第7章化工过程能量分析
化工热力学精ppt课件
利用纯物质在临界点附近的特殊性质，通过一 些经验公式或图表，估算其在其他条件下的热 物理性质。
混合物热物理性质预测方法
基于组分的加权方法
根据混合物中各组分的摩尔分数或质量分数，采用加权平均的方法 预测混合物的热物理性质。
基于活度的预测方法
引入活度系数来描述混合物中组分间的相互作用，通过活度系数与 纯物质性质的关联，预测混合物的热物理性质。
01
夹点技术
通过优化换热网络，降低能源消耗。
热泵技术
利用外部能源，提高低温热源的品 位，实现能量的升级利用。
03
02
热集成
将多个操作单元集成在一起，提 高能源利用效率。
04
节能技术与措施
改进工艺和设备
采用先进的生产工艺和设备，降低能源消耗。
设计优化方法
通过选择合适的萃取剂、优化萃取塔结构、改进操作条件 等方式，提高萃取过程的分离效率，降低能耗和投资成本。
案例分析
结合具体萃取案例，分析热力学原理在萃取过程设计中的 应用，以及优化方法对提高萃取效率的作用。
其他分离过程热力学原理简介
01
02
结晶过程热力学原理
利用物质在溶液中的溶解度随温度、压 力等条件的变化而变化的性质，实现物 质的分离和提纯。结晶过程涉及相平衡、 传热等热力学基本原理。
封闭系统
与外界有能量交换但没有物质交换的系统。
开放系统
与外界既有能量交换又有物质交换的系统。
热力学基本定律
热力学第零定律
如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也必定处于热平衡状态。
热力学第一定律
热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
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
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
第六、七章化工过程能量分析习题
第六、七章化⼯过程能量分析习题第六章化⼯过程能量分析1.⽓体经过稳流绝热过程，对外作功，如忽略动能和位能变化，⽆摩擦损失，则此过程⽓体焓值 ( ).A. 增加 B ．减少 C ．不变 D. 不能确定 2. 要加热50℃的⽔，从热⼒学⾓度，⽤以下哪⼀种热源，损失功最⼩（）A.60℃的热⽔B.80℃的热⽔C.100℃的饱和蒸汽，D. 120℃的过热蒸汽 3.不可逆过程中孤⽴体系的（）A.总熵总是增加的，有效能也是增加的。
B.总熵总是减少的，有效能也是减少的。
C.总熵是减少的，但有效能是增加的。
D. 总熵是增加的，但有效能是减少的。
4.⼀封闭体系经过⼀变化，体系从25℃恒温⽔浴吸收热量8000kJ ，体系熵增25kJ/K ，则此过程是( )。
A. 可逆的B.不可逆的C. 不可能的 5. 在431.15K 与286.15K 之间⼯作的热机的最⼤效率是（）A. 91.77%B.50.70%C. 33.63%D.39.67%6.体系从同⼀初态到同⼀终态，经历⼆个不同过程，⼀为可逆过程，⼀为不可逆过程，此⼆过程环境熵变存在（）。
A ．（ΔS 环）可逆< （ΔS 环）不可逆 B. （ΔS 环）可逆 >（ΔS 环）不可逆C ．（ΔS 环）可逆 = （ΔS 环）不可逆D ．（ΔS 环）可逆= 0 7. 按第⼆定律，⽆论什么过程体系的熵变。
A.≤0B.≥0C.=0D.不确定8. 在孤⽴体系中，因不可逆性导致作功能⼒损失。
公式孤⽴S T W L ??=0（式中0T 为环境温度）是从传热过程推出的。
A ．仅适⽤传热过程 B. 也适⽤传质过程 C ．也适⽤流动过程 D. 任何过程都⾏ 9. 体系经不可逆循环⼜回到初态，则热温商的循环积分__________ A <0 Ｂ =０ C >010. 关于做功和加热本领的描述，不正确的是（）A 压⼒相同，过热蒸汽的做功本领⽐饱和蒸汽⼤。
B 温度相同，⾼压蒸汽的作功本领⽐低压蒸汽强。
化工过程能量分析
化工过程能量分析
—节能技术简介
对初始网络进行调优
在形成的初始网络中，由于热负荷回路存在，换 热器数目较多，并不具有整体最优的特点，必须进 一步调优，以改善其性能。当找出初始网络中的热 负荷回路后，合并该回路中的某个换热器就可断开 该回路。先识别和处理低级的回路，再处理高级回 路。合并换热器后，改变热负荷的换热器温度T将发 生改变，因而应判断其是否符合最小允许传热温差 ΔTmin。若不满足，则应该进行能量松驰以恢复 ΔTmin，并重新调整热负荷，否则结束计算
化工过程能量分析
——有效能和无效能
二、 有效能和无效能���
热量的有效能： 热量的无效能：
Ex
Q(1
T0 TH
)
Ei
Q T0 TH
化工过程能量分析
——有效能的损失
三、有效能的损失 过程的不可逆性是有效能损失的内在
原因，当过程不可逆时，有效能将向无效 能转变，使有效能总量减少；同时过程的 不可逆性又是实际过程进行的必要条件。
化工过程能量分析
——有效能的损失
化工过程能量分析
——有效能的损失
化工过程能量分析
——有效能的损失
化工过程能量分析
——有效能的损失
②管道流动
管道流动的有效能损失是由于阻力引 起的，管道流动过程要减少有效能损失， 首先要考虑减少压力降，但欲使压力降减 少，必然使流速降低，使设备费用增加。 因此考虑能量的合理利用的同时，还要考 虑设备材料费用的问题。
化工原理第7章详解
第二节 相组成的表示方法
6.1.2.相组成表示法
1．质量分率与摩尔分率 质量分率：在混合物中某组分的质量占 混合物总质量的分率。
wA
=
mA m
摩尔分率：在混合物中某组分的摩尔数
占混合物总摩尔数的分率。
气相： 液相：
yA
=
nA n
xA
=
nA n
yA + yB + ⋅⋅⋅yN = 1
xA + xB + ⋅⋅⋅xN = 1
期中考试及试卷分析 第九章 蒸馏
第十章 简单的介绍干燥
课程实习 停课进行课程设计 期末复习
第七章 传质与分离过程概论
重点：传质分离方法的选择 相组成的表示方法 相之间对流传质模型 各种传质机理和传质方式的理解 传质设备的基本类型和性能要求
难点：双膜理论 溶质渗透理论 表面更新理论
第一节 概述
• 7.1.1 传质分离方法
依据分离原理不同，传质分为两种
平衡分离
速率分离
平衡分离过程系借助分离 媒介（如热能、溶剂、吸 附剂等）使均相混合物系 统变为两相体系，再以混 合物中各组分在处于平衡 的两相中分配关系的差异 为依据而实现分离。根据 两相状态的不同，平衡分 离过程可分为如下几类：
速率分离过程是指借助某种推 动力，如浓度差、压力差、温 度差、电位差等的作用，某些 情况下在选择性透过膜的配合 下，利用各组分扩散速度的差 异而实现混合物的分离操作。 这类过程的特点是所处理的物 料和产品通常属于同一相态， 仅有组成的差别。
平衡分离
（1）气液传质过程 （2）液液传质过程 （3）液固传质过程 （4）气固传质过程
在平衡分离过程中， 组分在两相中的组成关系常用分配 系数（又称相平衡比）来表示，即
化工过程的能量分析PPT培训课件
化工过程能量分析的基本原则
系统性原则
将化工过程作为一个整 体系统来考虑，全面分 析各环节的能量流动和
转换。
效率优先原则
以提高能源利用效率为 目标，关注节能降耗的
潜力。
定量分析原则
通过数据和计算，客观 评估能量利用情况和损
失程度。
持续改进原则
不断优化和改进工艺流 程，实现能源利用的最
优化。
02
化工过程的能量平衡分析
02
它通过识别和计算化工过程中的 各种能量消耗和损失，为优化工 艺流程、提高能源利用效率和降 低能耗提供科学依据。
化工过程能量分析的目的和意义
目的
通过对化工过程的能量分析，发 现能量损失和浪费的原因，提出 改进措施，实现能源的高效利用 和减少环境污染。
意义
有利于提高化工企业的经济效益 ，促进可持续发展，同时也有助 于推动化工行业的科技进步。
能量评价的标准和指标
总结词
掌握能量评价的标准和指标，以及如何应用 这些标准和指标进行化工过程的能量评价。
详细描述
能量评价是评估化工过程能源利用效率和经 济效益的重要手段。评价的标准和指标包括 能量平衡、能效比、能源成本等。通过这些 标准和指标的应用，可以全面了解化工过程 的能源利用状况，发现存在的问题和改进空
• 智能化和信息化技术的发展，将为化工过程能量分析提供更多的数据支持和计 算手段。例如，利用大数据、人工智能等技术对化工过程进行实时监测和智能 优化，可以实现更精准的能耗管理和节能降耗。
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节能技术的实例和分析
实例二
能量系统优化在化工过程中的应用
分析
能量系统优化是一种综合节能技术，通过对整个生产过程的能量进行系统优化，实现能 源利用效率的最大化。在化工过程中，能量系统优化可以通过对工艺流程进行改进、对 设备进行集成等方式实现。优化后的能量系统可以提高生产效率、降低能源消耗和生产
化工过程能量分析
化工过程能量分析引言化工过程能量分析是一种重要的工程分析方法，用于评估化工过程中能量的转化和利用情况。
能量是化工过程中最基础的要素之一，对于化工产品的生产、能源消耗和环境影响起着至关重要的作用。
通过对化工过程的能量分析，可以优化能源利用，减少能源消耗，提高化工工艺的可持续性和经济性。
能量分析的基本原理能量分析基于能量守恒定律，认为能量是不可创造也不可消灭的，只能从一种形式转化为另一种形式。
在化工过程中，能量可以以多种形式存在，如热能、电能、机械能等。
能量分析的基本原理是追踪能量在化工过程中的流动和转化，以确定能量的输入、输出和损失。
能量分析的步骤1.确定能量流的路径：首先需要识别化工过程中能量流的路径，包括原料输入、能量转化和产物输出过程。
通过图表或流程图的形式清晰地表示能量流动的路径。
2.测量和计算能量输入和输出：对于能量流经过的每个环节，需要进行能量输入和输出的测量和计算。
常用的测量工具包括温度计、流量计、压力计等。
通过对能量输入和输出的测量和计算，可以得到能量平衡。
3.确定能量损失和效率：计算能量损失和能量转化的效率是能量分析的重要步骤。
能量损失的原因可以包括传热过程中的热损失、能量转化过程中的不完全转化等。
通过计算能量损失和效率，可以评估化工过程的能量利用情况。
4.优化能量利用：根据能量分析的结果，可以制定相应的措施来优化能量利用。
例如，通过改进设备设计、调整操作条件或采用新的能量转化技术来提高能量利用效率。
实例分析：乙烯生产过程的能量分析以乙烯生产过程为例，对其能量分析进行具体实例分析。
1.能量流路径：乙烯生产过程包括原料输入、反应转化和产物输出三个主要环节。
原料输入包括乙烷和空气，反应转化包括乙烷裂解生成乙烯，产物输出为乙烯。
2.能量输入和输出的测量和计算：通过测量乙烯生产过程中原料和产物的温度、流量和压力等参数，可以计算能量输入和输出。
如乙烷的燃烧产生的热量为能量输入，乙烯产物的冷却散热为能量输出。
第七章 化工工艺计算.
故，H2S的摩尔分数为 44.91/281.4=0.16 H2的摩尔分数为 236.49/281.4=0.84
⑤ 核对 。
⑥ 列物料衡算表，如下。
例7-5 P257
乙烷 99%
甲烷 1%
乙烷
裂解炉
炭
裂解气
H2 CH4 C2H2 C2H4 C2H6
, m
（2）单程转化率和全程转化率
为了提高原料的利用率，采用循环反应系统。
新鲜原料
循环物料
混合
反应
驰放物料 分离 产品
单程转化率——反应器
X
A
组分A在反应器中的转化量 新鲜原料中组分 A的量＋循环物料中组分
A的量
全程转化率——反应系统
X A,tot
组分A在反应器中的转化量 新鲜原料中组分 A的量
SP
W
B
P
对物料输入口节点A：FF+RC=MF 对物料输出口节点B: RC+W=SP 对分离器：RP=P+SP=P+RC+W 对整个反应：FF=P+W 对反应器：MF=RP
例1： 在银催化剂作用下，乙烯被空气氧化成环氧乙烷（C2H4O），副反应是 乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成是： C2H43.22%，N2 79.64% ，O2 10.81% ， C2H4O 0.83% ， CO2 5.5%(均为体积 分数)。该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而 其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余全部循环回氧 化反应器。
➢ H2进气量=10800×103 / 22.4×10-3=482.1kmol; m=964Kg
化工热力学 第七章习题答案
习 题 七 及 答 案一、问答题7-1. Rankine 循环与卡诺循环有何区别与联系? 实际动力循环为什么不采用卡诺循环?答：两种循环都是由四步组成，二个等压过程和二个等熵（可逆绝热）过程完成一个循环。
但卡诺循环的二个等压过程是等温的，全过程完全可逆；Rankine 循环的二个等压过程变温，全过程只有二个等熵过程可逆。
卡诺循环中压缩机压缩的是湿蒸汽，因气蚀损坏压缩机；且绝热可逆过程难于实现。
因此，实际动力循环不采用卡诺循环。
7-2. Rankine 循环的缺点是什么? 如何对其进行改进?答：Rankine 循环的吸热温度比高温燃气温度低很多，热效率低下，传热损失极大。
可通过：提高蒸汽的平均吸热温度、提高蒸汽的平均压力及降低乏汽的压力等方法进行改进。
7-3.影响循环热效率的因素有哪些?如何分析?答：影响循环热效率的因素有工质的温度、压力等。
具体可利用下式1L HT T η=- 分析确定哪些因素会改变L H T T 或，从而得到进一步工作的方案。
7-4．蒸汽动力循环中，若将膨胀做功后的乏气直接送人锅炉中使之吸热变为新蒸汽，从而避免在冷凝器中放热，不是可大大提高热效率吗? 这种想法对否? 为什么?答：不合理。
蒸汽动力循环以水为工质，只有在高压下才能提高水温；乏汽的压力过低，不能直接变成高压蒸汽。
与压缩水相比较，压缩蒸汽消耗的工太大，不仅不会提高热效率，反而会大大降低热效率。
7-5．蒸气压缩制冷循环与逆向卡诺循环有何区别与联系? 实际制冷循环为什么不采用逆向卡诺循环?答：两种循环都是由四步组成，二个等压过程和二个等熵（可逆绝热）过程完成一次循环。
但逆向卡诺循环的二个等压过程是等温的，全过程完全可逆；蒸气压缩制冷循环的二个等压过程变温，全过程只有二个等熵过程可逆。
Carnot 制冷循环在实际应用中是有困难的，因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机汽缸中形成液滴，造成“汽蚀”现象，容易损坏机器；同时压缩机汽缸里液滴的迅速蒸发会使压缩机的容积效率降低。
化工热力学习题答案 第一至五、第七章
第一章 绪论一、选择题（共3小题，3分）1、(1分）关于化工热力学用途的下列说法中不正确的是（ ) A 。
可以判断新工艺、新方法的可行性. B.优化工艺过程。
C.预测反应的速率.D 。
通过热力学模型，用易测得数据推算难测数据；用少量实验数据推算大量有用数据。
E 。
相平衡数据是分离技术及分离设备开发、设计的理论基础。
2、（1分）关于化工热力学研究特点的下列说法中不正确的是（ ) （A )研究体系为实际状态。
(B )解释微观本质及其产生某种现象的内部原因。
（C ）处理方法为以理想态为标准态加上校正。
（D ）获取数据的方法为少量实验数据加半经验模型。
（E ）应用领域是解决工厂中的能量利用和平衡问题。
3、（1分)关于化工热力学研究内容,下列说法中不正确的是（ ）A 。
判断新工艺的可行性. B.化工过程能量分析。
C.反应速率预测. D 。
相平衡研究参考答案一、选择题(共3小题，3分） 1、(1分)C 2、(1分）B 3、(1分）C第二章 流体的PVT 关系一、选择题（共17小题，17分）1、(1分)纯流体在一定温度下，如压力低于该温度下的饱和蒸汽压,则此物质的状态为（ ）。
A ．饱和蒸汽 B 。
饱和液体 C ．过冷液体 D.过热蒸汽2、(1分)超临界流体是下列 条件下存在的物质.A 。
高于T c 和高于P c B.临界温度和临界压力下 C.低于T c 和高于P c D.高于T c 和低于P c3、（1分)对单原子气体和甲烷，其偏心因子ω,近似等于 。
A 。
0 B 。
1 C 。
2 D 。
34、（1分）0.1Mpa ，400K 的2N 1kmol 体积约为__________A 3326LB 332.6LC 3.326LD 33.263m5、(1分）下列气体通用常数R 的数值和单位，正确的是__________ A K kmol m Pa ⋅⋅⨯/10314.833B 1。
987cal/kmol KC 82.05 K atm cm /3⋅D 8.314K kmol J ⋅/ 6、（1分）超临界流体是下列 条件下存在的物质。
化工热力学总结
∑ (m s )
j
j j out
＞ ∑ ( m is i ) in
i
对于可逆绝热过程， 对于可逆绝热过程， ∆Sg = 0，则有： ，则有：
∑ (m s )
j
j j out
= ∑ (misi )in
i
三、温熵图
1
P1 P2
T
2 T 3 6 4
T2/ T2
2/ 2
5
S 图4-9 节流膨胀过程
S 图4-10 等熵膨胀过程
三、液体热力学性质： 液体热力学性质： 流体体积膨胀系数β的定义： 流体体积膨胀系数 的定义： 的定义
1 ∂V β= V ∂T p
dH = C p dT + V (1 − β T )dp
dS = C
p
dT − β Vdp T
第四章重点内容
1.闭系非流动过程的能量平衡 1.闭系非流动过程的能量平衡： 闭系非流动过程的能量平衡
第六章重点内容
一、理想功和损耗功
Wid = −∆H + T0 ∆S
对于化学反应来说
Wid = −∆H + T0 ∆S
θ
θ
θ
= − ∆H − T0 ∆S = −∆G
θ
(
θ
)
WL = Wid − Ws
高乌—斯托多拉公式 高乌 斯托多拉公式
W L = T0 ∆ S t 或 W L = T0 ∆ S g
TH 273.15 + 90 ω= = = 4.035 TH − TL 90 − 0
最大供热量为： 最大供热量为：
QH = ω Ws = 4.035 ×10 = 40.35kJ / s
从环境吸收的热量为： 从环境吸收的热量为：
化工热力学绪论要点
5.想得到1 000 mL 60℃的热水，可用2种办法来获得：(1)取
1 000 mL水直接加热到60℃；(2)取一定量的水加热到100℃，
再与一定量的常温水混合得到l 000 mL60 的热水．哪种方法
更加节能？
2018/10/7 2
Shanghai university
反应物 A
+
反应物 B
产物C或D或E？
可行性问题：A和B 作用，能否得到目标 产物C？需要什么分 离条件？ 解决方法：化工热力 0 学——用GT , p 判 断
2018/10/7
化学平衡问题：什么工艺条件 下目标产物C的产率最高？ 解决方法：化工热力学——用 GT , p 判断 0
5
Shanghai university
化工热力学
Chemical Engineering Thermodynamics
上海大学环境与化学 工程学院化工系
2018/10/7
1
Shanghai university
1.水变油？
2.为什么在冬天，液化气钢瓶中还有较多液体却不能点燃？
3.节能是和谐社会所倡导的重要理念，但节能的实质与依据是 什么？ 4.从天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超临界萃取技 术，萃取剂为何常选用CO2？
2.分离问题 A和B 含A、B、C、D、 E 的混合物 纯C D和E
进一步参加反应
所需产品 副产物
怎样分离，才能得到纯物质C?
相平衡
能量的有效利用
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Shanghai university
三、化工热力学的任务与内容
单相系 统相平衡
物性研究： 密度、热容、焓、 熵、逸度系数、活 度系数
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基本概念
2.体系分类：
根据体系与环境的关系，将体系分为三类：
（1）敞开体系
体系与环境既有物质交 换，又有能量交换
（2）封闭体系 体系与环境没有物质交 换，有能量交换
基本概念
（3）孤立体系
体系与环境既无物质交换，又无能量交换。 又被称为隔离体系。 有时又把封闭体系和环境一起作为孤立体系 研究
基本概念
3.状态和状态函数 状态：指某一瞬间体系所呈现的宏观状况； 状态函数：体系某些宏观热力学性质是所处
状态的单值函数，称为状态函数。如p、V、 T、U、H、A、G
状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复 始变化零
基本概念
4.过程： 指体系从一个平衡状态到另一个平衡状态的 转换。 描述一个过程一般包括：始态、末态、途径
对于没有摩擦的流体 流动过程，可以视为 可逆过程
dH＝TdS Vdp
Q＝TdS
7 12
Vdp＋udu gdZ WS
V是单位质量的体积
无轴功，积分
V 1
p u2 gZ 0
2
例题
30℃的空气，以5m/s的速率流过一个垂直安装的 换热器，被加热至150℃，若换热器进出口管直 径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高 度为3m，空气的恒压平均热容为 CP 1.005kJ /kg K 试求50kg空气从换热器吸收的热量。
Q2 T2
化学反应 Q 反应热
相变
相变热
温度变化 △H 显热
稳流系统热力学第一定律的应用
H
1 2
u2
gZ
Q
Ws
（3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀
过程或绝热闪蒸过程
T
2
如：冷冻过程通过节流阀， 焓未变，通过等焓线，但温 度降低。
TH
43
等
焓
线
TL
5
1
S
稳流系统热力学第一定律的应用
H
1 2
u2
gZ
Q
➢ 物质的能量（以1kg为基准） • 热力学能：U=f（T，p，x），分子尺度层面上的物质内
部 的能量 • 动能：EK=1/2u2 • 势能（位能）：Ep=gZ ➢ 能量的传递： • 热:Q • 功:W
热力学第一定律
• 热力学第一定律—能量守恒和转换定律：自然界 中的一切物质都具有能量，能量有不同的形式， 能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一 定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变 过程中总能量是守恒的。
H
1 2
u2
gZ
Q
Ws
（1）流体通过压缩机、膨胀机、透平等设备
若与环境绝热，或热交换相对较小，可以得到：
H1
高温高压蒸汽带动透平做功 H2
稳流系统热力学第一定律的应用
H
1 2
u2
gZ
Q
Ws
（2）流体流经换热器、反应器等传质设备
用于精馏、蒸发等过程换热器的设计。
当通过反应器、换热 器时，体系发生反应、 相变化、温度变化
T1 T2 Q1 Q2
T1
Q1
Q1 Q2 0 T1 T2
无限小的可逆的卡诺热机有：
Q1 Q2 0 任意的可逆循环
T1
T2
Qrev 0
T
dS Qrev
T
可逆热温商---熵
熵是状态函数
熵增原理
W Q1 Q2 1 Q2
Q1
Q1
Q1
max
T1 T2 T1
1 T2 T1
开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变 为有用的功而不引起其他变化
自发的过程是不可逆的
热机的热效率
高温热源 T1
W Q1 Q2
Q1
Q1
火力发电厂的热效率大约为35%
卡诺热机的效率
W Q1 Q2 T1 T2 Q1 Q2
Q1
Q1
T1
Q1
低温热源 T2
热与功不等价
熵的概念
7.2 能量的质量和级别
水往低处流
热力学第二定律说明 自发过程具有一定的 方向性，而不是按照 任意方向进行
气体由压向低压膨胀
热由高温物体 传向低温物体
• 第一定律告诉我们能量必须守衡，但没有 说明过程发生的方向。
• 第二定律告诉我们过程进行的方向。
热力学第二定律的各种文字表述
克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高 温物体
H
1 2
u2
gZ
Q
Ws
H CPT
pV const RT
Z 3
p1V1 p2V2 RT1 RT2
u2 V2 T2 u1 V1 T1
思考题
• 1. 从稳定流动系统的热力学第一定律简化， 能否得到物化课程中学习的封闭系统的热 力学第一定律，怎样简化？
• 2. 从能量利用的角度分析：在夏天，打开 冰箱门来降低房间的温度合适吗？
Ws
（4）流体通过喷管获得高速气体（超音速）,或者通过扩压管
例如：火箭、化工生产中的喷射器
1 u2
2
H
H1 H2
1 2
u22 u12
若u2 u1
u2 2H1 H2
稳流系统热力学第一定律的应用
（5）伯努利（Bernoulli）方程
H
1 2
u2
gZ Q
微分
Ws
dH udu gdz δQ δWs
V
Z1
WS
W f F l pA A pV
W W1 f W2 f WS p1V1 p2V2 Ws
WS pV
A2 u2 p2,T2,V2,U2
Z2
U
1 2
u2
gZ
Q
Ws
pV
稳流系统热力学第一定律
U
1 2
u2
gZ
Q
Ws
pV
单位：J/kg
化工中常见的稳流装置
稳流系统热力学第一定律的应用
稳定流动系统
➢ 敞开体系：体系和环境有物质和能量的交换 ➢ 流动过程有如下特点 （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。
u1
p1,T1,V1,U1 △U＋ △Ek+ △Ep＝ Q+W
A1
Ek
1 2
u22
1 2
u12
E p gZ2 gZ1
Q
W W f＋WS
第7章 化工过程能量分析
7.1 能量守恒与转化——热力 学第一定律
主要内容
• 基本概念 • 稳定流动系统热力学第一定律表达式 • 稳流系统热力学第一定律应用
基本概念
1.体系与环境 体系（system）：被划定的研 究对象称为体系，也称为系统 或物系。 环境（Surroundings）：与体 系密切相关的，有相互作用或 者影响的其余部分。
基本概念
5.热和功 （1）热和功不是状态函数，它们与经历的途径有
关； （2）它们只是能量的传递形式，而不是储存形式。
当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是物 质的能量。 （3）符号规定： Q:体系吸热为正，放热为负 W:体系得功为正，做功为负
能量的形式
➢ 化工过程涉及到的能量有两大类：物质的能量和能量的传 递。