化工过程的能量分析PPT
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5 化工过程能量分析
Chapter 5 化工过程能量分析
Energy Analysis for Chemical Engineering Process
体系的分类：
封闭体系(closed system)：与环境没有物质交换。 体系 敞开体系(open system)：与环境有质量交换。 简单体系（simple system)：体系内部没有任何绝热 (adiabatic)、刚性(rigid)、不渗透(impermeable)的界 面(boundary)，而且不受外部和内部力场的作用。 复杂体系(composite system)：体系由两个或两个以 上的简单体系构成，如半渗透膜海水淡化体系；或 者体系处于外部或内部力场中，如磁场、电场等。 简单体系是最常见的一种体系。对于简单体系，体系的 能量等于其内能，即 E = U。
W s [( pV )m W ]
d ( mU ) dt
W s [(U 1 u2 gz )m Q ] [( pV )m ] 2
W s [(U pV 1 u2 gz )m Q ] 2
因为 H = U + pV，得到
d ( mU ) dt
2 W s [( H 1 u gz ) m ] Q 2
3rd Step: 分析热力学第一定律中的各个项 In this problem, the heat rate is zero because a power outage occurs and heat losses from the tank are negligible. The work rate is also zero since there is no mechanical equipment in the process. The mass in the tank and the mass flowrate are constant. Moreover, if the differences between inlet and outlet kinetic and potential energies can be neglected, the equation of 1st law is simplified as the following form: dU m m ( H H1 ) 0 dt where U and H refer to the internal energy and enthalpy of the water in the tank; H1 is the enthalpy of the cold water entering the tank.
Energy Analysis for Chemical Engineering Process
体系的分类：
封闭体系(closed system)：与环境没有物质交换。 体系 敞开体系(open system)：与环境有质量交换。 简单体系（simple system)：体系内部没有任何绝热 (adiabatic)、刚性(rigid)、不渗透(impermeable)的界 面(boundary)，而且不受外部和内部力场的作用。 复杂体系(composite system)：体系由两个或两个以 上的简单体系构成，如半渗透膜海水淡化体系；或 者体系处于外部或内部力场中，如磁场、电场等。 简单体系是最常见的一种体系。对于简单体系，体系的 能量等于其内能，即 E = U。
W s [( pV )m W ]
d ( mU ) dt
W s [(U 1 u2 gz )m Q ] [( pV )m ] 2
W s [(U pV 1 u2 gz )m Q ] 2
因为 H = U + pV，得到
d ( mU ) dt
2 W s [( H 1 u gz ) m ] Q 2
3rd Step: 分析热力学第一定律中的各个项 In this problem, the heat rate is zero because a power outage occurs and heat losses from the tank are negligible. The work rate is also zero since there is no mechanical equipment in the process. The mass in the tank and the mass flowrate are constant. Moreover, if the differences between inlet and outlet kinetic and potential energies can be neglected, the equation of 1st law is simplified as the following form: dU m m ( H H1 ) 0 dt where U and H refer to the internal energy and enthalpy of the water in the tank; H1 is the enthalpy of the cold water entering the tank.
化工热力学课件化工专业本科阶段-(8)
解 W idHT0S
W L W s W idT 0S Q
T产生功
Ws Wid
Ws 0.85 WR
HQWs
可逆绝热过程 S1 S2
HWR
25
查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa， 484℃ 时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg, S1=7.5035kJ/(kg·K)
若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀 至0.0687MPa时,熵为 S´2=S1=7.5035kJ/(kg·K) 查过热水 蒸汽表
交换，例如传热过程也是可逆的
3
流动过程理想功的计算式
对于稳流过程，热一律表达式为：
H12C2gZQWS
忽略动，势能变化
HQWS
若可逆
QT0S
W id HT 0 S (7-41)
稳流过程理想功
4
注意点：
➢不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：
W id HT 0 S1 2 C 2g Z
➢体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其 理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度， 而与实际变化途径无关。
11
解：100kPa压力下水的沸点约为100℃，有水蒸气
表查得
H1=2676.1kJ/kg， S1=7.3549kJ/（kg·K） 在环境温度（T0=t0＋273.15=293.15K）下， 100kPa压力下水的焓和熵为
H0=83.96kJ/kg， 所以加给水的热量为
S0=0.2966 kJ/（kg·K）
➢要区别可逆轴功与理想功这两个概念．WidWSRWc
对绝热过程
WC 0
Wid WSR
对不做轴功的过程 WSR 0
Wid Wc
【课件】第6章第1讲能量平衡方程PPT
三、能量平衡方程
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。 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，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。
二、热力学第一定律
孤立系统热力学第一定律 孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。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。
二、热力学第一定律
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。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
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游 流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但 是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。
H =U +pV
∴
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
讨论： (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备
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
1 2
u12
gz1
E2
U2
1 2
u22
gz2
6.1.2 能量平衡方程
系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一
化工热力学参考ppt
1799年，英国化学家 Humphry Davy (17781829)通过冰的摩擦实验研究功转换为热。
1824 年 ， 法 国 陆 军 工 程 师
Nicholas Léonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的 论文。
他通过对自己构想的理想热机 的分析得出结论：热机必须在两个 热源之间工作，理想热机的效率只 取决与两个热源的温度，工作在两 Carnot 个一定热源之间的所有热机，其效 (1796 - 1832) 率都超不过可逆热机，热机在理想 状态下也不可能达到百分之百。这 就是卡诺定理。
结合起来，奠定了化学热力学
的重要基础。
热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这 些定律为基础进行演绎、逻辑推理而得到的热力学 关系与结论,显然具有高度的普遍性、可靠性与实用 性,可以应用于机械工程、化学、化工等各个领域,由 此形成了化学热力学、工程热力学、化工热力学等 重要的分支。化学热力学主要讨论热化学、相平衡 和化学平衡理论。工程热力学主要研究热能动力装 置中工作介质的基本热力学性质、各种装置的工作 过程以及提高能量转化效率的途径。化工热力学是 以化学热力学和工程热力学为基础，结合化工实际 过程逐步形成的学科。
1.3 热力学的研究方法
宏观
经典热力学
微观
统计热力学
经典热力学只研究宏观量（温度、压力、密度 等）间的关系。
但是宏观性质与分子有关 ；温度与分子行的可行性分析和能量的有效利用； (2) 相平衡和化学反应平衡问题； (3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学的基本关系式包括热力学第 一定律、热力学第二定律、相平衡关系和化 学反应平衡关系。具体应用中的难点包括：
1 简化普遍的热力学关系式以解决实际 的复杂问题；
1824 年 ， 法 国 陆 军 工 程 师
Nicholas Léonard Sadi Carnot 发表了 “ 关于火的动力研究” 的 论文。
他通过对自己构想的理想热机 的分析得出结论：热机必须在两个 热源之间工作，理想热机的效率只 取决与两个热源的温度，工作在两 Carnot 个一定热源之间的所有热机，其效 (1796 - 1832) 率都超不过可逆热机，热机在理想 状态下也不可能达到百分之百。这 就是卡诺定理。
结合起来，奠定了化学热力学
的重要基础。
热力学基本定律反映了自然界的客观规律,以这 些定律为基础进行演绎、逻辑推理而得到的热力学 关系与结论,显然具有高度的普遍性、可靠性与实用 性,可以应用于机械工程、化学、化工等各个领域,由 此形成了化学热力学、工程热力学、化工热力学等 重要的分支。化学热力学主要讨论热化学、相平衡 和化学平衡理论。工程热力学主要研究热能动力装 置中工作介质的基本热力学性质、各种装置的工作 过程以及提高能量转化效率的途径。化工热力学是 以化学热力学和工程热力学为基础，结合化工实际 过程逐步形成的学科。
1.3 热力学的研究方法
宏观
经典热力学
微观
统计热力学
经典热力学只研究宏观量（温度、压力、密度 等）间的关系。
但是宏观性质与分子有关 ；温度与分子行的可行性分析和能量的有效利用； (2) 相平衡和化学反应平衡问题； (3) 测量、推算与关联热力学性质。
化工热力学的基本关系式包括热力学第 一定律、热力学第二定律、相平衡关系和化 学反应平衡关系。具体应用中的难点包括：
1 简化普遍的热力学关系式以解决实际 的复杂问题；
化工热力学化工过程能量分析
H 0 = C pT0
U 终＝CV T
∴
CV T = C pT0
Cp CV T0
故 T=
能平式： 或
U终=H0
U终=H终－pV=H终-RT
H终－ H0 = RT
∴ H终－ RT =H0
Cp(T －T0) = RT
故
T= Cp Cp − R T0 = Cp CV
T0
2．一台压缩机在大气压力及21℃的情况下吸入 CO2 ，其流率为28m3/h，出口条件为7.82atm 及29℃。压缩机用水在夹套里冷却以除去热, 记下定量的水的温度升高而算得水除去的热 为 1890kcal/h ， 驱 动 压 缩 机 的 马 达 耗 电 2.8kW，试决定马达的效率。 (CP) CO2＝9.3 cal/mol.℃
3.解：选透平及其内容物为体系，即稳流体系， 忽略动、位能的变化，其能平式为
ΔH = Q + W s
查教材的表 H1=3152.6kJ/kg H2=2804.4kJ/kg H3=H4=2706.4kJ/kg
查水蒸气表，知： 34 atm，370oC 蒸汽的焓H1=753.1kcal/kg 物流2在13.6 atm，200oC 的焓H2=669.8kcal/kg 物流3为7atm的气液混合物，其焓等于节流后物流4 的焓。 以节流阀为体系，则
∴ W s = ΔH − Q = 86.38 − ( −1890) ∴ 马达效率
= 1976.38 kcal/h = 2.298 kW
2.298 η= = 82% 2.8
3．质量流率为450kg/h的高压水蒸气在起始条件为 34atm和370℃的情况下进入透平膨胀机而对外作 功。两股排出蒸汽如图所示。物流2的条件为 13.6atm和200℃，流率为入口蒸汽的1/3，物流3已 知为7atm的饱和汽液混合物，物流3的一小部分经 过一个节流阀膨胀至1atm，膨胀后的温度为115℃。 如果压缩机得到的功率为34.647×103kcal/h，试计 算透平的热损失。
化工过程的能量分析
能量集成与管理(热交换网络)
热交换网络的提出 一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。 在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。
二、基本概念及热交换系统表示方法
换热网络的名词 热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。 冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目 标温度的流股。
在流程内建立热交换网络的根本目的：
减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。
热容流率的可行性原则
窄点处传热的温差最小为 △Tm,离开窄点处的传热温差应大于等于△Tm，即△T>△Tmin 因此，每个窄点匹配的流股热容流率应满足 窄点以上 CP热 < CP冷 窄点以下 CP热 > CP冷 同样上两式，可以合并成为一式，即窄点同一侧应满足 CP出 > CP入
3理想功、损失功和热力学效率
理想功是指系统在一定的环境下，沿着完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小有用功。 开系稳流过程的理想功计算式： Wid = ΔH - T0ΔS 损失功是由于过程的不可逆是系统产生熵而引起的作功能力的损失，不可逆过程的损失功计算式： WL = T0 ( ΔSsys + ΔSsur ) = T0ΔSt = T0ΔSg 损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。
总流股数可行性原则 窄点以上流股数应满足 N热 < N 冷 窄点以上流股数应满足 N热 > N 冷 式中 N热 ------- 热流股数 N冷 ------- 冷流股数 根据前面的热交换网络的表示法，对于窄点来说，窄点以上热流股是流入的，冷流股是流出的。同样，窄点以下热流股是流出的，冷流股是流入的。所以上式可以合并用一个式子来表示，即在窄点的同一侧流股数必须满足： N流出 > N流入
热交换网络的提出 一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。 在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。
二、基本概念及热交换系统表示方法
换热网络的名词 热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。 冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目 标温度的流股。
在流程内建立热交换网络的根本目的：
减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。
热容流率的可行性原则
窄点处传热的温差最小为 △Tm,离开窄点处的传热温差应大于等于△Tm，即△T>△Tmin 因此，每个窄点匹配的流股热容流率应满足 窄点以上 CP热 < CP冷 窄点以下 CP热 > CP冷 同样上两式，可以合并成为一式，即窄点同一侧应满足 CP出 > CP入
3理想功、损失功和热力学效率
理想功是指系统在一定的环境下，沿着完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小有用功。 开系稳流过程的理想功计算式： Wid = ΔH - T0ΔS 损失功是由于过程的不可逆是系统产生熵而引起的作功能力的损失，不可逆过程的损失功计算式： WL = T0 ( ΔSsys + ΔSsur ) = T0ΔSt = T0ΔSg 损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。
总流股数可行性原则 窄点以上流股数应满足 N热 < N 冷 窄点以上流股数应满足 N热 > N 冷 式中 N热 ------- 热流股数 N冷 ------- 冷流股数 根据前面的热交换网络的表示法，对于窄点来说，窄点以上热流股是流入的，冷流股是流出的。同样，窄点以下热流股是流出的，冷流股是流入的。所以上式可以合并用一个式子来表示，即在窄点的同一侧流股数必须满足： N流出 > N流入
第6章-化工过程能量分析
第6章 化工过程能量分析重点难点：能量平衡方程、熵平衡方程及应用，理想功和损失功的计算，有效能的概念及计算，典型化工单元过程的有效能损失。
1) 能量平衡方程、熵平衡方程及应用(1) 能量平衡方程及其应用根据热力学第一定律：体系总能量的变化率＝能量进入体系的速率-能量离开体系的速率可得普遍化的能量平衡方程：t V p W Q gZ u H m gZ u U m t kk k k d d 22d d s 12sy st 2-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑= 式中左边项代表体系能量的变化，右边项第一项表示质量流带入、带出的能量，后三项表示体系与环境热和功的交换量。
注意：式中H 为单位质量的焓，u 2/2为单位质量的动能，gZ 为单位质量的位能，内能、动能和位能(g =9.81m/s 2)之和为单位质量流体的总能量E ：gZ u U E E U E p k ++=++=221 符号规定：进入体系的质量流率m k 为正，体系吸热Q 为正，环境对体系做功W 为正(体系得功为正)。
上式适用于任何过程，不受过程是否可逆或流体性质的影响。
要对一个过程进行能量分析或能量衡算，应该根据过程的特点，正确分析能量平衡方程式中的各个项，化简能平式，关键是要会分析题意特点，能平式中各项的含义要明白。
① 对封闭体系：忽略动、位能的变化，则能平式变为W Q U δδd +=积分，可得 W Q U +=Δ此即为封闭体系热力学第一定律的数学表达式。
② 稳态流动体系(简称稳流体系)稳态流动过程是指物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等，体系中任一点的热力学性质都不随时间变化，体系没有物质和能量的积累。
因此，稳流体系的特点：体系中任一点的热力学性质都不随时间而变；体系没有物质及能量的积累。
对一个敞开体系，以过程的设备为体系，即为稳流体系。
其能平式可化为 02s 12=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑=W Q gZ u H m k kk k 把上式中第一项进、出分开，即得：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q m gZ u H m gZ u H 单位质量的稳流体系的能量方程式：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q gZ u H gZ u H s 2ΔΔ21ΔW Q Z g u H +=++ 式中∆H 。
第五章化工过程的能量分析
第五章 化工过程的能量分析
1
本章主要内容： 本章主要内容：
运用热力学第一定律、第二定律、理想功、 运用热力学第一定律、第二定律、理想功、损 失功和有效能等概念对化工过程中涉及到的能量问 题进行系统地热力学分析， 题进行系统地热力学分析，旨在提高化工过程中的 能量利用率
2
5.1 能量平衡方程
1、能量平衡
能量守恒原理： 能量守恒原理：
进入体系能量=离开体系能量+ 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累能量
δWs
1
δm1
2
δm 2
( Eδ m )1 + δQ = ( Eδm )2 − δW+d ( mE )体系 u1
δW=δWs + ( pVδm )1 − ( pVδm )2
u2
z1
dx1
1 2
( pVδm )
s
=Q
=0
摩擦损失
=Vdp+udu+gdZ+δF
蒸汽喷射泵或喷嘴中的喷射： 蒸汽喷射泵或喷嘴中的喷射： 1 ∆u 2 = −∆H 2
4
5.2 功热间的转化
高温热源
热机能量方程： 热机能量方程： Q = -Q -W 1 2
Q 热机对环境做功或者放出热量， 2和W 都为负值
T1 Q1
热机
W
热机效率： 热机效率：
低温受热器（冷却水）的熵变为： 低温受热器（冷却水）的熵变为：∆S3 =
776.1 =2.841kJ/(kg ⋅ K) 273.15
总熵变： 总熵变： ∆S总 =∆S1 +∆S2 +∆S3 =-0.412kJ/(kg ⋅ K)
9
孤立体系中实际过程需
1
本章主要内容： 本章主要内容：
运用热力学第一定律、第二定律、理想功、 运用热力学第一定律、第二定律、理想功、损 失功和有效能等概念对化工过程中涉及到的能量问 题进行系统地热力学分析， 题进行系统地热力学分析，旨在提高化工过程中的 能量利用率
2
5.1 能量平衡方程
1、能量平衡
能量守恒原理： 能量守恒原理：
进入体系能量=离开体系能量+ 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累能量
δWs
1
δm1
2
δm 2
( Eδ m )1 + δQ = ( Eδm )2 − δW+d ( mE )体系 u1
δW=δWs + ( pVδm )1 − ( pVδm )2
u2
z1
dx1
1 2
( pVδm )
s
=Q
=0
摩擦损失
=Vdp+udu+gdZ+δF
蒸汽喷射泵或喷嘴中的喷射： 蒸汽喷射泵或喷嘴中的喷射： 1 ∆u 2 = −∆H 2
4
5.2 功热间的转化
高温热源
热机能量方程： 热机能量方程： Q = -Q -W 1 2
Q 热机对环境做功或者放出热量， 2和W 都为负值
T1 Q1
热机
W
热机效率： 热机效率：
低温受热器（冷却水）的熵变为： 低温受热器（冷却水）的熵变为：∆S3 =
776.1 =2.841kJ/(kg ⋅ K) 273.15
总熵变： 总熵变： ∆S总 =∆S1 +∆S2 +∆S3 =-0.412kJ/(kg ⋅ K)
9
孤立体系中实际过程需
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注意： ⑴E—单位质量流体的总能量，它包含有内能、 动能和位能，E=U+EP+EK 其中：单位质量流体势能 EP =gZ （位能） 单位质量量 流E 体 U E 具 KE =p1 /有 2E uK2U 的 （ 动g能能 z）1 2u2 17
5.1.2 能量平衡方程
⑵PV—流动功 Wf，表示单位质量流体对 环境或环境对流体所作的功
无动、位能变化
mdE=mdU
封闭体系 Wf ＝0,不存在流动功
则δW＝δWs
故 mdU=δQ+δW
对单位质量的流体 U＝Q+W
24
5.1.3能量平衡方程的应用
2）稳定流动体系
特点：体系内无质量和能量积累 a．进出系统的物质质量流量相等。 b．体系内任一点的热力学状态不随时间
变化
25
5.1.3能量平衡方程的应用
功＝力*距离＝P*A*V/A=PV
P1V1—输入流动功，环境对体系做功 P2V2—输出流动功，体系对环境做功
18
5.1.2 能量平衡方程
(3)能量平衡方程的一般形式
E1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)
整理可得
d(m)E 体系 QWS(pVUgZ1 2u2)1m1 ( pV U gZ1 2u2)2m2
8
5.1.1热力学第一定律的实质
为了便于下面能量平衡方程的讨论， 我们简单回顾一下有关体系的概念
封闭体系（限定质量体系） 与环境仅有能量交换，而无质量交 换，体系内部是固定的
9
5.1.1热力学第一定律的实质
敞开体系 与环境既有能量交换也有物质交换。
由于敞开体系与环境有物质交换，因此， 体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实 际是以一定空间范围为研究对象的
19
5.1.2 能量平衡方程
又 H=U+PV 则上式可写为
d(mE )体系 QWS (HgZ12u2)1m1 (H gZ 12u2)2m2
普遍化的能量平衡方程
20
5.1能量平衡方程---热力学第一定律
5.1.2 能量平衡方程 在以上推导过程中没有任何条件限制，
所以能量平衡方程式（5-9）不受流体属 性的限制，也不受其过程的限制。在实 际过程中，能量平衡方程可以进行适当 简化，下面我们就具体讨论能量平衡方 程的应用。
2）稳定流动体系
即 d（mE）体系 =0
δm1=δm2=δm
则：
( H g 1 2 Z u 2 ) 1m ( H g 1 2 Z u 2 ) 2m Q W S 0
26
5.1.3能量平衡方程的应用
稳定流动体系的能量衡算式（积分式）
H1 2u2gZQW S
27
5.1.3能量平衡方程的应用
应用此式时要注意以下几点： ⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工 程单位制，所得公式与此式不同； ⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸 热为正，WS以体系得功(环境对体系做功） 为正； ⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是 否可逆或流体性质的影响。
化工生产中大都为稳定流动体系
10
5.1.1热力学第一定律的实质
稳流过程 敞开体系中发生的过程为流动过程，如
果流动过程进行时，体系内任一点的状态都 不随时间而变（但各点状态可以不同)，则 此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。 化工生产中大都为稳定流动体系
11
5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程 5.1.3 能量plications of thermodynamics to flow processes
1
5 化工过程的能量分析
本章目的：学习能量分析的原理和方法 本章要求：
1、正确理解并熟练应用流动过程热力学第一 定律的数学表达式
2、正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数 学表达式，了解热功转换的方向和限度；
4
5 化工过程的能量分析
5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数 5.3熵平衡和熵产生 5.4理想功和损失功 5.5火用及其计算 5.6火用衡算及火用效率 5.7火用分析法及其应用
5
5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用
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5.1.1热力学第一定律的实质
自然界的物质是千变万化的，但就其 数量来说是不变的，能量也是守恒的， 热力学第一定律明确表明了自然界中 能量的多种形式之间是可以相互转换 的，但只能是等量相互转换，这就说 明能量既不能被消灭，也不能凭空产 生，必须遵循守恒规律
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5.1.1热力学第一定律的实质
用数学式来表示就是 Δ(体系的能量)+Δ(环境的能量）=0 或 Δ(体系的能量)=－Δ(环境的能量）
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5.1.2 能量平衡方程
物料平衡方程
δm1 -δm 2 = dm体系
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5.1.2 能量平衡方程
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5.1.2 能量平衡方程
能量平衡方程
进入体系的能量－离开体系的能量=体系 积累的能量
进入体系的能量：
微元体本身具有的能量 +环境对微元体所作的流动功 +环境传入的热量 δQ
E1δm1 (PVδm )1
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5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用
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5.1.3能量平衡方程的应用
1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换
m1=m2=m δm1=δm2=dm=0
δQ+δWs=mdE
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5.1.3能量平衡方程的应用
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5 化工过程的能量分析
本章要求： 3、掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实
际过程进行的方向和限度； 4、正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定
义及其应用； 5、正确理解并熟练应用火用、火用的衡算及其
应用。
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5 化工过程的能量分析
化工过程需要消耗大量能量， 提高能量利用率、合理地使用能量已成 为人们共同关心的问题。从最原始的意 义上来说，热力学是研究能量的科学， 用热力学的观点、方法来指导能量的合 理使用已成为现代热力学一大任务。
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5.1.2 能量平衡方程
离开体系的能量： 微元体带出的能量 E2δm2 +流体对环境所作的流动功 (PVδm) 2 +体系对环境所作的轴功 δW 体系积累的能量= d (mE )
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5.1.2 能量平衡方程
能量衡算式为
E1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)
5.1.2 能量平衡方程
⑵PV—流动功 Wf，表示单位质量流体对 环境或环境对流体所作的功
无动、位能变化
mdE=mdU
封闭体系 Wf ＝0,不存在流动功
则δW＝δWs
故 mdU=δQ+δW
对单位质量的流体 U＝Q+W
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5.1.3能量平衡方程的应用
2）稳定流动体系
特点：体系内无质量和能量积累 a．进出系统的物质质量流量相等。 b．体系内任一点的热力学状态不随时间
变化
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5.1.3能量平衡方程的应用
功＝力*距离＝P*A*V/A=PV
P1V1—输入流动功，环境对体系做功 P2V2—输出流动功，体系对环境做功
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5.1.2 能量平衡方程
(3)能量平衡方程的一般形式
E1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)
整理可得
d(m)E 体系 QWS(pVUgZ1 2u2)1m1 ( pV U gZ1 2u2)2m2
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5.1.1热力学第一定律的实质
为了便于下面能量平衡方程的讨论， 我们简单回顾一下有关体系的概念
封闭体系（限定质量体系） 与环境仅有能量交换，而无质量交 换，体系内部是固定的
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5.1.1热力学第一定律的实质
敞开体系 与环境既有能量交换也有物质交换。
由于敞开体系与环境有物质交换，因此， 体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实 际是以一定空间范围为研究对象的
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5.1.2 能量平衡方程
又 H=U+PV 则上式可写为
d(mE )体系 QWS (HgZ12u2)1m1 (H gZ 12u2)2m2
普遍化的能量平衡方程
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5.1能量平衡方程---热力学第一定律
5.1.2 能量平衡方程 在以上推导过程中没有任何条件限制，
所以能量平衡方程式（5-9）不受流体属 性的限制，也不受其过程的限制。在实 际过程中，能量平衡方程可以进行适当 简化，下面我们就具体讨论能量平衡方 程的应用。
2）稳定流动体系
即 d（mE）体系 =0
δm1=δm2=δm
则：
( H g 1 2 Z u 2 ) 1m ( H g 1 2 Z u 2 ) 2m Q W S 0
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5.1.3能量平衡方程的应用
稳定流动体系的能量衡算式（积分式）
H1 2u2gZQW S
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5.1.3能量平衡方程的应用
应用此式时要注意以下几点： ⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工 程单位制，所得公式与此式不同； ⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸 热为正，WS以体系得功(环境对体系做功） 为正； ⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是 否可逆或流体性质的影响。
化工生产中大都为稳定流动体系
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5.1.1热力学第一定律的实质
稳流过程 敞开体系中发生的过程为流动过程，如
果流动过程进行时，体系内任一点的状态都 不随时间而变（但各点状态可以不同)，则 此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。 化工生产中大都为稳定流动体系
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5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程 5.1.3 能量plications of thermodynamics to flow processes
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5 化工过程的能量分析
本章目的：学习能量分析的原理和方法 本章要求：
1、正确理解并熟练应用流动过程热力学第一 定律的数学表达式
2、正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数 学表达式，了解热功转换的方向和限度；
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5 化工过程的能量分析
5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.2热力学第二定律—热功转化与熵函数 5.3熵平衡和熵产生 5.4理想功和损失功 5.5火用及其计算 5.6火用衡算及火用效率 5.7火用分析法及其应用
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5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用
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5.1.1热力学第一定律的实质
自然界的物质是千变万化的，但就其 数量来说是不变的，能量也是守恒的， 热力学第一定律明确表明了自然界中 能量的多种形式之间是可以相互转换 的，但只能是等量相互转换，这就说 明能量既不能被消灭，也不能凭空产 生，必须遵循守恒规律
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5.1.1热力学第一定律的实质
用数学式来表示就是 Δ(体系的能量)+Δ(环境的能量）=0 或 Δ(体系的能量)=－Δ(环境的能量）
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5.1.2 能量平衡方程
物料平衡方程
δm1 -δm 2 = dm体系
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5.1.2 能量平衡方程
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5.1.2 能量平衡方程
能量平衡方程
进入体系的能量－离开体系的能量=体系 积累的能量
进入体系的能量：
微元体本身具有的能量 +环境对微元体所作的流动功 +环境传入的热量 δQ
E1δm1 (PVδm )1
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5.1能量平衡方程---热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用
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5.1.3能量平衡方程的应用
1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换
m1=m2=m δm1=δm2=dm=0
δQ+δWs=mdE
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5.1.3能量平衡方程的应用
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5 化工过程的能量分析
本章要求： 3、掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实
际过程进行的方向和限度； 4、正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定
义及其应用； 5、正确理解并熟练应用火用、火用的衡算及其
应用。
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5 化工过程的能量分析
化工过程需要消耗大量能量， 提高能量利用率、合理地使用能量已成 为人们共同关心的问题。从最原始的意 义上来说，热力学是研究能量的科学， 用热力学的观点、方法来指导能量的合 理使用已成为现代热力学一大任务。
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5.1.2 能量平衡方程
离开体系的能量： 微元体带出的能量 E2δm2 +流体对环境所作的流动功 (PVδm) 2 +体系对环境所作的轴功 δW 体系积累的能量= d (mE )
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5.1.2 能量平衡方程
能量衡算式为
E1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)