第7章化工过程能量分析
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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
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
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。
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
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
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。
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
Q2 T2
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
➢ 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。
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
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
ห้องสมุดไป่ตู้
5
1
S
稳流系统热力学第一定律的应用
H
1 2
u2
gZ
Q
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
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？
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。
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
气体由高压向低压膨胀
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
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
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
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。
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
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
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。
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
Q2 T2
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
➢ 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。
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
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
ห้องสมุดไป่ตู้
5
1
S
稳流系统热力学第一定律的应用
H
1 2
u2
gZ
Q
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
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？
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。
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
气体由高压向低压膨胀
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