化工热力学：第五章 化工过程热力学分析
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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
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
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
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
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：
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
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）
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
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
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!!!
∴ 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
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
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
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
喷嘴 扩压管
Hale Waihona Puke Baidu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 + 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。
§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
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
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
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
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：
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
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）
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
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
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!!!
∴ 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
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
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
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
喷嘴 扩压管
Hale Waihona Puke Baidu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 + 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。