5化工过程的能量分析 ◆5.1能量平衡方程 ◆5.2热功间的转换 ◆5.3熵函数 ◆5.4理想功、损失功和热力学效率 ◆5.5有效能
5 化工过程的能量分析 ◆5.1 能量平衡方程 ◆ 5.2 热功间的转换 ◆ 5.3 熵函数 ◆ 5.4 理想功、损失功和热力学效率 ◆ 5.5 有效能
5.1能量平衡方程 5.1.1能量守恒与转换 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
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
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换△E应与体系在该过 程中传递的热量Q与功W相等。 ∠E=O+W 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
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换ΔE应与体系在该过 程中传递的热量Q与功W相等。 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。 E = Q +W
5.1.2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 40=2+w
5.1.2 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 U = Q +W
5.1.3稳恋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。 稳态流动系统的能量平衡关系式为: E2-E1=Q+
5.1.3 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。 稳态流动系统的能量平衡关系式为： E2 − E1 = Q+W
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 体系 2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U等。同样在截面2处流体 流出所具有的状况用下标2表示。 稳定流动过程 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 E1=U1++g1E2=U2+2+822 g为重力加速度
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。 1 2 1 1 1 2 1 E =U + u + gz 2 2 2 2 2 2 1 E =U + u + gz 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 与的功,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A,流体的比容为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V1A1推动单位质量流体进入系统所需要的功为 PA PV 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),即对环境作一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
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 与的功，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 1 1 1 1 1 1 PV A V P A = 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 W=W。+P1-Py2 稳态流动系统的能量平衡关系可写为 Un+2+ 2 2+821|=Q+W+P-PN2 AU+1(P)+ 2+84=Q+W 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
对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和 W =Ws + P1 V1 − P2 V2 稳态流动系统的能量平衡关系可写为 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 gz Q W PV PV u gz U u U = + s + − − + + + + ( ) Q Ws g z u U + PV + + = + 2 2 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: ∠H+ 281=Q+W 流动功包含在焓中 轴功 AH、4u2、g4z、Q和W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 使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制,每 项的单位为Jkgl。动能和位能的单位 gm N m J g
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，每一 项的单位为 J·kg-1。动能和位能的单位 Q Ws g z u H + + = + 2 2 k g J k g N m k g s k g m s m = = = 2 2 2 2 流动功包含在焓中 轴功 ⊿ H、⊿ u 2 /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 2aP对于液体,在积分时一般 R 2R对于气体怎么办? P对于理想气体等温过程 WR=RTIn/e 左式只适用与理想气体 等温过程
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。 对于气体怎么办？ 对于理想气体等温过程 RT V P = 2 1 ln R P W RT P = 左式只适用与理想气体 等温过程 2 1 P R P W VdP =