第6章 第1讲 能量平衡方程
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-17- 2019年9月4日星期三
6.1.2 能量平衡方程
I
P1,Z1,V1 u1,δm1
Q
换
m,E
热
器
透 平 机
Ws
P2,Z2,V2 u2,δm2
II
-18- 2019年9月4日星期三
6.1.2 能量平衡方程
对任一体系，有如下衡算： 进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量 由此可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式 物料平衡方程：
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
在截面1 处的流动功W1f 为： 截面2 处的流动功W2f 为：
-13- 2019年9月4日星期三
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。
-3-
2019年9月4日星期三
一、能量的种类
(1) 内能U。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。包括分子内动能、分子内势能和 分子内部的能量。
(2) 动能Ek。如果物质具有质量m，并且以速度u 运 动，物系就具有动能。
(3) 重力势能Ep。如果物质具有质量m，并且与势能基 准面的垂直距离为z，物系就具有势能。
-10- 2019年9月4日星期三
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
-11- 2019年9月4日星期三
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
内能的变化：
动能的变化为：
重力势能的变化为：
环境与单位质量的研究体系之间交换的热量为 Q；而交换的功W 除了轴功Ws 之外，还有另 外一种功—流动功Wf。
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-5-
2019年9月4日星期三
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。
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2019年9月4日星期三
二、热力学第一定律
封闭系统的热力学第一定律
第6章 主要内容
(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Leabharlann Baidu定义及计算
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2019年9月4日星期三
第6章 化工过程的能量分析
化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品 位降低
提高能量利用率、合理地使用能量
(4) 热Q。由于温差而引起的能量传递。Q 需要正负号来 表示能量传递方向。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。
-4-
2019年9月4日星期三
一、能量的种类
（5）功W。除热Q 之外的能量传递。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。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 为正值；而物系向环境做功为负值。
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。
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2019年9月4日星期三
三、能量守恒与转换
结论：换热器热负荷可由焓变来确定
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
(2) 流体流经泵、压缩机、透平等设备 在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相
比较，可以忽略 。 若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做 功的数值相比可忽略不计 。
结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
(3) 流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴 流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，
Q=0；设备没有轴传动结构，Ws=0；流体进出口高 度变化不大，重力势能的改变可以忽略
结论：流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的 截面积，将流体自身的焓转变为了动能。
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
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2019年9月4日星期三
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
H =U +pV
∴
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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
这些设备中没有轴传动的结构，Ws=0；另外，考虑动能 项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项 可以忽略，因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：
用热力学的观点、方法来指导能量合理使用
化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定
律和热力学第二定律
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2019年9月4日星期三
第6章 化工过程的能量分析
物化利用热力学两大定律可以计算过程的热和 功，判断过程的方向和限度
物化介绍两大定律在封闭系统中的应用，在实 际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体 系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课 程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用
能量的形式不同，但是可以相互转化或传递， 在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓 的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守 恒原理。
体系在过程前后的能量变化ΔE应与体系在该过 程中传递的热量Q与功W相等。
E Q W
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
稳定流动，简称稳流（稳流系统 ） (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
dm体系 m1 m2
能量平衡方程：
dE体系 Q W
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6.1.2 能量平衡方程
流体从截面I通过设备流到截面II，在截面I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II处流体流出 所具有的状况用下标2表示。
6.1.2 能量平衡方程
I
P1,Z1,V1 u1,δm1
Q
换
m,E
热
器
透 平 机
Ws
P2,Z2,V2 u2,δm2
II
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6.1.2 能量平衡方程
对任一体系，有如下衡算： 进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量 由此可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式 物料平衡方程：
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
在截面1 处的流动功W1f 为： 截面2 处的流动功W2f 为：
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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。
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一、能量的种类
(1) 内能U。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。包括分子内动能、分子内势能和 分子内部的能量。
(2) 动能Ek。如果物质具有质量m，并且以速度u 运 动，物系就具有动能。
(3) 重力势能Ep。如果物质具有质量m，并且与势能基 准面的垂直距离为z，物系就具有势能。
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
-11- 2019年9月4日星期三
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
内能的变化：
动能的变化为：
重力势能的变化为：
环境与单位质量的研究体系之间交换的热量为 Q；而交换的功W 除了轴功Ws 之外，还有另 外一种功—流动功Wf。
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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。
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二、热力学第一定律
封闭系统的热力学第一定律
第6章 主要内容
(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Leabharlann Baidu定义及计算
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第6章 化工过程的能量分析
化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品 位降低
提高能量利用率、合理地使用能量
(4) 热Q。由于温差而引起的能量传递。Q 需要正负号来 表示能量传递方向。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。
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一、能量的种类
（5）功W。除热Q 之外的能量传递。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。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 为正值；而物系向环境做功为负值。
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。
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三、能量守恒与转换
结论：换热器热负荷可由焓变来确定
-15- 2019年9月4日星期三
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
(2) 流体流经泵、压缩机、透平等设备 在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相
比较，可以忽略 。 若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做 功的数值相比可忽略不计 。
结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力
-16- 2019年9月4日星期三
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
(3) 流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴 流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，
Q=0；设备没有轴传动结构，Ws=0；流体进出口高 度变化不大，重力势能的改变可以忽略
结论：流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的 截面积，将流体自身的焓转变为了动能。
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
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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
H =U +pV
∴
-14- 2019年9月4日星期三
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
这些设备中没有轴传动的结构，Ws=0；另外，考虑动能 项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项 可以忽略，因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：
用热力学的观点、方法来指导能量合理使用
化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定
律和热力学第二定律
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第6章 化工过程的能量分析
物化利用热力学两大定律可以计算过程的热和 功，判断过程的方向和限度
物化介绍两大定律在封闭系统中的应用，在实 际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体 系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课 程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用
能量的形式不同，但是可以相互转化或传递， 在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓 的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守 恒原理。
体系在过程前后的能量变化ΔE应与体系在该过 程中传递的热量Q与功W相等。
E Q W
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2019年9月4日星期三
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
稳定流动，简称稳流（稳流系统 ） (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
dm体系 m1 m2
能量平衡方程：
dE体系 Q W
-19- 2019年9月4日星期三
6.1.2 能量平衡方程
流体从截面I通过设备流到截面II，在截面I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II处流体流出 所具有的状况用下标2表示。