熱力化學(xué)第四章 熱力學(xué)第一定律

化工熱力學(xué)ChemicalEngineeringThermodynamics華北科技學(xué)院第四章熱力學(xué)第一定律能量平衡式4.1閉系非流動(dòng)過(guò)程的能量平衡體系能量的變化=體系與環(huán)境交換的凈能量即：封閉體系非流動(dòng)過(guò)程的熱力學(xué)第一定律：

4.2開(kāi)系通用的能量平衡方程1.開(kāi)系穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡1)外部環(huán)境對(duì)流體提供的能量(對(duì)于1kg流體):

①外功(ws)—凈功或有效功，J/kg；②熱量(q)—獲得的熱量，J/kg；規(guī)定：外界提供給流體功，ws為正；流體傳遞給外界功，ws為負(fù)。穩(wěn)流過(guò)程狀態(tài)是穩(wěn)定的

流動(dòng)是穩(wěn)定的4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡①內(nèi)能U:J/kg；②位能:③動(dòng)能:2)流體在流動(dòng)過(guò)程中本身所具有的能量(對(duì)于1kg流體):mkg：位能=mgZ，J④靜壓能(壓強(qiáng)能)1kg：位能=gZ，J/kgm

kg-Vm3：靜壓能=pV，J1kg-V/mm3

：靜壓能，J/kgmkg：動(dòng)能=mu2/2，J1kg：動(dòng)能=u2/2，J/kg4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡總能量衡算式依據(jù):輸入總能量=輸出總能量流動(dòng)系統(tǒng)衡算范圍：1-1

至2-2截面衡算基準(zhǔn)：1kg不可壓縮流體基準(zhǔn)水平面：0-0平面4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡P97，例4-11kg流體穩(wěn)流能量衡算式mkgmkg流體穩(wěn)流能量衡算式4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡(1)機(jī)械能平衡方程式（柏努利方程）：流體不可壓縮→ρ=常數(shù)=1/v，v△p=△p/ρ無(wú)熱、無(wú)軸功交換→q=0，ws=0理想流體，無(wú)粘性→摩擦損耗hf=0，△U=0條件△h=△U+v△p2.穩(wěn)流過(guò)程能量平衡的簡(jiǎn)化形式4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡(2)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)方程式

條件：可壓縮，與外界無(wú)熱、無(wú)軸功交換。根據(jù)此式可計(jì)算流體終溫、質(zhì)量流速、出口截面積等，因此它是噴管和擴(kuò)壓管的設(shè)計(jì)依據(jù)。可逆，

∴為等熵過(guò)程

節(jié)流：△H≈0，等焓過(guò)程

孔板、閥門(mén)、多孔塞p↓，?u≈04.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡b.無(wú)熱交換（絕熱）

或(3)與外界有大量熱、軸功交換的穩(wěn)流過(guò)程

(動(dòng)能≈0，位能≈0)或a.有大量熱、無(wú)軸功交換，Ws=0

換熱器、反應(yīng)器泵、壓縮機(jī)、透平P99，例4-2，3體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相變化，溫度變化，與環(huán)境交換的熱量（反應(yīng)熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡3.軸功(1)可逆軸功Ws(R)的計(jì)算：

①對(duì)于靜止的或流動(dòng)的封閉體系單位質(zhì)量流體：

無(wú)任何摩擦損失的軸功液體ws(R)=v△p②絕熱可逆過(guò)程(等熵)：

4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡3.軸功(2)實(shí)際軸功Ws的計(jì)算：

產(chǎn)功設(shè)備(透平)：

耗功設(shè)備：

ηm：機(jī)械效率其大小與機(jī)器制作水平有關(guān)P105，例4-4，5可逆軸功為最大功可逆軸功為最小功4.熱量衡算4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡熱量衡算：無(wú)軸功交換，只有熱交換過(guò)程的能量衡算。穩(wěn)流過(guò)程的熱量衡算的基本關(guān)系式：

△H=Q4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡四種熱效應(yīng)：

顯熱――物流的溫度變化潛熱――物流的相變化混合熱效應(yīng)――多股物流混合反應(yīng)熱效應(yīng)――化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量衡算方法：(四選擇)選擇控制體（研究對(duì)象）；

選擇物流量（計(jì)算基準(zhǔn)）；選擇基準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)溫度）；選擇初始態(tài)（設(shè)計(jì)最佳途徑）。

4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡A物流B物流TA1TA2TB1TB2QBQAQL換熱器熱平衡物流A：溫度TA1→TA2，放熱QA，流量mA，平均等壓熱容CpmhA物流B：溫度TB1→TB2，吸熱QB，流量mB，平均等壓熱容CpmhB換熱器：熱損失QL對(duì)于換熱器，△H=Q△H=△HA+△HB，Q=QL=QA+QB△HA=mACpmhA(TA2-TA1)△HB=mBCpmhB(TB2-TB1)換熱器的熱量平衡式：QL=mACpmhA(TA2-TA1)+mBCpmhB(TB2-TB1)4.3穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡循環(huán)氣：流量mG，冷凝氨量mL

，溫度TG1→TG2，CpmhG，△hL液氨：流量mA，汽化液氨量mA

，溫度TA1→TA2，CpmhA，△hA氨冷器：熱泄入QL對(duì)于氨冷器，△H=△HG+△HA=QL△HA=mACpmhA(TA2-TA1)+mA△hA△HG=mGCpmhG(TG2-TG1)+mL△hL氨冷器的熱量平衡式：QL=mACpmhA(TA2-TA1)+mA△hA+mGCpmhG(TG2-TG1)+mL△hL循環(huán)氣入TG1液氨TA1QL氨冷器熱平衡氣氨TA2循環(huán)氣出TG2常用于壓縮氣體的機(jī)械有：

壓縮機(jī)(終壓＞0.3MPa，壓縮比＞4)

鼓風(fēng)機(jī)(終壓0.015～0.3MPa，壓縮比＜4)

通風(fēng)機(jī)(終壓＜0.015MPa(表壓)

按運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，壓縮機(jī)往復(fù)式葉輪式4.4氣體壓縮過(guò)程概述外界輸入功1.壓縮過(guò)程熱力學(xué)分析4.4氣體壓縮過(guò)程理想壓縮過(guò)程：整個(gè)過(guò)程均為可逆，不存在任何摩擦損耗，輸入的功完全用于壓縮氣體。

往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過(guò)程示意圖：

排氣活門(mén)吸氣活門(mén)沖程活塞沖程：活塞從一端到另一端的行程距離稱(chēng)為沖程或行程4.4氣體壓縮過(guò)程pV12c2a2b31、恒溫壓縮過(guò)程：

pV=常數(shù)，-Q=W(s)

2、絕熱壓縮過(guò)程：pVK=常數(shù)，△H=W(S)3、多變壓縮過(guò)程：

pVm=常數(shù)

1<m<K往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮過(guò)程示意圖絕熱(Ws，T2，V2)>多變(Ws，T2，V2)>等溫(Ws，T2，V2)V12.單級(jí)壓縮機(jī)可逆軸功的計(jì)算4.4氣體壓縮過(guò)程(1)等溫壓縮(2)絕熱過(guò)程△H=Q+Ws等溫△H=0，Ws(R)=-QQ=0pVK=常數(shù)Ws(R)由T1和壓縮比p2/p1決定∫P1P2VdpWs=△H=理想氣體：pV=RT

4.4氣體壓縮過(guò)程式中，K為絕熱指數(shù)，與氣體性質(zhì)有關(guān)。理想氣體K的取值：

單原子氣體：K=5/3雙原子氣體：K=7/5三原子氣體：K=4/3混合氣體的絕熱指數(shù)Km：Ki：某組分的絕熱指數(shù)yi：某組分的摩爾分?jǐn)?shù)4.4氣體壓縮過(guò)程(3)多變壓縮式中，m為多變指數(shù)。pVm=常數(shù)(4)真實(shí)氣體壓縮功a.

Z變化不大：取平均值：Zm=(Z進(jìn)

+Z出)/2，將Zm看成常數(shù)真實(shí)氣體壓縮功=Zm×理想氣體壓縮功b.

Z變化大：絕熱過(guò)程：

△H=Ws(R)多變過(guò)程：Ws(R)=△H-QP114，例4-84.4氣體壓縮過(guò)程3.多級(jí)壓縮功的計(jì)算

多級(jí)壓縮可用適當(dāng)?shù)膲嚎s比，并且各級(jí)都設(shè)有中間冷凝器，使之更趨近于等溫壓縮。

多級(jí)壓縮所消耗的總功=各級(jí)壓縮所消耗功的代數(shù)和。

氣體的壓縮，為了減少總的功耗，通常都是采用多級(jí)壓縮。4.4氣體壓縮過(guò)程6多級(jí)壓縮示意圖1.汽缸5.中間冷凝器2.中間冷凝器4.汽缸油水分離器3油水分離器4.4氣體壓縮過(guò)程AHpIBGCFEDV二級(jí)壓縮p-V圖單級(jí)等溫壓縮：功為ABFHA所包圍的面積單級(jí)絕熱壓縮：功為ABDHA所包圍的面積二級(jí)絕熱壓縮：ABCGEHA所包圍的面積

陰影部分面積：二級(jí)絕熱壓縮節(jié)省的功4.4氣體壓縮過(guò)程

設(shè)，某理想氣體由p1壓縮至pS+1(S級(jí)壓縮)，總功耗為各級(jí)壓縮功之和：各級(jí)進(jìn)氣溫度相同，且為理想氣體。故：因此上式寫(xiě)成：ws(R)絕對(duì)值最小的條件：它對(duì)中間各壓力的一階偏導(dǎo)數(shù)=0于是得:

(壓縮比)4.4氣體壓縮過(guò)程所以最適宜的壓縮比代入表示總功的式子，則：r相同，各級(jí)功耗也相同，ws(R)，1=ws(R)，2=……ws(R)，s4.氣體壓縮的實(shí)際功耗4.4氣體壓縮過(guò)程