第5章 化工過程的能量分析

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化工熱力學(xué)

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2023-8-20

化工熱力學(xué)

本章內(nèi)容5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)

5.1熱力學(xué)第一定律與能量平衡方程5.2熱功轉(zhuǎn)換5.3熵5.4理想功和損失功5.5火用及其計算上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄

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化工熱力學(xué)

5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)1、體系與環(huán)境環(huán)境體系

2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)3、過程4、熱和功2023-8-20

化工熱力學(xué)

1、體系與環(huán)境體系(System)在科學(xué)研究時必需先確定研究對象，把一部分物質(zhì)與其余分開，這種分開可以是實際的，也可以是想象的。這種被劃定的研究對象稱為體系，亦稱為物系或系統(tǒng)。環(huán)境(surroundings)與體系密切相關(guān)、有相互作用或影響所能及的部分稱為環(huán)境。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄

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化工熱力學(xué)

體系分類根據(jù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：(1)敞開體系體(2)封閉體系系與環(huán)境之間既有物質(zhì)體系與環(huán)境之間無物交換，又有能量交換。質(zhì)交換，但有能量交換。

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化工熱力學(xué)

體系分類(3)孤立體系(isolatedsystem)體系與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換，又無能量交換，故又稱為隔離體系。有時把封閉體系和體系影響所及的環(huán)境一起作為孤立體系來考慮。

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化工熱力學(xué)

5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)：某一瞬間體系浮現(xiàn)的宏觀狀況。平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下，假使體系的宏觀狀態(tài)不隨時間而改變，則稱體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。熱平衡，力平衡，相平衡，化學(xué)平衡，即溫度差，壓

力差，化學(xué)位差均為零。

狀態(tài)函數(shù)：由于體系的各種宏觀性質(zhì)，是所處狀態(tài)的單值函數(shù)，所以熱力學(xué)把各種宏觀性質(zhì)稱為狀態(tài)函數(shù)。2023-8-20常用的狀態(tài)函數(shù)有P,V,T,U,H,S,A,G

化工熱力學(xué)

5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)“狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等，周而復(fù)始變化零。〞循環(huán)過程：狀態(tài)1狀態(tài)3狀態(tài)2

△H=0,△U=0,△V=0,△S體系=0(當(dāng)然△S總≠0)2023-8-20

化工熱力學(xué)

5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)3、過程指體系自一平衡狀態(tài)到另一平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.對某一過程的描寫：初態(tài)+終態(tài)+路徑.

不可逆過程：一個單向過程發(fā)生之后一定留下一些痕跡，無論用何種方法也不能將此痕跡完全消除，在熱力學(xué)上稱為不可逆過程.凡是不需要外加功而自然發(fā)生的過程皆是不可

逆過程(自發(fā)過程)。如：爆炸、節(jié)流、氣體向真空自由膨脹等2023-8-20

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5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)可逆過程：當(dāng)體系完成某一過程后，假使令過

程逆行而能使過程中所涉及的一切(體系及環(huán)境)都回復(fù)到原始狀態(tài)而不留下任何變化，則此過程稱為可逆過程.——無限小的沙子。

拿走一粒無限小的沙子，dP減少無限小，推動力無限小，可以忽略不計。P,V,T帶活塞的氣缸

注意：

1)可逆過程一旦發(fā)生，不僅體系能恢復(fù)到原來狀態(tài)，而且而環(huán)境也能恢復(fù)到原來狀態(tài)而不留下任何痕跡。(循環(huán)過程是否是可逆過程？)2023-8-20

化工熱力學(xué)

2)若是可逆過程，位的梯度即推動力需為無限?。蝗舸嬖谕苿恿t是實際過程，而非可逆過程。3)可逆過程是實際過程中只能趨近而永遠(yuǎn)不能實現(xiàn)的理想過程，其本質(zhì)是狀態(tài)變化的推動力與阻力無限接近，體系始終無限接近平衡狀態(tài)。4)但它是熱力學(xué)中極為重要的概念，是作為實際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)。若說某體系效率為80%,是指與可逆過程比。5)可逆過程是效率最高的過程。體系對外做最大功。體系對外吸收最小功。6)好多熱力學(xué)關(guān)系式是在可逆過程的前提下推導(dǎo)出來的。如：QdS2023-8-20

T

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5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)4、熱和功1)熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，與途徑有關(guān)。2)熱和功只是能量的傳遞形式，而不是貯存形

式。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。ΔU=Q+W熱力學(xué)第一定律3)依照國際規(guī)定:Q:體系吸熱為正，Q0,體系放熱為負(fù),Q0;W:環(huán)境對體系作功,W0,體系對環(huán)境作功,W02023-8-20

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5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)特別提醒：過去的教材中習(xí)慣用U=Q-W表示，兩種表達(dá)式完全

等效，只是W的取號不同。用該式表示的W的取號為：環(huán)境對體系作功，W0;體系對環(huán)境作功，W0。本新版教材用的是ΔU=Q+W,敬請注意！

4)熱的推動力是溫差。

功的推動力是除溫差以外的位的梯度。5)熱量的傳遞是無序的，熱量是規(guī)格低的能量。功的傳遞是有序的，功是規(guī)格高的能量。2023-8-20

化工熱力學(xué)

5.1熱力學(xué)第一定律與能量平衡方程

5.1.1熱力學(xué)第一定律

5.1.2穩(wěn)定滾動體系的熱力學(xué)原理5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用

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5.1.1熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

ΔU=Q+W只適合封閉體系!!!

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化工熱力學(xué)

5.1.2穩(wěn)定滾動體系的熱力學(xué)原理穩(wěn)定滾動敞開體系

穩(wěn)定、連續(xù)、流進(jìn)、流出，不隨時間變化，沒有能量和物料的積累?；み^程中最常用

不能用ΔU=Q+W來表達(dá)!!!上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄

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化工熱力學(xué)

能量的形式化

工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：物

質(zhì)的能量、能量傳遞的兩種形式。1、物質(zhì)的能量E(以1kg為基準(zhǔn))動能：Ek=u2/2內(nèi)能：U=f(T,P,x)位能：EP=gZ

2、能量傳遞的兩種形式(以1kg為基準(zhǔn))在各種熱力學(xué)過程中，體系與環(huán)境之間常發(fā)生能

量的傳遞，能量傳遞的形式有兩種，即熱和功。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄

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化工熱力學(xué)

熱:系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交換的能量，用Q表示。規(guī)定：系統(tǒng)獲得的熱量，其值為正；反之為負(fù)。功W:1.對滾動系統(tǒng)：包括兩部分(1)流體通過機械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的能量，稱為軸功Ws。(2)物料在連續(xù)滾動過程中，由于流體內(nèi)部相互推動所交換的功，稱為滾動功Wf=PV。管道截面積A[m2]滾動功=F.S=(P.A).(V/A)1kg流體=PV[J/Kg]V[m3/kg]2023-8-20

P

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2.對非滾動系統(tǒng)，特定設(shè)備(如帶活塞的氣缸)中，因流體體積改變而與環(huán)境交換的能量，