第讲 能量平衡方程

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2018年10月5日星期五
一、能量的种类
 (1) 内能U 。系统内部所有粒子除整体势能和整体动能 外，全部能量的总和。包括分子内动能、分子内势能和 分子内部的能量。  (2) 动能 Ek 。如果物质具有质量 m ，并且以速度 u 运 动，物系就具有动能。  (3) 重力势能 Ep 。如果物质具有质量m ，并且与势能基 准面的垂直距离为z，物系就具有势能。  (4) 热Q。由于温差而引起的能量传递。 Q 需要正负号 来表示能量传递方向。在化工热力学中，规定物系得到 热时Q 为正值，相反的，物系向环境放热时Q 为负值。
二、热力学第一定律
孤立系统热力学第一定律
 孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。孤立系 统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭 空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进 行转化时，总的能量数值保持不变。
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二、热力学第一定律
封闭系统的热力学第一定律 封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物 质交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的 动能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第 一定律可表示为
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三、能量平衡方程
 能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。 能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如 动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函 数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常 见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有 关。 热量是因为温度差别引起的能量传递，做功是由 势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质 不同且与过程传递方式有关的能量形式。
 讨论：
 (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备
这些设备中没有轴传动的结构， Ws=0 ；另外，考虑动 能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能 项可以忽略，因此，稳流系统热力学第一定律可化简 为：
 结论：换热器热负荷可由焓变来确定
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
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三、能量守恒与转换
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。 体系在过程前后的能量变化 ΔE 应与体系在该 过程中传递的热量Q与功W相等。
E Q W
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游 流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但 是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。
 H =U +pV
 ∴
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 稳定流动，简称稳流（稳流系统 ）  (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
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
来自百度文库
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
   对任一体系，有如下衡算： 进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量 由此可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式 物料平衡方程：

dm体系 m1 m2
 能量平衡方程：
dE体系 Q W
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6.1.2 能量平衡方程 流体从截面I通过设备流到截面II，在截面I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II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 2 (u /2)，势能(gZ)和热力学能(U)。
第6章 化工过程的能量分析 化工过程需要消耗大量能量，能量在过程中品 位降低 提高能量利用率、合理地使用能量 用热力学的观点、方法来指导能量合理使用 化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定 律和热力学第二定律
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第6章 化工过程的能量分析 物化利用热力学两大定律可以计算过程的热和 功，判断过程的方向和限度 物化介绍两大定律在封闭系统中的应用，在实 际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体 系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课 程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用
内能的变化： 动能的变化为：
重力势能的变化为： 环境与单位质量的研究体系之间交换的热量 为Q；而交换的功W 除了轴功Ws 之外，还有另 外一种功—流动功Wf。
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 在截面1 处的流动功W1f 为：
 截面2 处的流动功W2f 为：
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一、能量的种类
 （ 5 ）功 W 。 除热 Q 之外的能量传递。与热 Q 一 样，功W 也是物系发生状态变化时与环境交换的 能量，只是W 是另一种形式。在化工热力学中对 于功 W 也做了正负号的规定。物系得到功为正 值；而物系向环境做功为负值。
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 (2) 流体流经泵、压缩机、透平等设备  在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相 比较，可以忽略 。 若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所 做功的数值相比可忽略不计 。
结论：从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力
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四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 (3) 流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴  流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，Q=0； 设备没有轴传动结构，Ws =0 ；流体进出口高度变化 不大，重力势能的改变可以忽略
 结论：流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的 截面积，将流体自身的焓转变为了动能。
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6.1.2 能量平衡方程
I
P1,Z1,V1 u1,δm1
Q
换 热 器
m,E
透 平 机
P2,Z2,V2 u2,δm2 II
Ws
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6.1.2 能量平衡方程