.1.2 能量平衡方程 ▪ 1.一般形式 Ws Q P1 V1 C1 U1 Z P2 V2 C2 U2 1 Z2 δm1 δm2
()物料平衡方程：根据上式：得到 δm1-δm2=dm体系 (2)能量平衡方程 进入体系的能量一离开体系的能量=体系积累的能量 进入体系的能量： 微元体本身具有的能量E,δm1 环境传入的热量δQ 环境对体系所作的轴功δWs
7 （1）物料平衡方程：根据上式：得到 m1 - m2 =dm体系 （2）能量平衡方程 进入体系的能量－离开体系的能量=体系积累的能量 进入体系的能量: 微元体本身具有的能量 E1 δm1 环境传入的热量 δQ 环境对体系所作的轴功δWs
离开体系的能量： 微元体带出能量E,δm2 体系积累的能量=d（mE) 能量恒等式为： E11-E2i2+0+6W、+P,V-P2',=d(mE)
8 离开体系的能量: 微元体带出能量E2 δm2 体系积累的能量＝ d（mE） 能量恒等式为： ( ) E1 m1 − E2 m2 +Q +WS +P1 V1 − P2 V2 = d mE
注意： 1)E一单位质量流体的总能量，它包含有热力学 能、动能和位能。 E=U+43 2 +g2 2)PV一流动功，表示单位质量流体对环境或环境对 流体所作的功 功=力*距离=P*A札=PV PV1一输入流动功，环境对体系作功 P2Y2一输出流动功，体系对环境作功
9 1 ) E－单位质量流体的总能量，它包含有热力学 能、动能和位能。 注意： gZ 2 E U 2 + = + 2) PV—流动功，表示单位质量流体对环境或环境对 流体所作的功 功＝力*距离＝P*A*L=PV P1 V1—输入流动功，环境对体系作功 P2 V2—输出流动功，体系对环境作功
3)Ws一单位流体通过机器时所作的轴功 可逆轴功 Vdp 对于可逆总功 WR=-PdW=-'?+P+W附 Ws=W+(E,-P)=-「PdW+(EY2-PY） d(PV)=PdV+VdP 积分式 dPn=P,-pg=∫PaW+∫a s=-∫Par+∫PaW+∫adP=∫dn 10
10 3)Ws—单位流体通过机器时所作的轴功 可逆轴功 = 2 1 P P WSR VdP 对于可逆总功 W PdV P V PV Ws V V R = − = − + + 2 2 1 1 2 1 ( ) ( ) Ws =WR + P2 V2 − P1 V1 = − PdV + P2 V2 − P1 V1 d(PV)=PdV+VdP d PV = P V − PV = PdV + VdP P V PV 2 2 1 1 2 2 1 1 积分式 ( ) ? Ws = − PdV + PdV + VdP = VdP