文档介绍：第6章化工过程能量分析
第六章化工过程能量分析
化工热力学还是一门有关能量的科学,由于真实过程的不可逆性,造成了能量在再分配的过程中
不可避免的品位降低,有部分的能量损耗。通过热力学的能量分析,可以确定具体过程中能量损失的
具体部位和损耗原因,帮助优化能源的利用,提高效率。
本章目的
本章重点阐述过程能量分析评价的理论和方法,旨在从热力学的角度探讨化工过程的能量分析和
合理利用。
本章内容
1 热力学第一定律??能量转化与守恒方程;
2 热力学第二定律;
3 熵增、熵产生与熵平衡;
4 理想功、损失功与热力学效率;
5 有效能的定义及计算
热力学第一定律??能量转化与守恒方程
热力学第一定律是有关能量转化和守恒的方程。能量包括内能 U 、动能 E 势能、重力 E 、热 Q
k p
和功 W 。
能量的种类
能量是物质固有的特性,一切物质或多或少都带有一定种类和数量的能。在热力学第一定律中,
所涉及到的能量通常有以下几种:
1 内能
以 U 包括分子内动能、全部能量的总和。它是系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外, 表示。
分子内势能和分子内部的能量。
2 动能
1
2
以 E 表示。如果物质具有质量 m ,并且以速度 u ,物系就具有动能运动,那么 E mu 。
k
k
2
3 重力势能
以 E 表示。如果物质具有质量 m,并且与势能基准面的垂直距离为 z , 那么,物系就具有势能
p
E mgz 。
p4 热
以由于温差而引起的能量传递叫做热, Q 必然会涉及到传递方向的问做为能量的交换量, 表示。
即题。 Q 规定物系得到在化工热力学中, 而且需要正负号来表示能量的传递方向。不仅有绝对数值,
热时 Q 为正值,相反的,物系向环境放热时 Q 为负值。
5 功
除了热 Q 以之外的能量传递均叫做功, W 与热。表示 Q 功一样, W 是物系发生状态变化时与也
环境交换的能量,只是 W 形式。于是,在化工热力学中对于功是另一种 W 也做了正负号的规定。物
记为负值。而物系向环境做功, 记为正值; 系得到功作用, 对于功的正负号的规定(在另一些著作中,
有不同的表述,查阅时需要注意)
热力学第一定律?能量守恒的基本式
热力学第一定律指出孤立系统无论经历何种变化,其能量守恒。也就是说,孤立系统中各种能量
的形式可以相互转化,但能量不会凭空产生,也不会自行消灭,能量在各种形式之间进行转化时,总
的能量数值保持不变。即:U + ?E + ?E Q +W 6-1
k p
式( 6-1 为热力学第一定律的基本式。)即
封闭系统的热力学第一定律
封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质交换的系统。根据此定义可知,在式( 6-1 )
中,当应用于封闭系统时,没有物质交换表示与物质交换相关的动能和势能的变化项为零,于是封闭
系统的热力学第一定律可表示为U Q +W 6-2
稳流系统的热力学第一定律及其应用
化工生产中,大多数的工艺流程都是流体流动通过各种设备和管线,即对于设备来讲,物流有进
有出,因此,并不能视为封闭体系的模型加以处理。考察这些流动的特点,许多情况下,有如下两个
特点:
1 设备内各点的状态不随时间变化
2 垂直于流向的各个截面处的质量流率相等
这种流动通常被称为稳定流动,简称稳流,该体系成为稳流系统。针对稳流系统的特点,需要将热力
学第一定律的基本式( 6-1 以便于应用到稳流系统中。)具体化,2如图 6-1 示,流体流经管路、换热器、透平等化工设备,做稳流流动。这是一个简化的但很具所
截面有普遍性的化工工艺流程的缩影。 1 和 2 分别是
垂直于流向的流体进出口截面,在这两个截面之间的
流体是热力学第一定律考察的体系,周围是环境。
假设有单位质量的流体流经截面 1 和 2 , 即 m1 ;
在截面 1 处,单位质量流体流入管路,其状态如下:
流体的压力为 p , 温度 T , 单位质量流体的体积为 V ,
1 1 1
平均流速为 u 能 U 流体重心距离势能零点平面,
1 1
的高度 z 截面面积为, A 在截面, 同样的; 2 相处,
1 1
应的参数为 p 、 T 、 V 、 u 、 U 、 z 、 A 学针对热力。
2 2 2 2 2 2 2 图 6-1 稳流系统示意图
( 第一定律的基本式 6-1 可以用相关的中的每一项, )
量表示。
内能的变化:U U ?U
2 16-3
动能的变化为:
1 1
2 2 2
?E uu ?u
k 2 1
2 26-4
重力势能