第02章 能量
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成信工动力气象学讲义02大气能量学
大气的运动需要外界提供能量，因此，从能量学的观点来揭示和了解大气环流运动的规律无疑有重要意义。
§1大气能量的主要形式§2铅直气柱中各种能量的比较§3能量方程与能量守恒§4大气中的能量转换事实§5大尺度大气运动的能量循环过程重点：大气中能量的主要形式，动能方程，能量转换事实与能量循环。
§1大气中能量的主要形式设E 表示单位质量空气的某种能量，则任意体积空气的能量E *＝(取质量积分)。
Ed τρτ⎰1基本（独立）形式1）内能：I=(2.1）v C T(2.1)’*v I C Td τρτ=⎰2）（重力）位能：（单位质量空气）（2.2）gz Φ=（2.3）*gzd τρτΦ=⎰3）动能：（2.4）()22221122K V u v w ==++ （2.5）2*12K V d τρτ=⎰ 以后的动能多指水平动能:(2.6）()2221122h h K V u v ==+4)潜热能：（q ：比湿，L ：相变潜热）（2.7）H L q=⋅5）压（力）能：（2.8）/ρ==J p RT2常见的组合形式1）全位能：(2.9）v P I C T gz=+Φ=+2）显热能（感热能，焓）：（2.10）v p h C T RT C T =+=3）温湿能（湿焓）：（2.11）h p E C T Lq=+4）静力能：(2.12）p E C T gz Lqσ=++干静力能：（2.13）d p E C T gz =+5）总能量：（2.14）221122t v p p E C T gz V Lq C T gz Lq V ρ=++++=+++干空气总能量：（2.15）212td p E C T gz V =++图2.1地球－大气系统的能量收支与平衡3有效位能(APE,Available Potential Energy)大气能量的诊断计算表明维持大气运动所需的动能来源为：太阳辐射能全位能有效（可用）位能动能→→→大气通过吸收太阳辐射而使其全位能增加，再由全位能转变成动能。
02第二章 热一律2-1热力学第一定律的实质及表达式
吸热膨胀作功（参看图2-3c） 吸热膨胀作功 外界供给热量 –Q 膨胀功 –W 热力学能 –U2
排气过程中（参看图2-3d） 排气过程中 外界消耗排气功 外界获得推动功 排气后（参看图2-3a） 排气后 质量 m = 0 总能量 E2 = 0
开口系在一个工作周期中的能量进出情况
Q=Q ∆E = 0
1 2 2 w = ( p2 v2 − p1v1 ) + (c2 − c1 ) + g ( z 2 − z1 ) + wsh 2
（2-16）
总功（Wtot ）、膨胀功（W ）、技术功（ W t ）和轴功 （W sh ）之间的区别和内在联系 膨胀功、技术功、轴功孰大孰小取决于 ( p 2 v2 − p1v1 ) 1 2 2 (c2 − c1 ) 、 g ( z 2 − z1 ) 的大小和正负。
二、热力学第一定律表达式
1、一般热力系能量方程
- 热力学第一定律基本表达式
热力系总能量(total stored energy of system)为E（图2-1a）。它是 热力学能（U）、宏观动能（EK）和重力位能（EP）的总和： 热力学能，内部储存能 热力学能，
E =U+Ek +Ep
宏观动能 总能 宏ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位能 外部储存能
e =u+ek +ep
根据质量守恒定律可知：热力系质量的变化等于流进和流出 质量的差：
dm = δm1 − δm2
根据热力学第一定律可知：
热力系输出的能量的总和= 加入热力系的能量的总和 - 热力系输出的能量的总和=热力系总能量的增量
（δQ + e1δm1） (δW总 + e2δm2 ) = ( E + dE ) − E −
热力学第02章 第一定律
推动工质移动所作的功；或因工
质在开口系统中流动而传递的功。
pAx pV mpv
推动功作用在质量m上。m被推入系统内，所以推动功随质量 m一起进入系统。 推动功的意义：工质m流入系统所带入的功(外界对系统作功)；
工质m流出系统所带出的功(系统对外界作功)。
2.推动功(flow work; flow energy)： p，v ⊿x 如果工质在传递推动功的时候没有热力状态的变化，当然也不 会有能量形态的变化。此时工质所起的作用只是单纯的运输能 量，就像传送带一样，把这部分推动功传递到其他地方。 p
热力学第一定律：
进入系统的能量 —
离开系统的能量 = 系统内部能量的增量
第一定律定第一表达式 第一定律定第二表达式
Q dU W
Q dH Wt
上节课内容回顾
第一定律第一解析式 —— 热 功的基本表达式
Q U W q u w
1）对于可逆过程
δQ dU δW δq du δw
第二章 热力学第一定律
the first law of thermodynamics
§2-1 热力学第一定律的实质
实质：能量传递和形态转化以及总量的守恒。（在工程
热力学的研究范围内，主要考虑的是热能和机械能之间的 相互转化和守恒的规律） 热力学第一定律是实践经验的总结。第一类永动机迄今都 不存在，而且由第一定律所得出的一切推论都和实际经验 相符，可以充分说明它的正确性。 第一类永动机（不消耗能量而作功）是不可能造出来的。
出口2 假如工质从状态1到状态2做膨胀功是w。那么在不考虑工质宏 观动能和位能变化时，开口系和外界交换的功量是膨胀功与流 动功的差值： 注：如需要考虑工质的动能和位能变化，还应该计算动能差 和位能差
02章-热力学第一定律(4)
绝热过程功的计算
理想气体绝热可逆过程方程式：
对于理想气体，无体积功的绝热可逆过程：
∵ Q dU W dU pdV
Q 0
dU pdV ∴
C p / CV
又因理想气体：
dU
C C p / CV V
dT
所以： CV dT pdV
CV dT
pdV
nRT
dV V
(1)
Cp - CV = nR，令 C p / C称V 为热容比
知识链接:火力发电厂的能量利用
锅炉
汽轮机
发电机
冷却塔
200℃
R
Th TC Th
(473 300)K 36% 473 K
I < 20%
1度电/1000g 煤
高煤耗、高污染（S、N氧化物、粉尘和热污染）
火力发电厂的能量利用
400℃ 550℃
Th TC 673 300 55%
Th
卡诺循环（Carnot cycle）
整个循环：
U 0
Q2 是体系所吸的热，为正值，
Q Q2 Q1 Q1 是体系放出的热，为负值。
W W1 W3 (W2和W4对消）
即ABCD曲线所围面积为 热机所作的功。
Carnot 循环
整个循环过程中，系统作的总功W 与系统从环境 净吸热Q 之间有如下关系：
绝热过程功的求算
（1）理想气体绝热可逆过程的功
W V2 pdV V1
=
K V2 V V1
dV
=
K
(1
)
(V21 1
1 V1 1
)
(pV K )
因为 所以
p1V1 p2V2 K
W
=
p2V2
第02章 自由能、化学势和溶液
∆ G1 =
液 101.325kPa 298K ∆G < 0 ③ ② 液 3.168kPa 298K
∫
p2 p1
V 气 dp =
∆G2 = 0
nRT p2 ∫p1 p dp = nRT ln p1 = – 8585 J
p2
过饱和水蒸气自发凝结成水 p ∆ G 3 = ∫ V 液 dp = V 液 ( p 2 − p1 ) = 1.8 J p
3
2.1 Gibbs自由能判据 自由能判据
根据熵判据 dS孤 = dS体 + dS环≥ 0 = dS体 –δQ体/T环≥0 根据热力学第一定律dU = δQ – pe dV + δW´ 根据热力学第一定律 δQ = dU + pe dV -δW´ dS孤 = dS体 –(dU + pe dV -δW´ )/T环≥0 T环dS孤 = T环dS体 – (dU + pe dV -δW´ ) ≥ 0
T
∆G = ∆H – T∆S
T
p2
② dG = –SdT + V dp
dG = V dp 2-23
nRT p2 i.g.， i.g.，p1 p dp = nRT ln p ∫ 1
∆G =
∫ p V dp
1
p2
定温可逆∆G = –5705 J < 0 例2-1 定温可逆 液、固体 V ( p2－p1 ) 2-25
1876年Gibbs在康乃狄格科学院院报上发表了题为 年 在康乃狄格科学院院报上发表了题为 论非均相物质之平衡》 著名论文（该文长达323 《论非均相物质之平衡》 著名论文（该文长达 页），化学热力学的基础也就奠定了。这篇论文首 ），化学热力学的基础也就奠定了。 化学热力学的基础也就奠定了 次提出了: 次提出了 自由能的概念。 自由能的概念。 （2） ） 化学平衡的各种基本原理。 化学平衡的各种基本原理。 （4） ） 阐明了相平衡原理 （3） ） 稀溶液定律 （2） ） 表面吸附的本质 （8） ） 伏打电池中支配能量变化的数学关系式 （6） ）
液 101.325kPa 298K ∆G < 0 ③ ② 液 3.168kPa 298K
∫
p2 p1
V 气 dp =
∆G2 = 0
nRT p2 ∫p1 p dp = nRT ln p1 = – 8585 J
p2
过饱和水蒸气自发凝结成水 p ∆ G 3 = ∫ V 液 dp = V 液 ( p 2 − p1 ) = 1.8 J p
3
2.1 Gibbs自由能判据 自由能判据
根据熵判据 dS孤 = dS体 + dS环≥ 0 = dS体 –δQ体/T环≥0 根据热力学第一定律dU = δQ – pe dV + δW´ 根据热力学第一定律 δQ = dU + pe dV -δW´ dS孤 = dS体 –(dU + pe dV -δW´ )/T环≥0 T环dS孤 = T环dS体 – (dU + pe dV -δW´ ) ≥ 0
T
∆G = ∆H – T∆S
T
p2
② dG = –SdT + V dp
dG = V dp 2-23
nRT p2 i.g.， i.g.，p1 p dp = nRT ln p ∫ 1
∆G =
∫ p V dp
1
p2
定温可逆∆G = –5705 J < 0 例2-1 定温可逆 液、固体 V ( p2－p1 ) 2-25
1876年Gibbs在康乃狄格科学院院报上发表了题为 年 在康乃狄格科学院院报上发表了题为 论非均相物质之平衡》 著名论文（该文长达323 《论非均相物质之平衡》 著名论文（该文长达 页），化学热力学的基础也就奠定了。这篇论文首 ），化学热力学的基础也就奠定了。 化学热力学的基础也就奠定了 次提出了: 次提出了 自由能的概念。 自由能的概念。 （2） ） 化学平衡的各种基本原理。 化学平衡的各种基本原理。 （4） ） 阐明了相平衡原理 （3） ） 稀溶液定律 （2） ） 表面吸附的本质 （8） ） 伏打电池中支配能量变化的数学关系式 （6） ）
第02章质量衡算与能量衡算
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•输入速率 •＝50×2×1.4＝140 mg/h
•输出速率 •＝1000×ρ＝1000ρ mg/h •降解速率
第02章质量衡算与稳态系统
•【例题6】一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源
补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关
等原因增加或者减少。求稳态情况下流出水中污染物的质量
浓度。
•
•稳态情况:
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•B 稳态反应系统
•解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中 的污染物质量浓度,
•输出速率
•输入速率
•
•降解速率
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•【例题6】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人 每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧 化碳的反应速率常数为k＝0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的流量 为1 000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合 完全，估计在25℃、101.3KPa的条件下，甲醛的稳态质量浓度。 并与造成眼刺激的起始体积分数0.05×10-6相比较。
第02章质量衡算与能量衡算
•1.常用物理量
•【例题2】在101.325KPa、25℃条件下，某室内空气一氧化 碳的体积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。 • 解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和 25℃下的体积为:
• 一氧化碳（CO）的摩尔质量为28 g/mol，所以CO的 质量浓度为:
第02章质量衡算与能量衡算
•第I篇 工程原理基础
•2.质量衡算
•输入速率 •＝50×2×1.4＝140 mg/h
•输出速率 •＝1000×ρ＝1000ρ mg/h •降解速率
第02章质量衡算与稳态系统
•【例题6】一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源
补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关
等原因增加或者减少。求稳态情况下流出水中污染物的质量
浓度。
•
•稳态情况:
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•B 稳态反应系统
•解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中 的污染物质量浓度,
•输出速率
•输入速率
•
•降解速率
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•【例题6】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人 每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧 化碳的反应速率常数为k＝0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的流量 为1 000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合 完全，估计在25℃、101.3KPa的条件下，甲醛的稳态质量浓度。 并与造成眼刺激的起始体积分数0.05×10-6相比较。
第02章质量衡算与能量衡算
•1.常用物理量
•【例题2】在101.325KPa、25℃条件下，某室内空气一氧化 碳的体积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。 • 解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和 25℃下的体积为:
• 一氧化碳（CO）的摩尔质量为28 g/mol，所以CO的 质量浓度为:
第02章质量衡算与能量衡算
•第I篇 工程原理基础
环境工程原理第02章质量衡算与能量衡算1-3节
根据道尔顿（Dalton）分压定律：总压P＝∑Pi （分压）
Pi=niRT/V P=P1+P2+…+Pn =n1RT/V+ n2RT/V+… = (∑ni) RT/V=nRT/V
Pi ni Pn
根据阿马格定律（Amagat）定律：
V＝∑Vi （i组分在总压P下单独存在具有的体积）
PVi=niRT PV＝P ∑Vi = (∑ni)RT = nRT
已知：qv0=5000m3/d, 2 =200mg/L, 2 =20mg/L,
3 =100mg/L，污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质
量比，因此污泥中悬浮物含量为
1 = (100－96)/(100/1000) = 40 g/L = 40000 mg/L 4 = (100 －99.8)/(100/1000) = 2 g/L = 2000 mg/L
求： qv1，qv2，qv3
排水量
qv2 ρ2
进水量
qv0 ρ0
进浓缩池水量
qv4 ρ4
上清液流量
qv3 ρ3
污泥产量
qv1 ρ1
解：(1)求污泥产量
以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮
物为衡算对象，取1d 为衡算基准，因系统稳定运行，
输入系统的悬浮物量等于输出的量。
划 定
排水量 qρv22
cA
A
MA
式中:MA—组分A的摩尔质量，kg/kmol。
2. 质量分数与摩尔分数
（1）质量分数和体积分数
xmA
mA m
组分A的质量分数
组分A的质量 混合物的总质量
在水处理中，水中污染物的浓度一般较低，在实 际应用中，常将质量浓度和质量分数加以换算，即
02第二章 热力学第一定律 重点和难点
系统内部储能增量: ΔECV
考虑到稳流特征： ΔECV=0 qm1=qm2=qm; 及h=u+pv 有
2 2 cf2 cf1 Q H 2 H1 qm qm g z2 z1 WS 2 2 1 2 q h2 h1 cf2 cf21 g z2 z1 ws 2
3)第一定律第二解析式 把wt的概念代入（B）式，可得第一定律第二解析式
1 2 q h2 h1 cf 2 cf21 g z2 z1 ws 2 ( B)
2
q h wt δq dh δwt
可逆 q h 1 vdp
δq dh vdp
几种功及相互之间的关系
名称 含义 说明
1）当系统可逆时δw＝pdv 2）膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉 3）膨胀功往往对应闭口系所求的功 1）轴功是开口系所求的功 W 2) 当工质进出口间的动、位能差被忽略时， pdV Wt＝Ws此时开口系统所求的功也是技术功
2 1
体积变化 系统体积变化 功W 所完成的功
轴功Ws 流动功 Wf. 系统通过轴与 外界交换的功
开口系付诸于质 量迁移所作的功
流动功是进出口推动功之差， 即Wf=Δ(pV)=p2V2-p1V1
技术功Wt 技术上可资利 用的功
1)Wt与Ws的关系 Wt＝m Δ cf2/2+mg Δz+Ws 2) Wt与W，Wf的关系 Wt=W－Wf 3)当过程可逆时， δ W＝－Vdp，这也是动、 位能差不计时的最大轴功
2）技术功(technical work)—技术上可资利用的功 wt 1 2 wt ws cf g z 2 由（C）
q u wt p2v2 p1v1 (D)
环境工程原理第02章质量衡算与能量衡算
第三章 流体流动
第四章 热量传递
第五章 质量传递
第二章 质量衡算与能量衡算
第二章 质量衡算与能量衡用物理量及其表示方法
第二节 质量衡算
衡算系统的概念 总质量衡算方程
第三节 能量衡算
总能量衡算方程 热量衡算方程
第一节 常用物理量 本节的主要内容
第I篇
环境工程原理基础
第I篇 环境工程原理基础
在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废 气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道 工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象。 流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物， 污染物的过滤分离等 热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、 设备的保温等 质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、 化学反应等
，
(2.1.14)
混合物的总物质的量
当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的 摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数 组分A的质量分数与摩尔分数的关系
xA
组分A的质量
xmA
组分A的质量分数
(2.1.6)
混合物的总质量
第一节 常用物理量
（质量分数） ppm———— μg/g， 10-6 ppb ———— μg/kg， 10-9
在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量 可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和 质量分数加以换算，即 1mg/L 相当于1mg/1000g ＝1×10-6（质量分数）= 1ppm 1μg/L 相当于1μg/1000g ＝1×10-9（质量分数）=1ppb
无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选 单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制， 都可得到相同数值的无量纲准数。
第02章-机电能量转换原理
2.4.2 电磁转矩的一般表达式 同理，可推导具有旋转运动的电磁系统的电磁转矩计算公式。 对于旋转运动来说，如果由于电磁转矩Te的作用，产生了相应的 机械角位移d ，则表示其作了机械功dWm ，即
-2-
第2章 机电能量转换原理 2.1 机电能量的转换装置
一般来说，电磁系统包括电气系统、机械系统和连接机电系 统的中间媒介，其作用是能量传递和转换。系统可以从机械系统 输入机械能，通过中间介质将机械能传递给电气系统，使之输出 电能；另一方面，也可以从电气系统输入电能，并由中间介质转 换为机械能，驱动机械系统运动。
Wf WfL We Wm
（2-22）
耦合磁场 能量损耗
为简便起见，忽略磁场损耗，将耦合磁场被看作是一个理想 的无损耗的磁能储存系统，并且耦合磁场的能量全部储存在气隙 中。即有
Wf We Wm
（2-23）
-22-
第2章 机电能量转换原理
上式可用微分方程表示为
dWe dWf dWm
数Wfc（i , x ），便于用来计算电磁力或电磁转矩，因此是一个 研究机电能量转换的重要的变量。
-19-
第2章 机电能量转换原理 2.3 机电能量转换
根据前两节对电磁系统机电能量关系的分析，一般来说，电 磁系统的机电能量的相互关系可以用图2-6来表达。
电气系统 WeL WE + WeS We + Wf 耦合磁场 WfL + Wm WmS 机械系统 WmL + WM
第2章 机电能量转换原理
输入耦合磁场的总能量为
Wf Wej Wmk
j =1 k =1
Jj j j j =1 j =1
J
J
W
k =1
环境工程原理：第02章质量衡算与能量衡算
qm1 qm2 qmr 0
qm1
qm2
qmr
dm dt
•
qm1
qm2
qmr
dm dt
VA V
RT 103 pM A
A
(2.1.13)
【例题2.1.3】在101.325KPa、25℃条件下，某室内空气一氧化碳的体 积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。 解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和25℃下的体积为
V 1 0.082 298 24.44L 1
u ms F kma km t k t2
式中F——力； m——质量； a——加速度；
按照国际单位制规定，取k=1，则力的
导出单位为
kg m s 2
u——速度； t——时间； s——距离； k——比例系数。
当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得
到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。
四、常用物理量
例如：氨的水溶液的浓度
1．质量浓度与物质的量浓度 mg/L mol/L 氨的质量或物质的量/溶液体积
2. 质量分数与摩尔分数 % kg/kg 氨的质量/溶液的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/溶液的物质的量
3．质量比与摩尔比 kg/kg 氨的质量/水的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/水的物质的量
第I 篇
环境工程原理基础
在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废 气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道 工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象。
流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物， 污染物的过滤分离等 热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、 设备的保温等 质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、 化学反应等
02 能量平衡断裂理论
© Kylinsoft, 2010
能量平衡断裂理论-4
裂纹割开前初始应变能：
1 2V U 0 V 2 2E
裂纹割开后释放应变能：
2 a 2 B E U1 2 2 2 1 a B E
平面应力
平面应变
裂纹割开后增加表面能：
c ～104 max
!
能量平衡断裂理论-7
Griffith公式提出30年后，Orowan对该式提出修正。 裂纹扩展后除了增加表面能，还消耗塑性变形功：
Up U 2 4aB 2aBUp 4aB 2 2aBUp
EU P a c EU P 2 a 1
1 P G 2 A
1 2 d G P 2 dA
1 2 d P 2B da
(Irwin-Kies公式)
© Kylinsoft, 2010
能量平衡断裂理论-14
(2) 固定载荷情况
U W U 2U U
G G U A A P
G
1 2 d P 2 dA
1 2 d P 2B da
(Irwin-Kies公式)
© Kylinsoft, 2010 能量平衡断裂理论-16
作业
© Kylinsoft, 2010
能量平衡断裂理论-17
பைடு நூலகம்
平面应力
平面应变
© Kylinsoft, 2010
能量平衡断裂理论-8
三 裂纹扩展的能量（释放）率
1 定义
U 2 2 aB 4 B 0 a E 2U 2 2 B 0 2 a E
02第二章 工程热力学第一定律 重点和难点
2 1
体积变化 系统体积变化 功W 所完成的功 轴功Ws 流动功 Wf. 系统通过轴与 外界交换的功
开口系付诸于质 量迁移所作的功
流动功是进出口推动功之差， 即Wf=∆(pV)=p2V2-p1V1
1)Wt与Ws的关系 Wt＝m ∆ cf2/2+mg ∆z+Ws 2) Wt与W，Wf的关系 Wt=W－Wf 3)当过程可逆时， δ W＝－Vdp，这也是动、 位能差不计时的最大轴功
( A)
( B)
讨论： 讨论 1）改写（B）为（C） 输出轴功
cf22 cf21 Q = ( H 2 − H1 ) + qm − + qm g ( z2 − z1 ) + WS 2 2 1 2 q = h2 − h1 + ( cf 2 − cf21 ) + g ( z2 − z1 ) + ws 2
c
2 v a b
wt=面积12cd1＝面积12ba1＋面积1a0d1 －面积2b0c2 0
几种功及相互之间的关系
名称 含义 说明
1）当系统可逆时δw＝pdv 2）膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉 3）膨胀功往往对应闭口系所求的功 1）轴功是开口系所求的功 W 2)当工质进出口间的动、位能差被忽略时， = ∫ pdV Wt＝Ws此时开口系统所求的功也是技术功
也就是说，焓的变化等于闭口系统在定压过程中 与外界交换的热量
二、功、稳定流动过程中几种功的关系
• 功包括：体积变化功W、流动功Wf、轴 功Ws、和技术功Wt（重点和难点） • 对于稳定流动来说，由于开口系本身的 状态不睡时间变化，因此整个流动过程 的总效果相当于一定质量的工质从进口 截面穿过开口系统，在其中经历了一系 列的状态变化，并与外界发生热和功的 交换，最后流到出口。这样，开口系统 稳定流动能量方程也可以看成是流经开 口系统的一定质量的工质的能量方程。
体积变化 系统体积变化 功W 所完成的功 轴功Ws 流动功 Wf. 系统通过轴与 外界交换的功
开口系付诸于质 量迁移所作的功
流动功是进出口推动功之差， 即Wf=∆(pV)=p2V2-p1V1
1)Wt与Ws的关系 Wt＝m ∆ cf2/2+mg ∆z+Ws 2) Wt与W，Wf的关系 Wt=W－Wf 3)当过程可逆时， δ W＝－Vdp，这也是动、 位能差不计时的最大轴功
( A)
( B)
讨论： 讨论 1）改写（B）为（C） 输出轴功
cf22 cf21 Q = ( H 2 − H1 ) + qm − + qm g ( z2 − z1 ) + WS 2 2 1 2 q = h2 − h1 + ( cf 2 − cf21 ) + g ( z2 − z1 ) + ws 2
c
2 v a b
wt=面积12cd1＝面积12ba1＋面积1a0d1 －面积2b0c2 0
几种功及相互之间的关系
名称 含义 说明
1）当系统可逆时δw＝pdv 2）膨胀功是简单可压缩系热变功的源泉 3）膨胀功往往对应闭口系所求的功 1）轴功是开口系所求的功 W 2)当工质进出口间的动、位能差被忽略时， = ∫ pdV Wt＝Ws此时开口系统所求的功也是技术功
也就是说，焓的变化等于闭口系统在定压过程中 与外界交换的热量
二、功、稳定流动过程中几种功的关系
• 功包括：体积变化功W、流动功Wf、轴 功Ws、和技术功Wt（重点和难点） • 对于稳定流动来说，由于开口系本身的 状态不睡时间变化，因此整个流动过程 的总效果相当于一定质量的工质从进口 截面穿过开口系统，在其中经历了一系 列的状态变化，并与外界发生热和功的 交换，最后流到出口。这样，开口系统 稳定流动能量方程也可以看成是流经开 口系统的一定质量的工质的能量方程。
第二章第一节细胞的生活需要物质和能量
理解加油站和汽车的发动机的
对上一章的内容进行回忆。激发学生的学习兴趣。
明确学习目标。
总体要求：1.“统一”设计“分段”教学；2.围绕“三维”落实“三问”；3.充实“心案”活化“形案”。
②学生能够认同细胞生命活动具有物质基础。
③学生通过类比、推理的方法，理解细胞中的物质和能量。
重
点
细胞膜具有控制物质进出的功能；能够描述细胞质中的线粒体和叶绿体在能量转换方面的作用。
难
点
细胞膜具有控制物质进出的功能；能够描述细胞质中的线粒体和叶绿体在能量转换方面的作用。
课前准备
总体要求：1.“统一”设计“分段”教学；2.围绕“三维”落实“三问”；3.充实“心案”活化“形案”。
教学流程
分课时
环节
与时间
教师活动
学生活动
△设计意图
◇资源准备
□评价○反思
复习导入
细胞的生活需要物质和能量
细胞质中有能量转换器
细胞都有哪些结构？：植物体和动物体都有许多细胞构成，细胞中不同的结构又有不同的功能。细胞每时每刻都在进行着各种各样的生命活动，在不知不觉中，有些细胞在长大，有些细胞在变老，有些细胞在死去，同时又不断的有新细胞在形成。从今天开始，我们就一同走进细胞，看一看细胞是怎样生活的。
请同学们思考细胞外的物质与细胞内的物质是否有交换。
动画展示细胞膜的功能。
提供给同学们教学图片。
能量有不同的形式，汽油中含有的是化学能，当汽车开动时，化学能就被转化成动能，使汽车运动。在这个过程中，汽车的哪一个部件在起作用？
植物体中，叶绿体把太阳光能转化成化学能，这些化学能被线粒体转化成植物生活所需要的能量。
物质是由分子构成的，分子是由原子构成的。
对上一章的内容进行回忆。激发学生的学习兴趣。
明确学习目标。
总体要求：1.“统一”设计“分段”教学；2.围绕“三维”落实“三问”；3.充实“心案”活化“形案”。
②学生能够认同细胞生命活动具有物质基础。
③学生通过类比、推理的方法，理解细胞中的物质和能量。
重
点
细胞膜具有控制物质进出的功能；能够描述细胞质中的线粒体和叶绿体在能量转换方面的作用。
难
点
细胞膜具有控制物质进出的功能；能够描述细胞质中的线粒体和叶绿体在能量转换方面的作用。
课前准备
总体要求：1.“统一”设计“分段”教学；2.围绕“三维”落实“三问”；3.充实“心案”活化“形案”。
教学流程
分课时
环节
与时间
教师活动
学生活动
△设计意图
◇资源准备
□评价○反思
复习导入
细胞的生活需要物质和能量
细胞质中有能量转换器
细胞都有哪些结构？：植物体和动物体都有许多细胞构成，细胞中不同的结构又有不同的功能。细胞每时每刻都在进行着各种各样的生命活动，在不知不觉中，有些细胞在长大，有些细胞在变老，有些细胞在死去，同时又不断的有新细胞在形成。从今天开始，我们就一同走进细胞，看一看细胞是怎样生活的。
请同学们思考细胞外的物质与细胞内的物质是否有交换。
动画展示细胞膜的功能。
提供给同学们教学图片。
能量有不同的形式，汽油中含有的是化学能，当汽车开动时，化学能就被转化成动能，使汽车运动。在这个过程中，汽车的哪一个部件在起作用？
植物体中，叶绿体把太阳光能转化成化学能，这些化学能被线粒体转化成植物生活所需要的能量。
物质是由分子构成的，分子是由原子构成的。
环境工程原理第02章质量衡算与能量衡算1-3节
质量衡算对于环境工程领域至关重要，它可以 帮助我们了解污染物在环境中的扩散、迁移和 归趋，从而为污染控制和治理提供科学依据。
质量衡算的基本原理
1
质量平衡方程：对于一个封闭系统，输入质量 = 输出质量 + 储存质量。
2
质量平衡方程可以用来计算系统中某一物质的输 入、输出和储存量，从而了解其在环境中的迁移 和转化过程。
02
能量衡算的目标是确定系统中的能量来源、去向和转换，以优
化能源利用和提高能源效率。
能量衡算在环境工程中广泛应用于热力学系统分析，如燃烧过
03
程、热力发电、工业过程等。
能量衡算的基本原理
能量守恒定律
该定律指出在一个封闭系统中， 能量不能被创造或消失，只能从 一种形式转换为另一种形式。
热力学第一定律
质量衡算与能量衡算的差异
质量衡算是研究物质质量的变化，而能量衡算是研究 能量的传递和转化
质量衡算中，物质的质量可以转化为其他物质的质量 ，而能量衡算中，能量只能转化形式或从一个系统传
递到另一个系统
质量衡算主要关注化学反应中物质的质量变化，而能 量衡算则关注能量的来源和去向
质量衡算与能量衡算在环境工程中的应用
01
在环境工程中，质量衡算和能量衡算用于描述污染物在环境中的迁移 、转化和归宿
02
通过质量衡算，可以了解污染物在环境中的分布和扩散，从而预测其 对生态系统的影响
03
能量衡算则用于评估能源消耗和温室气体排放，为节能减排提供依据
04
在环境工程实践中，质量衡算和能量衡算是实现污染物减排、资源回 收和能源高效利用的重要工具
通过质量衡算可以研究污染物在环境中的迁移转化过程，包括扩散、 吸附、沉淀、挥发、降解等。
质量衡算的基本原理
1
质量平衡方程：对于一个封闭系统，输入质量 = 输出质量 + 储存质量。
2
质量平衡方程可以用来计算系统中某一物质的输 入、输出和储存量，从而了解其在环境中的迁移 和转化过程。
02
能量衡算的目标是确定系统中的能量来源、去向和转换，以优
化能源利用和提高能源效率。
能量衡算在环境工程中广泛应用于热力学系统分析，如燃烧过
03
程、热力发电、工业过程等。
能量衡算的基本原理
能量守恒定律
该定律指出在一个封闭系统中， 能量不能被创造或消失，只能从 一种形式转换为另一种形式。
热力学第一定律
质量衡算与能量衡算的差异
质量衡算是研究物质质量的变化，而能量衡算是研究 能量的传递和转化
质量衡算中，物质的质量可以转化为其他物质的质量 ，而能量衡算中，能量只能转化形式或从一个系统传
递到另一个系统
质量衡算主要关注化学反应中物质的质量变化，而能 量衡算则关注能量的来源和去向
质量衡算与能量衡算在环境工程中的应用
01
在环境工程中，质量衡算和能量衡算用于描述污染物在环境中的迁移 、转化和归宿
02
通过质量衡算，可以了解污染物在环境中的分布和扩散，从而预测其 对生态系统的影响
03
能量衡算则用于评估能源消耗和温室气体排放，为节能减排提供依据
04
在环境工程实践中，质量衡算和能量衡算是实现污染物减排、资源回 收和能源高效利用的重要工具
通过质量衡算可以研究污染物在环境中的迁移转化过程，包括扩散、 吸附、沉淀、挥发、降解等。
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2、食物摄入量的能量计算法 调查食物摄入量，根据食物与能量的关系，计 算人体能量需要量。此法简单易行，现埸被广 泛使用，但不够准确。
3、体力活动水平计算法 能量需要量或消耗量＝BMR× PAL
第四节 DRIs及能量摄入
一、、能量的参考 摄入量（DRIs）
能量需要量是指维持机体 正常生理功能所需要的能 量，即长时间保持良好的 健康状况、具有良好的体 型、机体构成和活动水平 的个体达到能量平衡，并 能胜任必要的经济和社会 活动所需要的能量摄入。
我国人正常基础代谢率平均值 (kJ· m-2 · h-1) * 年龄 11－15 16－17 18－19 20－30 31－40 41－50 51~ 男 195.4 193.3 166.1 158.6 157.7 154.0 149.0 [46.7] [46.2] [39.7] [37.9] [37.7] [36.8] [35.6] 172.4 181.6 154.0 146.8 146.4 142.2 138.5 [41.2] [43.4] [36.8] [35.1] [35.0] [34.0] [33.1] ＊方括号内数值为“kcal· m-2 · h-1
呼吸商
(RQ) 1.00 0.80 0.71
糖 蛋白质 脂肪
产热量＝20.2(kJ／L)×O2(L)
NPRQ 糖％
0.707 0.71 0.00 1.10
Fat％
100.0 98.9
热价
19.62 19.64
NPRQ
0.80 0.81
糖％
33.4 36.9
Fat％
66.6 63.1
热价 NPRQ 糖％
*蛋白质在体内不能完全被氧化分解，代谢废物有尿素、尿 酸、肌酐等，随尿液排出体外，这些物质能产生5.44kJ/g。
二、生理有效能量值
生理有效能量值＝热价×吸收率（％） 人体内的消化 产能营养素 吸收率（％）
人体内氧化产生的 生理有效能量 千焦耳／克（kJ/g）
碳水化合物
脂肪 蛋白质
98
95 92
16.8(4kcal)
20.10 20.15 0.90 0.91 67.5 70.8
Fat％
32.5 29.2
热价
20.61 20.67
0.72
0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 1.00
4.75
8.40 12.0 15.6 19.2 22.8 26.3 29.0 100.0
95.2
91.6 88.0 84.4 80.8 77.2 73.7 70.1 0.0
20.20
20.26 20.31 20.36 20.41 20.46 20.51 20.56
0.92
0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99
74.1
77.4 80.7 84.0 87.2 90.4 93.6 96.8
25.9
22.6 19.3 16.0 12.8 9.58 6.37 3.18
能量不足
如果能全长期摄人不足，人机体储存的糖原及脂肪动用， 发生蛋自质热量性营养不良，临休主要表现消瘦、贫血、 神经衰弱、皮肤干燥、脉搏缓慢、工作能力下降、体温 低、抵抗力低，儿童出现生长停顿等。 能量过剩 长期能量摄人过多，会造成人体超重或肥胖，血糖升 高，脂肪沉积，肝脂增加，肝功能下降，过度肥胖还造 成肺功能下降，易造成组织缺氧;肥胖并发症的发病率 增加，主要有脂肪肝、糖尿病、高血压、胆结石症、心 脑血管疾病及某些癌症。
20.71
20.77 20.82 20.87 20.93 20.98 21.03 21.08
计算方法举例 受试者24小时的耗氧量为400L，CO2产量为340L。另经测定 尿氮排出量为12g，计算24小时产热量。 （1）蛋白质氧化量=12×6.25=75g , 产热量=18×75=1350kJ 耗氧量=0.95×75=71.25L , CO2产量=0.76×75=57L （2）非蛋白呼吸商 非蛋白代谢耗氧量=400-71.25=328.75L 非蛋白代谢CO2产量=340-57=283L 非蛋白呼吸商=283/328.75=0.86 (3)根据非蛋白呼吸商的氧热价计算非蛋白代谢的热量 查表7-2,非蛋白呼吸商为0.86时,氧热价为20.41。所以，非 蛋白代谢产热量=328.75×20.41=6709.8kJ 。 （4）计算24小时产热量 24小时产热量=1350+6709.8=8059.8kJ
非蛋白呼吸商
蛋白质的呼吸商约为0.8： RQ=（152.17/44×22.4）/（138.18/32×22.4） =77.47L CO2/96.73L O2=0.8
营养 物质
耗氧量
(L/g) 0.83 0.95 2.03
CO2产量
(L/g) 0.83 0.76 1.43
氧热价
(kJ/g) 21 18.8 19.7
中
1.64
重
1.82
3、食物特殊动力作用（SDA）
进食后，机体向外散失的热量比进食前有所增加，即 人体热能消耗增加，这种由于摄取食物而引起机体能 量代谢额外增加的现象就是食物特殊动力作用
产生原因：
1）食物在消化道消化、吸收、代谢过程中 的能量消耗。 2）食物中只有转化为高能磷酸键（三磷酸 腺苷，ATP）的部分才能被机体利用，其余的作 为热能向体外散发，从而使消耗部分能量。
4、生长发育的能量需要
孕妇体内胎儿生长发育所需要的能量， 乳母分泌乳汁等额外补充的能量。 生长期的婴幼儿、儿童机体生长发育 中新组织及其新组织的代谢所需要的量。 婴儿每增加1g体重约需要5kcal能量。
10％
20-30％
60-70％
正常成人能量消耗的构成图解
第三节 能量消耗的测定
一、人体能量需要量的测定： 直接测定法和间接测定法 循环式和开放式
营养素的热效应： 碳水化合物: 5－6％ 脂肪: 4 － 5％ 蛋白质: 30％ 食用普通混合膳食时，食物特殊动力作用相当于 每日基础代谢的10%或全日总能耗的6%，约150200 kcal 的能量。 当混合膳食时，SDA＝BM×10% A=10C/9.4
A:一日热能需要量； C:生活观察一日热能消耗量；
37.6(9kcal) 16.7(4kcal)
每克乙醇在体内可以产热29.29KJ（7KCal）
第二节
人体能量消耗的构成
生长 发育
（对儿童、孕妇、乳母等）
食物特殊 动力作用
体力活动 基础代谢
人体能量消耗的构成图解
1、基础代谢(basal metabolism，BM):
维持人体基本生命活动的能量。 体温、呼吸、血液循环、腺体 分泌、肌肉的一定紧张度等。
一、能量的来源
光合作用 饮食营养
能量的来源
二、热价
食物中每克产能营养物质彻底燃烧氧化所释放的热 量，叫食物的热价或能值,包括物理热价、生物热价。 体外物理热价 体内生物热价 产能营养素 千焦耳／克（kJ/g） 千焦耳／克（kJ/g） 碳水化合物 脂肪 蛋白质 17.15 39.54 23.64 17.15(4.1kcal) 39.54(9.45kcal) 18.20*(5.65kcal)
二、能量摄入比例
蛋白质
11－14％ 脂肪 20－30％
碳水化合物
55－65％
何谓BM、SDA、RQ？
试理解能量的作用和生物学意义？
掌握影响人体能量需要量的主要因素？
如何测定和估算某一人体或人群的能量消耗量？
掌握能量摄入比例？
（1）一个19岁男子身高170cm, 体重60Kg, 体表面积 1.65 m2,基础代谢率为39.7 Kcal/m2/h , 计算其24h基 础代谢热量。 （2）某男生20岁, 身高1.75m, 体重70Kg, 基础代谢 率40 Kcal/m2/h, 体表面积1.879 m2, 求普通混合膳食 条件下, 该男生维持24h基础代谢消耗能量和食物特 殊动力作用共需多少Kcal热量。
年 龄 10 18 30 〉60 BMR（兆焦耳／天，MJ/d） 男 0.0732W+2.72 0.0640W+2.84 0.0485W+3.67 0.0565W+2.04 女 0.0510W+3.12 0.0615W+2.08 0.0364W+3.47 0.0439W+2.49
•W是用kg表示的平均体重
(3)喂饲啮齿类动物超低热量饮食,使其寿命相当于人类160岁。
采用激素或者基因疗法也许能使人多活几十年,但是目前还 做不到。一个只有0.1毫米长的透明线虫与人的差异也实在太大 了。所以,大家可能对关于啮齿类动物(与人类同属哺乳动物)所取 得的研究成果最感兴趣。
（3）某男生19岁, 身高1.70m, 体重65Kg, 体表面积 1.65 m2,基础代谢率为39.7 Kcal/m2/h, 生活观察法测 得24h各项活动消耗量1750 Kcal/m2,问该男生每天应 补充多少热能满足机体需要?
阅读材料：
——饭吃八分饱
近年来,生物学家在延长动物寿命方面取得了三项重大成果: (1)应用选择性繁殖的方法,将果蝇的寿命延长了1倍。 (2)通过抑制一种叫age-1的基因活动,使线虫的寿命增加了70％。
分三级： 轻体力活动 中等体力活动
重体力活动
中国成年人活动水平分级(physical activity level,PAL)
活动 水平 轻 职业工作 时间分配 工作内容举例 PAL 男 女 1.56
75％时间坐或站立 办公室、修理仪器钟表、 售货员、酒店服务员、 1.55 25％时间站着活动 化学实验操作、讲课等 25％时间坐或站立 学生日常活动、机动车 75％时间特殊职业 驾驶、电工安装、车床 1.78 操作、金工切割等 活动 40％时间坐或站立 非机械化农业劳动、炼 60％时间特殊职业 钢、舞蹈、体育运动、 2.10 装卸、采矿等 活动