第4章热力学第一定律.

第四章热力学第一定律及其应用化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。进行化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定律热力学第二定律在“物化”课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。但“物化”上着重介绍两大定律在封闭系统中的应用，而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。4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质4.1.2能量平衡方程4.1.3能量平衡方程的应用4.1.4气体压缩4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的，能量也是守恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质用数学式来表示就是Δ（体系的能量）+Δ（环境的能量）=0或Δ（体系的能量）=-Δ（环境的能量）4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们简单回顾一下有关体系的概念封闭体系（限定质量体系）与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质敞开体系（限定容积体系）与环境既有能量交换也有质量交换由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的化工生产中大都为稳定流动体系4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质稳流过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，限定容积体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同），则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。化工生产中大都为稳定流动体系4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质均流过程如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容积内物质的状态时均匀的，限定容积内任一点都处于相同的状态（但整个限定容积内的状态随时间而变），则此过程称为均匀流动过程，简称均流过程如：钢瓶充气或排气的过程4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质4.1.2能量平衡方程4.1.3能量平衡方程的应用4.1.4气体压缩4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程“物化”中我们已经讨论了封闭体系的能量平衡方程，形式为式中W为体积膨胀功4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程容量性质的数量衡算进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程物料平衡方程4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程P1,V1,U1，Z1，δm1P2,V2,U2，Z2，δm2mE4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程能量平衡方程进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量进入体系的能量=微元体本身具有的能量E1δm1+环境对微元体所作的流动功P1V1δm1+环境传入的热量δQ4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程离开体系的能量=微元体带出的能量E2δm2+流体对环境所作的流动功P2V2δm2+体系对环境所作的轴功-δWs体系积累的能量=d(mE)4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程能量衡算式为注意：⑴E—单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程⑵PV—流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功P1V1—输入流动功，环境对体系做功P2V2—输出流动功，体系对环境做功4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程⑶W—单位流体通过机器时所作的轴功，可逆轴功为为什么可以用这个式子计算呢？对于可逆总功4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程因为积分4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程⑷能量平衡方程的一般形式，将E=U+C2/2+gz和H=U+PV代入A式整理可得4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.2能量平衡方程在以上推导过程中没有任何条件限制，所以能量平衡方程式不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。在实际过程中，能量平衡方程可以进行适当简化，下面我们就具体讨论能量平衡方程的应用。4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1热力学第一定律的实质4.1.2能量平衡方程4.1.3能量平衡方程的应用4.1.4气体压缩4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用若不存在流动功∴微分式积分式4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用2）稳定流动体系稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用2）稳定流动体系4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用稳定流动体系的能量衡算式（积分式）4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用应用此式时要注意以下几点：⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸热为正，WS以体系得功(环境对体系做功）为正；⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1能量平衡方程---热力学第一定律透平机和压缩机4.1能量平衡方程---热力学第一定律3.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用与简化⑴对化工机器：如膨胀机、压缩机等4.1能量平衡方程---热力学第一定律透平机和压缩机4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用⑵对化工设备：如反应器、热交换器、传质设备、阀门、管道等4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用⑵热交换器4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用这个式子的物理意义表现在：体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度变化时与环境交换的热量（反应热、相变热、显热）等于体系的焓差。这里Q是过程函数，不是状态函数，与过程的途径有关，不易计算当将热量的计算与体系的状态函数相关联，就可以解决热量计算的问题了。4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用⑶对化工机器的绝热过程此式说明在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系对环境所做的功等于体系焓的减少，功和热都是过程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立的。4.1能量平衡方程---热力学第一定律喷嘴与扩压管4.1能量平衡方程---热力学第一定律喷嘴与扩压管4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用⑷对喷嘴：如喷射器，是通过改变流体截面以使体的动能与内能发生变化的一种装置。高压气体通过喷嘴后，压力下降，而流速c远远增大4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用节流阀ThrottlingValve4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用节流阀ThrottlingValve4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用混合设备4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用混合设备4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用混合设备4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用管路和流体输送4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用管路和流体输送4.1能量平衡方程---热力学第一定律Bernoulli方程4.1能量平衡方程---热力学第一定律Bernoulli方程4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.3能量平衡方程的应用热力学第一定律是从能量传递或转换过程中总结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程是否一定会自发发生呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩气体的压缩是化工厂中最基本的操作之一。它是气体增压与输送的最基本过程。在各类压气机（如压缩机、鼓风机、通风机等）,气体从低压到高压的状态变化过程是通过消耗外功对气体的压缩来实现的4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩按操作方式分类等温压缩绝热压缩多变压缩4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩1)等温压缩过程可逆轴功与传递热量计算对理想气体：（压缩过程保持恒温下进行）以１kmol气体为计算基准：PV=RTV=RT/PWsR=-RTln(P2/P1)上式的P2/P1是压缩的气体压力与压缩前的气体压力之比，称为压缩比4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩等温过程有∆H=0（等温压缩是等焓过程）根据热力学第一定律∆H=q+Wsq=-Ws即：等温压缩的特点，压缩所消耗的理论功与所传递的热量相等或：压缩气体所耗的功除气体压力升高外，其余转变成热量了4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩对非理想气体①用真实气体的P-V-T关系a)状态方程b)P-V-T实验数据图解积分c)普压法d)普维法4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩②根据热力学基本定律求得根据热力学第一定律：Ws=ΔH-Q对于可逆过程：QR=TΔS对等温可逆过程：WsR=ΔH-TΔS即：WsR与气体的ΔS、ΔH相联系。计算ΔS、ΔH的方法有a)；查热力学图表b):利用剩余性质设计过程计算ΔS、ΔH4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩2)绝热压缩过程(等熵过程)可逆轴功与传递热量计算：体系与环境之间无热量交换：Q=0对理想气体,绝热过程：PVk=常数或T2/T1=(P2/P1)(k-1)/kT2/T1=(V2/V1)1-k式中：k=Cp/Cv----绝热指数P1V1k=PVk4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.4气体的压缩绝热指数k与气体性质有关，严格的说与温度有关，在化工计算中，理想气体的k值可取单原子气体：k=1.667双原子气体：k=1.40三原子气体：k=1.3334.1能量平衡方程---热力学第一定律某些气体的绝热指数k值为：3H2+N2:1.406CO2:1.28H21.406NH31.29O21.40Air1.40N21.413CH41.34CO1.417乙烷1.23丙烷1.133饱和烷1.135过热蒸汽1.30