文档介绍：第5章化工过程能量分析
本章内容
热力学第一定律——能量平衡方程
热力学第二定律
理想功、损失功与热力学效率
有效能
化工过程能量分析及合理用能
本章我们将运用热力学第一、第二定律,提出并应用理想功、损失功、有效能等概念,对化工过程中能量的转换、传递、使用进行分析,使我们能够应用这些方法,评价各种过程,各种装置能量利用的程度,确定其能量利用的效率,揭示出能量损失的位置、损失的原因,为分析、改进工艺过程或设备,提高能量利用率指明正确的方向。
热力学第一定律—能量转化与守恒方程
能量的分类
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)内能内能又叫热力学能,以 U 表示。它是系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外全部能量的总和,在确定的温度、压力下系统的内能应当是系统内各部分内能之和,即具有加和性。内能 U 由三部分构成。
分子内动能分子不是静止的,在任一时刻都在做着平动、转动和振动,而分子是具有质量(m)的,因此,分子具有平动、转动和振动带来的分子内动能。
分子内势能分子间具有相互作用力,同时分子间存在着相互间的距离,有力有距离,这样就出现了分子内势能。
分子内部的能量分子由原子构成,原子由原子核和核外高速运转的电子构成,它们会带给分子一定的分子内部的能量。
( 2 ) 动能这里的动能是指物系整体具有的动能,以E k 表示,如果物质具有质量 m,并且以速度 u 运动,那么,物系就具有动能
( 3 ) 重力势能这里的势能是指物系整体具有的重力势能,以E p 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
( 4 ) 热由于温差而引起的能量传递叫做热,以 Q 表示。作为能量的交换量,必然会涉及到传递方向的问题。即 Q 不仅有绝对数值,而且需要正负号来表示能量的传递方向。在化工热力学中,规定物系得到热时 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 之外的能量传递均叫做功,以 W 表示。与热 Q 一样,功 W 也是物系发生状态变化时与环境交换的能量,只是 W 是另一种形式。于是,在化工热力学中对于功 W 也做了正负号的规定。物系得到功作用,记为正值;而物系向环境做功,记为负值( 在一些著作中,对于功的正负号的规定有不同的表述,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。
在物理化学课程中已经介绍过,孤立系统即为物系和环境的总和。对于某具体的过程而言,根据热力学第一定律的描述,可以写出
(体系的能量) + (环境的能量) = 0
(5-1)
假设体系和环境之间没有物质的交换,对于这样的体系,通过体系与环境之间边界的所有能量均以热和功的形式传递。这样,环境总能量的变化必然等于体系的热和功的流入流出量的负数。假如体系的热传递量为Q,功传递量为W,那么环境的能量变化必然等于- (Q + W),即
(环境的能量)= - ( Q+W )
(5-2)
同时,式( 5 – 1 )中的第一项可以写成储存能的变换,即
(5-3)
式中,△E k 是动能的变化;△E p 是重力势能的变化。将式( 5 – 2 ) 和式( 5 – 3 ) 代入式( 5 – 1 ),则
(5-4)
式( 5 – 4 )即为热力学第一定律的基本式。
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,当式( 5 – 4 ) 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
(5-5)
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,考虑这些流动的特点,许多情况下,有如下两个特点:
( 1 ) 体系内任一点的热力学性质都不随时间变化,体系没有能量的积累;
( 2 ) 进入和离开体系的物料的质量流率在任何时刻都完全相等,体系没有物质的积累。
这种流动通常被称为稳定(态)流动,简称稳流,该体系称为稳流体系。针对稳流体系的特点,需要将热力学第一定律的基本式( 5 – 4 )具体化,以便于应用到稳流系统中。
如图( 5-1 ) 所示,流体流经管路、换热器、