第五章化工热力学课件
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枣庄学院 化学化工系
化工热力学
5.1 能量平衡方程
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。
正负号的要求： 体系吸热为正值， 放热为负值； 体系得功为正值， 对环境做功为负值。
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
5.1 能量平衡方程
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
枣庄学院 化学化工系
理想气体通过节流阀温度不变
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
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? 位能是否变化?
动能是否变化?
通常可以忽略
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
Fra Baidu bibliotek混合设备
混合两种或多种流体 是很常见。
混合器
枣庄学院 化学化工系
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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化工热力学
H 2 2736.5kJ / kg
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
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
枣庄学院 化学化工系
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
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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H1 H l 2736.5 844.9 x 0.9709 H g H l 2792.2 844.9
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
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。
压缩机可以提高流体 的压力，但是要消耗功
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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
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
节流阀 Throttling Valve
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
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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。
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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化工热力学
5.1 能量平衡方程
H u 2
2 gz Q Ws
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
W由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动 轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推 入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质 对环境所作的功，称为流动功。 假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为P1， 则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为 V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为 V1
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
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
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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
枣庄学院 化学化工系
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。
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)。
P A1 1
A1
PV1 1
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5.1 能量平衡方程
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
m1E1 W Q m2 E2 mE
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
1 2 1 2 d (mE) m1 (U1 u1 gz1 ) m2 (U 2 u2 gz2 ) 2 2 m ( PV1 P2V2 ) WS Q 1 1 2 1 2 d (mE) m1 (H1 u1 gz1 ) m2 (H 2 u2 gz2 ) 2 2 普遍化的能量平衡方程 WS Q
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。
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。
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
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
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化工热力学
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
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
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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化工热力学
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
喷嘴
扩压管
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
喷嘴与扩压管
2
H
u
2
gz Q Ws
否
u 2 H 0 2
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 通常可以忽略 位能是否变化? 否
流体通过焓值的改变来换取动能的调整
枣庄学院 化学化工系
化工热力学
透平机和压缩机
透平机是借助流体的 减压和降温过程来产出功
理想功与可逆功等同吗？
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化工热力学
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
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
Wid WR p0 V U T0 S p0 V Wid U T0 S p0 V
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化工热力学
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
化工热力学
5.1 能量平衡方程
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。
正负号的要求： 体系吸热为正值， 放热为负值； 体系得功为正值， 对环境做功为负值。
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化工热力学
5.1 能量平衡方程
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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理想气体通过节流阀温度不变
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化工热力学
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? 位能是否变化?
动能是否变化?
通常可以忽略
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化工热力学
Fra Baidu bibliotek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
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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化工热力学
H 2 2736.5kJ / kg
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化工热力学
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
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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
化工热力学
Chemical Engineering thermodynamics
丛兴顺
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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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H1 H l 2736.5 844.9 x 0.9709 H g H l 2792.2 844.9
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化工热力学
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。
压缩机可以提高流体 的压力，但是要消耗功
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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
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
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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。
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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化工热力学
5.1 能量平衡方程
H u 2
2 gz Q Ws
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
W由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动 轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推 入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质 对环境所作的功，称为流动功。 假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压力为P1， 则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为 V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为 V1
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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5.4理想功、损失功和热力学效率
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
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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。
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)。
P A1 1
A1
PV1 1
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5.1 能量平衡方程
1 2 E2 U 2 u2 gz2 2
m1E1 W Q m2 E2 mE
1 2 E1 U1 u1 gz1 2
1 2 1 2 d (mE) m1 (U1 u1 gz1 ) m2 (U 2 u2 gz2 ) 2 2 m ( PV1 P2V2 ) WS Q 1 1 2 1 2 d (mE) m1 (H1 u1 gz1 ) m2 (H 2 u2 gz2 ) 2 2 普遍化的能量平衡方程 WS Q
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。
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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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。
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
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
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化工热力学
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
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
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
喷嘴
扩压管
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化工热力学
喷嘴与扩压管
2
H
u
2
gz Q Ws
否
u 2 H 0 2
是否存在轴功?
是否和环境交换热量? 通常可以忽略 位能是否变化? 否
流体通过焓值的改变来换取动能的调整
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透平机和压缩机
透平机是借助流体的 减压和降温过程来产出功
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
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
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