第4章 热力学基本定律及其应用课件.ppt

第4章 热力学基本定律及其应用 化工过程能量分析实例 南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯 化工过程能量分析实例 化工过程能量分析实例 化工热力学的任务 1、平衡研究 相平衡、热平衡 2、化工过程的热力学分析 能量的有效利用 基本概念 能量不仅有数量，而且有质量（品位）。功的品位高于热 。 自然界的能量可分为三大类 （1）高级能量： 能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等； （2）低级能量： 不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。 （3）僵态能量： 完全不能转化为功的能量，如大气、大地、天然水源具有的内能。 作业 1.自然界的能量可分为哪三大类？ 2.分别在p-v图上和T-S图上表示卡诺循环过程 3.已知蒸汽进入透平机时的焓h1=3230kJ/kg,流速 u1=50m/s,离开透平机时的焓h2=2300kJ/kg,流速 u2=120m/s。蒸气出口管比进口管低3m，蒸汽流 量为10000kg/h。若忽略透平的散热损失，试求： (a)透平机输出的功率； (b)忽略进、出口蒸汽的动能和位能变化，估计对输出功率计算值所产生的误差。 化工热力学的任务 化工过程的热力学分析 1、能量衡算。 2、分析能量品位的变化。 化工过程总是伴随着能量品位的降低。 一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。 本章内容 §4.1 热力学第一定律－能量转换与守恒方程 §4.2 热力学第二定律－热功转换的不等价性 §4.3 理想功、损失功与热力学效率 §4.4 有效能 §4.5 化工过程能量分析及合理用能 §4.1 热力学第一定律 § 4.1.1 能量的种类 热力学第一定律中所涉及的能量通常为以下几种 (1)内能U－也叫热力学能，其定义见教材p185,内能具有加和性。内能由三部分组成：分子内动能、分子内势能、分子内部能 (2) 动能Ek－定义见教材p186 (3)重力势能Ep (4)热Q—规定体系得到热Q为正，反之为 (5)功W—规定体系得功为正，反之为负 § 4.1.2热力学第一定律－能量守恒的基本式 热力学第一定律对不同的系统有对应的表述 §4.1.3 封闭系统的热力学第一定律 The First Law Of Thermodynamics in closed system §4.1.4 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 The first law in open system 稳定流动- Stead flow 敞开体系 稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和物料的积累。 化工过程中最常用 §4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 如图4-3所示流体流经管路、换热器、透平，做稳定流动 m-质量流率kg/s,显然 m1=m2=m 以单位质量流体为计算基准截面1处的能量e1 e1 = U1 + gZ1+ u12/2 (J/kg) Z1-截面1处流体重心距势能零点平面得高度（m） u1-截面1处流体的平均流速 (m/s) §4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 p1、V1、A1—截面1处流体的压力、体积和截面面积。 下标2 代表截面2处相应的参数 截面2处的能量e2 e2 = U2 + gZ2+ u22/2 (J/kg) q为体系吸收的热量(J/kg) w为体系与环境交换的功(J/kg) 以单位质量流体为计算基准 §4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 根据能量守衡 e1 +q = e2 -w （1） 由于 w = ws + wf ws 轴功；wf 流动功(计算基准单位质量流体） 所以 w = ws+p2V2 -p1V1 (2) h = U+pV (3) 将(2)、(3)代入（1）可得(6-12)式 §6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （1）流体通过换热器、管道、混合器 ∵ ws=0，?u2=0，g? Z=0 ∴ ?h=q 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （2）流体通过压缩机、膨胀机、泵、透平 ∵ ?u2≈0，g? Z≈0 ∴ ?h=q + ws——稳流过程中最常用的公式 若绝热过程Q=0， ws= ?h= h2-h1 高压高温蒸汽带动透平产生轴功。 稳流体系能量平衡方程的应用 应用中的简化 （3）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速） 例：火箭、化工生产中的喷射器。 ∵ q=0，g? Z=0 ， ws=0 ?h=