化工计算能量衡算.pptx

二 、位能（EP）（势能） ——物体由于在高度上位移而具有的能量。
EP mgz
化工装置中EP与内能相比很小，通常可忽略
三、内能（U） 物质除了宏观的动能和势能外所具有的能量。
纯组分：U=U（T，V）
取全微分
U V T 所以
dU U dT U dV
T V
V T
通常很小，则有：
一、热量（Q） ——为体系和环境间因有温差而引起传递的能量。
注意：
（1）热量是能量传递的一种形式，仅在过程中体 现出来，它不是体系的性质。热量无法测量和计 算出来（不同过程Q不同）。 （2）只有存在温差时才会有热量传递。 （3）热量由环境向体系传递Q>0，反之，Q<0。
二、功W ——力与在力的方向上位移的乘积
间歇过程一般有： EK 0, EP 0
U Q WS （封闭体系的热力学第一定律）
EK 0, EP 0 稳流过程的热力学第一定律变为：
H Q WS 比较两式使用条件
例题 每小时500千克蒸汽驱动涡轮，进涡轮的蒸 汽压力为44atm、450C，线速度为60m/S，蒸汽 离开涡轮的部位在涡轮进口位置以下5m，常压， 速度为360m/S。涡轮轴功700kW，涡轮热损失估 计为10000kcal/h，计算过程的H的变化值(kJ/kg)。
H (miHi )2 (miHi )1
EK
(
miui2 2
)2
(
miui2 2
)1
EP (mi gZi )2 (mi gZi )1
此时：Q——输入体系的总热量； WS——输入体系的总轴功。
几种特殊情况下总能量衡算普遍式可简化： （1）绝热过程（Q=0），且 EK 0, EP 0
H W
（2）无做功过程（W=0）且 EK 0, EP 0
H Q
（3）无功、热传递过程，且 EK 0, EP 0
H 0 （等焓过程）
二、间歇过程的总能量衡算（封闭体系）
设备为刚性，无流动功时，(PV ) 0
U
u 2 2
ห้องสมุดไป่ตู้
gZ
Q WS
或
U EK EP Q WS
间歇过程（封闭体系总能量衡算基本方程 ）
0.139 3602 602 2
8760 J S 8.76kW
EP mgz2 z1 0.139 9.81 5
6.82 J S 0.00682kW
T2
U2 U1 CV dT
T1
dU CV dT 0
我们仅可计算内能变化值或计算相对于某个 参考态的内能而无法求U的绝对值。
动能
能量
宏观能量
势能
分子势能
内能
键能 分子动能
平动能
转动能 振动能
宏观能量——构成体系的物质作为一个整体所具有
的能量。
内能——构成体系的微观粒子（分子）所具有的能量。
4—2 几个与能量衡算有关的重要的物理量
gZ 2
P2V2
U
u 2 2
gZ
(PV )
Q
WS
U EK EP PV Q WS
由于H=U+PV
H1
u12 2
gZ1
Q WS
H2
u22 2
gZ 2
H
u 2 2
gZ
Q
WS
H EK EP Q WS
（稳流过程的热力学第一定律）总能量衡算普遍式
当物流中有多个组分时，无混合焓变（理想 溶液），i组分量为mi时，
注意：因H绝对值不可求，故图表上均有一 定基准态。衡算时各物料H的基准态应一致。
四、热容 ——一定量的物质改变一定温度所需要的热量。
Q mCT dQ mC(T )dT
Tf
Q m C(T )dT
Ti
P一定，C P
Q T P
Tf
QP m CP dT
Ti
体积一定 则
CV
(
Q T
)
V
5—3 总能量衡算
一、连续稳定流动过程的总能量衡算 衡算体系：1—1与2—2截面间的部分，地平线为 基准面，取1千克物料为计算基准。
2 换热器
泵
U1 u1 1 P1A1
W Z1
U2 u2 P2A2 Q
Z2
PV F Au Fu A
由能量守恒关系
U1
u12 2
gZ1
P1V1
Q WS
U2
u22 2
可以计算出来。 强度性质——不随组成体系的物料的量的变化而
变化的性质。
如T、P、ρ等。
广延性质（容量性质）——体系性质的值等于组成体 系的各部分相应值之和 。
如：m、V、H、S、G等等。
4—1 能量的形式
一、动能（EK）
——物质由于宏观运动而具有的能量。
EK
1 mu2 2
通常与内能相比，体系EK很小，可忽略。
解：画出流程简图
汽轮 500kg 44atm、 450C 60m/S
Q= -10000kcal/h
500kg 1atm、
机
360m/S
5m
W= -700kW
由式 H EK EP Q WS
H Q WS EK EP
m=500/3600=0.139kg/S
EK
m 2
u
2 2
u12
第四章 能量衡算
第一节 概述 第二节 能量衡算的基本方法和步骤 第三节 无化学反应过程能量衡算 第四节 化学反应过程的能量衡算 第五节 加热剂、冷却剂及其他能量消耗的
计算
能量衡算的重要性 影响设备选型、结构、尺寸设计及操作； 影响经济性。
两类问题:设计型和操作型
第一节 概述
几个概念： 性质——指物料的特性，它可以被测量出来或 者
Tf
QV m CV dT
Ti
因为 则
Cp
H T
P
Q T P
Tf
H m CP dT
Ti
若在Ti~Tf间Cp可看为常数，则有
H mCPT
第二节 能量衡算的基本方法和步骤
依据是能量守恒定律
输入的能量－输出的能量=积累的能量 注意：各种形式的总能量守恒，但具体至某种形 式的能量不一定守恒。
T P
P T
H
P T
一般很小，所以
T2
H 2 H1 C P dT
T1
高压过程（非理想气体） H 要考虑 ，
P T
H、U均为状态函数，其仅与体系所处的状态有关， 而与过程具体途径无关。（这对能量衡算十分重要）。
H可由工具书查取，T—H 图，C—H图上查取； 焓值表查取（附录八、附录九）。
化工中常见功
体积功 流动功
注意：
轴功
（1）W也是能量的传递形式，不是体系的性质， 仅在过程中体现出来，所以不能说体系有多少功。
（2）环境向体系做功，W>0，反之，W<0。
功和热是能量传递的两种不同的形式。
三、焓H
定义式：H=U+PV 纯物质： H=H（T，P）
对H全微分 dH H dT H dP