化工热力学：第五章 化工过程热力学分析
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第五章化工热力学课件
2、稳态流动
①连续 ②质量流率相等（无积累）③热力学性质不随时间变化
1 2 1 2 m(H1 u1 gz1 ) m(H 2 u2 gz2 ) WS Q 0 2 2 u 2 H gz Q Ws 积分、单位质量 2
微分流动过程
dH udu gdz Q Ws
H C p dT
373
813
27.89 4.27110 T dT
3
13386kJ / kmol Cp R S dT dP T P 373 27.89 1.013 3 4.27110 dT 8.314 ln 813 4.052 T 12.083kJ / kmol K
压缩机可以提高流体 的压力，但是要消耗功
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
透平机和压缩机
2
H
u
2
gz Q Ws
是!
通常可以忽略
Ws H
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化？
不变化或者可以忽略 通常可以忽略
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
节流阀 Throttling Valve
无流动功 单位流体
通常势能和动能无变化
d (mU) W Q dU W Q
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化工热力学
5.1 能量平衡方程
能量平衡方程的应用
1 2 1 2 d (mE) m1 (H1 u1 gz1 ) m2 (H 2 u2 gz2 ) WS Q 2 2
g为重力加速度。
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
①连续 ②质量流率相等（无积累）③热力学性质不随时间变化
1 2 1 2 m(H1 u1 gz1 ) m(H 2 u2 gz2 ) WS Q 0 2 2 u 2 H gz Q Ws 积分、单位质量 2
微分流动过程
dH udu gdz Q Ws
H C p dT
373
813
27.89 4.27110 T dT
3
13386kJ / kmol Cp R S dT dP T P 373 27.89 1.013 3 4.27110 dT 8.314 ln 813 4.052 T 12.083kJ / kmol K
压缩机可以提高流体 的压力，但是要消耗功
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透平机和压缩机
2
H
u
2
gz Q Ws
是!
通常可以忽略
Ws H
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变化? 动能是否变化？
不变化或者可以忽略 通常可以忽略
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无流动功 单位流体
通常势能和动能无变化
d (mU) W Q dU W Q
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5.1 能量平衡方程
能量平衡方程的应用
1 2 1 2 d (mE) m1 (H1 u1 gz1 ) m2 (H 2 u2 gz2 ) WS Q 2 2
g为重力加速度。
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
化工热力学第五章3
第三节
WS H12 H1 H 2 s WS R H12 H1 H 2
h1 h2 或 S h1 h2
s 值可由实验测定，其值通常为： s 0.6 ~ 0.8
WS R 可由图查出，则：
wS S wS R
用相律分析：
单相区：f = 2 两相区：f = 1
已知某物系在两相区的位置可由T—S图求出汽液相对量，
汽液混合物系的热力学性质可通过汽液性质及干度求出。
如： hm
hg x hl 1 x
Sm Sg x Sl 1 x
Vm Vg x Vl 1 x
化工热力学 a、等压过程： 单相态：
h 0
节流过程可在等焓线上表示出来：见下页
化工热力学
第五章
热力学第二定律及其应用
第三节
无相变：
P1
1(T1, P ) 1 H1 P2
P3
T
2(T2 , P2 )
节流过程:
Ssur 0
S
St Sg Ssys S 2 S1
节流过程是不可逆过程。
S1、S 2 可由图中读出
或
Ws S WS R
由上图看出不可逆绝热膨胀后 T2 T2 。此外，S2 S2
说明不可逆绝热过程有熵产生。
化工热力学
第五章
热力学第二定律及其应用 2/
第三节 P2 P1
压缩过程
T
2
1
s
WS R WS
h1 h2 h1 h2/
S
WS
WS R
S
化工热力学
第五章
热力学第二定律及其应用
化工热力学第五章 化工过程的能量分析(课堂PPT)
Z1
Ws
Q u2
P2,V2,Z2,u2
2 Z2
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2
§5.1.2稳定流动体系的热力学原理
根据能量守恒原理：
进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量
∵ 稳定流动体系无能量的积累
∴ E1 +Q = E2 -W （1）
• 体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws
和流动功Wf，即W = Ws + Wf
较少的过程。 – 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造
的方向。
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2
§5.1热力学第一定律与能量平衡方程
• §5.1.1 热力学第一定律 • §5.1.2 稳定流动体系的热力学原理 • §5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用
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2
§5.1.1热力学第一定律
2
8
§5.0 热力学基本概念复习
3、过程
➢指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换． ➢对某一过程的描写：初态+终态+路径.
▪ 不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留 下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕 迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程．
➢凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可 逆过程（自发过程）。
• 应用中的简化
1）流体通过压缩机、膨胀机
∵ u2≈0，g Z≈0 ∴ H=Q + Ws——稳流过程中最常用的公式 若绝热过程Q=0， Ws= H= H2-H1
高压高温蒸汽带动透平产生轴功。
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2
§5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用
合工大-化工热力学-第五章_化工过程的能量分析资料
dH udu gdZ Q WS （5-15）
式（5-13）与式（5-15）是稳定流动体系的能量 平衡方程。
第十一 次课结束2010
5.1.3
19
一些常见的属于稳流体系的装置
混合装置
Ws 喷嘴
透平机
扩压管
节流阀
Ws
压缩机
换热装置
化工生产中，绝大多数过程都属于稳流过程， 在应用能量方程式时尚可根据具体情况作进一步的
就热力学的观点，功和热是转移中的能量，
是不能贮存的，不转移时能量总是贮存在体系和环
境内。所以，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
(5-1)
式（5-1）就是热力学第一定律的数学表达式。 规定体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正 值，对环境做功为负值。
1 u 2 H 2
（5-22）
此式表明，气体在绝热不做轴功的稳定流动过程 中，动能的增加等于其焓值的减小。
例题5-1 5.1.3
5-2
32
可逆过程与不可逆过程
用热力学的方法研究体系发生状态变化时，在怎 样的条件下能作出最大功或者需要最小功，具有重 要意义。这里牵扯到一个热力学上的重要概念，可 逆过程与不可逆过程。
H
1 2
u 2
gZ
Q
Ws
（5-13）
此公式是由能量守恒定律推导出来的。而能量守恒是
自然界的客观规律。因而式(5-13)对可逆过程和实际过
程均适用。
5.1.3
18
使用时注意公式中各项单位必须一致。
如：
1 u 2 2
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第五章 化工过程的能量分析 ——有效能衡算及效率
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第五章 化工过程的能量分析 ——化工过程与系统分析
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第五章 化工过程的能量分析 ——有效能和无效能
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第五章 化工过程的能量分析 ——能量平衡方程
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第五章 化工过程的能量分析 ——能量平衡方程
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第五章 化工过程的能量分析 ——能量平衡方程
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化工热力学第五章
2021/4/6
3
5.1 热力学第一定律—能量转化与守恒方程
5.1.1 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。
（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
(体系的 ) U 能 E 量 k Ep
(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
U E k EpQ W
式( 5 – 4 )即为热力学第一定律的基本式。
2021/4/6
(5-4)
7
5.1.3 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
能 Ep mgZ
( 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。
2021/4/6
5
(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 )。
化工热力学第五章ppt
yi P xi Pi
yi P xi s Pi
s
i 1,2, , N
x
i i i
yi P 1 s Pi
1 P s yi / Pi
i
计算步骤
① 由Antoine方程求 Pi s
②
1 P s yi / Pi
i
③
yi P xi s Pi
3 等压泡点计算
已知P 与{ xi }，求T与 { yi }。
s 3
1 P 74.27kPa yi 0.50 0.30 0.20 P s 144.77 70.34 34.88 i i
y1 P 0.5 74.27 x1 s 0.2565 P 144.77 1 y2 P 0.30 74.27 x2 s 0.3166 P2 70.34 y3 P 0.20 74.27 x3 s 0.4269 P3 34.88
否
调整T
例题 丙酮（1），乙腈（2）和硝基甲烷（3）体系 可按完全理想系处理，各组分的饱和蒸汽压方程
2940.46 ln P 14.5463 t 237.22
s 1
2945.47 ln P 14.2724 t 224.00
s 2
2972.64 ln P 14.2043 t 209.00
对于这种体系，用一般精馏法 是不能将此分离开的，必须要 采用特殊分离法。 0 x1,y1 1
P
等温
最低压力负偏差体系
最小压力（最高温度） 共沸点x=y, γi<1
共沸点
0
T
x1,y1 等压
1
0
x1,y1
1
液相为部分互溶体系
5.3.2中、低压下泡点和露点计算 等温泡点计算 已知体系温度T与液相组成xi，求泡点 压力P与汽相组成 yi 。 等压泡点计算 已知体系压力P与液相组成xi，求泡点 温度T与汽相组成 yi 。 等温露点计算 已知体系温度T与汽相组成yi，求露点 压力P与液相组成 xi 。 等压露点计算 已知体系压力P与汽相组成yi，求露点 温度T与液相组成 xi 。
化工热力学：第五章 化工过程热力学分析
热机均从高温热源吸收无限小的热量δQh，恒温向低温冷源放
出无限小的热量δQl
Qh Ql 0
Th Tl
沿热力学循环过程作循环积分为：
Q
T
0
可逆循环等于0 不可逆循环小于0
热力学第二定律的本质与熵的概念
凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可 逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性。
一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进 行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量 度。
5.3.2 熵与熵增原理
1、熵S的定义
dS
(
Q
T
)可逆
( 1)
dS
(Q
T
)可 逆ACB
(Q
T
)可 逆ADB
P
任意可逆过程的热温商的值 决定于始终状态，而与可逆 途径无关，这个热温商具有 状态函数的性质。
F (不可逆)
D (可逆)
A B
C(可逆)
V
5.2.2 熵与熵增原理
2、不可逆过程的熵变
与体系密切相关、有相互 作用或影响所能及的部分称为 环境。
热力学基本概念复习2：体系的分类
根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：
（1）敞开体系 体系与环境之间既有物 质交换，又有能量交换
（2）封闭体系 体系与环境之间无物
质交换，但有能量交换。
热力学基本概念复习2：体系的分类
（3）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故
x H1 Hl 2736.5 844.9 0.9709 Hg Hl 2792.2 844.9
例题
例2：功率为2.0 kw的泵将95oC水从贮水罐泵压到换热
器，水流量为3.5kg/s，在换热器中以698kJ/s的速率将
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5.1.3稳流体系热力学第一定律
根据能量守恒原理： 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量 ∵ 稳定流动体系无能量的积累
∴ E1 ＋Q＋W = E2 E2－E1 ＝Q＋W
(U2-U1)+(u22-u22)/2+g(Z2-Z1)=Q＋W ΔU＋Δu2/2＋gΔZ＝Q＋W （5-5）
5.1.3稳流体系热力学第一定律
5.1.2 封闭体系热力学第一定律
封闭体系只有能量交 换，无物质交换，故 与物质交换有关的动 能和势能变化为零
ΔU＋ΔEk +ΔEp＝Q＋W
ΔU＝Q＋W
5.1.3稳流体系热力学第一定律
稳定流动 敞开体系 稳定、连续、流进、流
出，不随时间变化，没 有能量和物料的积累。 化工过程中最常用
不能用ΔU＝Ｑ+Ｗ来表达!!!
5.1.3稳流体系热力学第一定律
以1Kg为基准!!! Q为体系吸收的热量 W为体系与环境交换
的功。
截面1的能量E1 E1 = U1 + gZ1+ u12/2
截面2的能量E2 E2 = U2 + gZ2+ u22/2
A1
u1
1
P1,V1,Z1,u1
Z1
Ws
Q
A2
u2
P2,V2,Z2,u2
2 Z2
Vdp udu gdz Ws,rev 稳流过程的可逆轴功
两边积分，并令V＝1/ρ，当与环境无轴功交换时：
p u2 gz 0
2
柏努利方程
其中： Ws,rev Vdp
Ws,rev
p2 Vdp
p1
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
稳流过程的可逆轴功计算公式：
Vdp udu gdz Ws,rev
体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws 和 流动功Wf，即W = Ws + Wf
Wf为流体进入或离开设备时与前后流体所交换的功 流体进入界面1时受到后面流体的推动，故所获得的
流动功为：Wf1=(p1A1)(V1/A1)＝p1V1 流体出界面2时需推动前面的流体，故向外做功，此
时的流动功： Wf2= -(p2A2)(V2/A2)＝ -p2V2 其中：Wf= Wf1 + Wf2 = p1V1 -p2V2 所以 W = Ws+ p1V1 -p2V2 = Ws－ Δ(pV) (a) 将(a)式代入（5－5）可得式
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
H gZ u2 2 Q Ws
2）流体通过换热器、管道、混合器
∵ Ws=0，u2=0，g Z=0 ∴ H=Q ——用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程
➢ 如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交
换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓
差。
化学反应
相变化
Q
体系状态变化，如 温度变化
∴ H= Q + WS =Q + W- Wf= Q + W+ P1V1 -P2V2 又∵ H=U+ PV
∴ U=Q + W
流动功Wf= P1V1 -P2V2
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
6)对于没有摩擦的流体流动，可视为可逆过程
dH TdS Vdp Qrev TdS
代入：dH udu gdz Q Ws
H
反应热 相变热 显热
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
H gZ u2 2 Q Ws
3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨 胀或绝热闪蒸过程。
∵ Ws=0，u2=0，g Z=0 ，Q=0 ∴ H=0
➢ 冷冻过程是节流过程，焓未变但温度降低
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
H gZ u2 2 Q Ws
与体系密切相关、有相互 作用或影响所能及的部分称为 环境。
热力学基本概念复习2：体系的分类
根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：
（1）敞开体系 体系与环境之间既有物 质交换，又有能量交换
（2）封闭体系 体系与环境之间无物
质交换，但有能量交换。
热力学基本概念复习2：体系的分类
（3）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故
5.1.3稳流体系热力学第一定律
U
u 2 2
gz
Q Ws
( pV )
稳定流动体系的热力学第一定理：
H gz u2 2 Q Ws （5 6）
焓变
位能变
动能变
化
化
微分形式为： dH udu gdz Q Ws
(5-6)式的计算单位建议用 J/kg；即以1Kg为基准!!!
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴 扩压管
透平机
混合装置
节流阀
压缩机
换热装置
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
H gZ u2 2 Q Ws 应用中的简化
1）流体通过压缩机、膨胀机
∵ u2≈0，g Z≈0 ∴ H=Q += H2-H1
高压高温蒸汽带动透平产生轴功。
第五章 化工过程热力学分析
本章内容
5.1 热力学第一定律 5.2 热力学第二定律 5.3 理想功、损失功及热力学效率 5.4 有效能 5.5 化工过程热力学分析
热力学基本概念复习1: 体系与环境
体系（System） 在科学研究时必须先确定
研究对象，把一部分物质与其 余分开，这种分离可以是实际 的，也可以是想象的。这种被 划定的研究对象称为体系，亦 称为物系或系统。 环境（surroundings）
4）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速） 例：火箭、化工生产中的喷射器。
∵ Q=0，g Z=0 ， Ws=0 ∴ H= -u2/2 ； u2>> u1
u2 2(H1 H2 )
5.1.3 稳流体系热力学第一定律
H gZ u2 2 Q Ws
5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第 一定律
∵ u2=0，g Z=0
若流体流进出运转设备的动能和位能的变化可以 忽略时：
Ws,rev Vdp
Ws,rev
p2 Vdp
p1
热力学第一定律应用注意事项
1、注意区别：
又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环 境一起作为孤立体系来考虑。
§5.1.1热力学第一定律
热力学第一定律（能量守恒与转化定律）的数学表 达式：
Δ(环境的能量)＝-（Ｑ+Ｗ） Δ(体系的能量)＝ΔU＋ΔEk +ΔEp
Δ(环境的能量)+ Δ(体系的能量)=0
ΔU＋ΔEk +ΔEp＝Q＋W
其中：Q体系吸热为正，放热为负;W体系得功为正，做功为负