第五章化工热力学课件
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化工热力学第五章
比较泡点计算、露点计算和闪蒸计算可 知，在泡点时，液相组成等于总组成，汽 相分率等于0；在露点时，汽相组成等于总 组成，汽相分率等于1；闪蒸时，汽、液相 组与总组成均不相等，汽相分率在0和1之 间。
4 状态方程法（EOS法） 计算混合物的汽液平衡 状态方程法计算混合物汽液平衡的主要 步骤如下： (1) 选定的一个能适用于汽、液两相的状 态方程，并结合混合法则推导出组分逸 度系数 i 的表达式（能用于汽、液两相的 组分逸度的计算）；
l s Vi ( p pi ) l s s f i pi exp pi i RT
平衡关系是一个固定的三相点。
图5-4 二元部分互溶系统的等压相图
2 汽液平衡的准则和计算方法
1） 汽液平衡的准则
N元系统的汽液平衡准则可以表示如下：
fi fi
v
l
( i 1, 2, , N )
2）汽液平衡的计算方法 2.1） EOS法：
若汽、液相的组分逸度系数可以用一个 同时适合于汽、液两相的状态方程及其 混合法则来计算，这种方法称为状态方 程法，或简称EOS法。
j
组合：OB4 OB2 OB3 （是加权因子）
6 状态方程+活度系数法（EOS+法）
计算混合物的汽液平衡
EOS+法分别采用两个模型来分别计
算汽相和液相的组分逸度。若采用对称归
一化定义的活度系数，则平衡准则可以转
化为
yi i p f i x i i
l
v
(i 1, 2, , N )
l l
数），则汽液平衡准则为
fi fi
pห้องสมุดไป่ตู้i yi f i xi i
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
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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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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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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
化工热力学 第五章 相平衡
A）汽相为理想气体混合物，液相为理想溶液。 B）汽相和液相都是理想溶液。 C）汽相是理想气体混合物，而液相是非理想溶液。 D）两相都是非理想溶液。 5.2.1、相平衡的处理方法 状态方程法：用状态方程来解决相平衡中的逸度系数
ˆ iv yi P li xi P ˆ
活度系数法：液相的逸度用活度系数来计算
s s i i
5.3.2.2） 泡点温度和组成的计算（BUBLT）
已知：平衡压力P，液相组成xi，求 平衡温度T，汽相组成 yi 假设T，确定Pis 计算yi 否
y
i
1
是
园整
5.3.2.3 露点压力和组成计算（DEWP）
已知 平衡温度T，汽相组成yi ， 求平衡压力 P，液相组成xi 假设 P 计算Pis及xi
第5章
相 平 衡
在化工生产中，原料由于含有各种杂质，需要提纯进入反 应器；反应又常常是不完全的并伴有副产物，因而产物也是不 纯的，也需要进一步处理，才能得到产品。所有这些都离不开 分离操作，典型的分离操作有精馏（VLE）、吸收（GLE）、 萃取（LLE）、结晶（SLE）等，他们的投资常达整个工厂投 资的一半以上，对有些行业如石油和煤焦油加工等，甚至达到 80%--90%，这些分离都需要相平衡数据。 5.1 相平衡基础 5.1.1、相平衡的判据 何谓相平衡：
例：乙醇（1）----苯（2）溶液，含乙醇80%（mol%），求该溶液在 750mmHg时，的沸点及饱和蒸汽组成。已知乙醇---苯系统有一恒沸 混合物，此混合物含44.8%乙醇，在760mmHg时的沸点为68.24oC （忽略温度对活度系数的影响。 乙醇
苯
lg P1S 8.04494
1554 .3 222 .65 t
《化工热力学》课件
提高产品质量和产量
通过改进热力学过程，可以提高产品的质量和产量，提升企业竞争力。
03
02
01
历史回顾
化工热力学起源于工业革命时期，随着科技的发展和工业的进步，逐渐形成一门独立的学科。
发展趋势
随着环保意识的提高和能源需求的增加，化工热力学将更加注重节能减排、资源循环利用和可再生能源的开发利用。
未来展望
总结词：熵增加
详细描述：热力学第二定律指出，在封闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行，即系统总是向着更加混乱无序的状态发展。这个定律对于化工过程具有重要的指导意义，因为它揭示了能量转换和利用的限制，以及不可逆过程的本质。
绝对熵的概念
总结词
热力学第三定律涉及到绝对熵的概念，它指出在绝对零度时，完美晶体的熵为零。这个定律对于化工过程的影响在于，它提供了计算物质在绝对零度时的熵值的方法，这对于分析化学反应的方向和限度具有重要的意义。同时，它也揭示了熵的物理意义，即熵是系统无序度的量度。
总结词
化工过程的能量效率是衡量化工生产经济效益的重要指标，通过提高能量效率，可以降低生产成本并减少环境污染。
能量效率是评价化工过程经济性和环境影响的重要参数。它反映了化工过程中能量转化和利用的效率。提高能量效率意味着减少能源的浪费，降低生产成本，同时减少对环境的负面影响。为了提高能量效率，需要采用先进的工艺技术和设备，加强能源管理，优化操作条件。
《化工热力学》PPT课件
xx年xx月xx日
目 录
CATALOGUE
化工热力学概述热力学基本定律化工过程的能量分析化工过程的热力学分析化工热力学的应用实例
01
化工热力学概述
提高能源利用效率
通过优化化工过程的热力学参数，可以降低能耗，提高能源利用效率。
通过改进热力学过程，可以提高产品的质量和产量，提升企业竞争力。
03
02
01
历史回顾
化工热力学起源于工业革命时期，随着科技的发展和工业的进步，逐渐形成一门独立的学科。
发展趋势
随着环保意识的提高和能源需求的增加，化工热力学将更加注重节能减排、资源循环利用和可再生能源的开发利用。
未来展望
总结词：熵增加
详细描述：热力学第二定律指出，在封闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向进行，即系统总是向着更加混乱无序的状态发展。这个定律对于化工过程具有重要的指导意义，因为它揭示了能量转换和利用的限制，以及不可逆过程的本质。
绝对熵的概念
总结词
热力学第三定律涉及到绝对熵的概念，它指出在绝对零度时，完美晶体的熵为零。这个定律对于化工过程的影响在于，它提供了计算物质在绝对零度时的熵值的方法，这对于分析化学反应的方向和限度具有重要的意义。同时，它也揭示了熵的物理意义，即熵是系统无序度的量度。
总结词
化工过程的能量效率是衡量化工生产经济效益的重要指标，通过提高能量效率，可以降低生产成本并减少环境污染。
能量效率是评价化工过程经济性和环境影响的重要参数。它反映了化工过程中能量转化和利用的效率。提高能量效率意味着减少能源的浪费，降低生产成本，同时减少对环境的负面影响。为了提高能量效率，需要采用先进的工艺技术和设备，加强能源管理，优化操作条件。
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化工热力学概述热力学基本定律化工过程的能量分析化工过程的热力学分析化工热力学的应用实例
01
化工热力学概述
提高能源利用效率
通过优化化工过程的热力学参数，可以降低能耗，提高能源利用效率。
化工热力学 第五章
露点：当第一个液滴在一定压力下出现时的温度。
恒沸点: 达到平衡时汽液两相组成相等，即xi=yi。
沸程:
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第五章
相平衡热力学
二元组分汽液平衡关系，不是一条
线来描述的，而是用一个区域来描
述的，图中实线为泡点线MCm，虚线 为露点线NCm，不同的溶液组成，就 对应不同的汽液平衡关系，在整个 溶液范围内组成了一个上拱形的泡 K P
p2
液
C1 T C1
p
等压面
p1
等温面
K
0 汽
x1 , y1
TB1
1
T
U
图5-2二元汽-液平衡图
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化工热力学
第五章
相平衡热力学
T y1露点线
p=常数 A B C D E C” D” V
等x,y面线
T2
T
V/L B’ T’ C’ D’
等压面
T1
T x1泡点线 x1 y1 x1 , y1 0 1 图5-3(a) 二元气液平衡T-x-y图
化工热力学
第五章
相平衡热力学
第五章
第七章
相平衡
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相 平 衡 热 力 学
生化学院
化工热力学
第五章
相平衡热力学
目的和要求：
混合物相平衡理论是论述相平衡时系统T、p 和各 相组成以及其它热力学函数之间的关系与相互间的 推算。 相平衡是分离技术及分离设备开发、设计的理论 基础。
即在一定温度T，压力p下处于平衡状态的多相多组分 系统中，任一组分 i 在各相中的组分逸度必定相等。
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化工热力学：第五章 化工过程热力学分析
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：
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Wid H
u 2
2
gz T0 S
忽略动能和势能变化
Wid H T0 S
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化工热力学
5.4理想功、损失功和热力学效率
稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与 初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无 关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理 想功是相同的。理想功与轴功区别在于：理想功是 完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中 使用卡诺热机作可逆功。 通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程 的不可逆程度。
j j
T 0 ，只有单股流体，mi＝mj＝m, S 产生 mS j Si mS
Q
m S m S 入 出
Q
T
S 产生 0
可逆绝热过程
m S m S 入 出
i i j
j
单股流体 等熵过程
Si S j
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化工热力学
5.4理想功、损失功和热力学效率
理想功
系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生(或 消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以 完全可逆方式完成，理论上产生最大有用功或者消耗 最小功。因此理想功是一个理想的极限值,可作为实际 功的比较标准。所谓的完全可逆，指的是不仅系统内 的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能 量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大 气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。
H 2 2736.5kJ / kg
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5.1 能量平衡方程
例题 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa
和403.15K，求该湿蒸汽的干度。
H 2 H1 2736.5
1.5MPa 饱和液体焓值 饱和蒸汽焓值 Hl=844.9 Hg=2792.2
H1 H l 1 x H g x
化工热力学
混合设备
2
H
u
2
gz Q Ws
否
H 0
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变化?
通常可以忽略（绝热混合、普通混 合） 通常可以忽略
动能是否变化?
通常可以忽略
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5.1 能量平衡方程
H u 2
2 gz Q Ws
化工热力学
5.1 能量平衡方程
H u 2
2 gz Q Ws
稳态流动的具体实例简化
5、可压缩流体急速变速过程中，绝热、无外功。如蒸汽喷射泵， 高压蒸汽在汽轮机喷嘴中的喷射，由于气体的密度小，而管道 的高度变化不大（喷管、扩压管）
u 2 H 2
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H1 H l 2736.5 844.9 x 0.9709 H g H l 2792.2 844.9
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5.3 熵函数及熵平衡
以热力学第一定律为指导的能量守恒定律解决工程问题 十分重要，但是它只能从数量关系评价过程的能量利用率， 但是不能揭示过程不可逆性引起的能量损耗。
稳态流动的具体实例简化
1、压缩或膨胀设备中，位能与动能变化远小于焓变
H Q Ws
2、管道、阀门、换热器、混合器中，位能与动能变化很小、无功
H Q
3、节流膨胀、绝热反应、混合中，位能与动能变化很小、无功无热
H 0
4、机械能平衡方程
p
u 2 gz 0 2
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化工热力学
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴
透平机
混合装置
扩压管
换热装置
节流阀
压缩机
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化工热力学
喷嘴与扩压管
喷嘴与扩压管的结 构特点是进出口截面积 变化很大。流体通过时， 使压力沿着流动方向降 低，而使流速加快的部 件称为喷嘴。反之，使 流体流速减缓，压力升 高的部件称为扩压管。
Wid WR p0 V U T0 S p0 V Wid U T0 S p0 V
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5.4理想功、损失功和热力学效率
u 2
2
2、稳定流动系统
H
gz Q Ws
假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可 认为是一个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定 律,系统与环境之间的可逆传热量为 Qrev=T0ΔS
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W m ( PV1 P2V2 ) WS 1
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 ) 2 2 WS Q
1、封闭体系
d (mE) WS Q d (mU) WS Q
5.1 能量平衡方程
例题 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa
和403.15K，求该湿蒸汽的干度。
原理 湿蒸汽充分节流后，变为过热蒸汽，测得该过热蒸汽的 温度和压力后，得知焓值，从而求得湿蒸汽的干度。
T
℃
H kJ/kg 2716.6 H2 2796.2
120 130 160
130 120 H 2 2716.6 160 120 2796.2 2716.6
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
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。
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)。
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5.4理想功、损失功和热力学效率
U Q W
1、非流动系统
假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可 认为是一个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定 律,系统与环境之间的可逆传热量为 Qrev=T0ΔS
WR U T0 S
理想功=可利用的功与体系对抗大气压力所做的膨胀功
熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化
可逆过程 不可逆过程
S产生 0 S产生 0
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5.3 熵函数及熵平衡
Q
T S产生
入 出
S体系 mi Si m j S j
封闭体系 稳态流动体系 绝热稳流过程
S体系
i i
Q
T
S产生
理想功与可逆功等同吗？
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5.4理想功、损失功和热力学效率
例 5-6 计算非流动过程中1KmolN2从813K、4.052MPa 变到373K、 1.013MPa时可做的理想功。若为稳态流动过， 理想功又为多少？N2 的等压热容Cp=27.89+4.271× 103T kJ/(kmol· K), T0=293K 。 解
理想气体通过节流阀温度不变
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节流阀
2
H
u
2
gz Q Ws
否
通常可以忽略 否
H 0
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 位能是否变庄学院 化学化工系
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混合设备
混合两种或多种流体 是很常见。
混合器
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化工热力学
Chemical Engineering thermodynamics
丛兴顺
枣庄学院 2008.9
第五章 化工过程的能量分析
本章的知识点与重点
1、能量平衡方程及其应用 2、熵、熵平衡 3、理想功、损失功、热力学效率 4、有效能（ ）与能量的品味
5、系统的热力学分析、能量的有效利用
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前 言
本章重点介绍稳定流动过程及其热力学原理，其理 论基础就是热力学第一定律和第二定律，对化工过程的 能量转化、传递、使用和损失的情况进行分析，揭示能 量消失的薄弱环节及原因，为改进工艺过程，提高能量 的利用率指出方向和方法。
1、能量的品位（质量） 2、高级能量（机械能，电能，风能） 低级能量（热能，热力学内能、焓） 3、能量的贬质
熵增原理
dS
Q
T
等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。 孤立体系
dS 0
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
5.3 熵函数及熵平衡
出
S体系 mi Si m j S j
入
Q
T
Q
T
m S
i
i
m S
j
j
S产生
熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的墒变化
由于传递的热量可正，可负，可零，墒流也亦可正，可负，可零。
g为重力加速度。
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
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化工热力学
5.1 能量平衡方程
能量守恒方程
m进 E进 m出E出 m积累 E积累
m1E1 W Q m2 E2 mE