第六章化工过程的能量分析1

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。
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。
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
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
∴
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
 讨论：  (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备
单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能 (u2/2)，势能(gZ)和热力学能(U)。
E1

U1

1 2
u12

gz1
E2
U2

1 2
u22

gz2
6.1.2 能量平衡方程
 系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一

能量集成与管理(热交换网络)
热交换网络的提出 一个化工生产过程的流程中，经常需要加热或冷却许多流股，用热水、蒸汽加热或用冷却水、冷冻液冷却。这种设计虽简单，设备投资费较少，但热力学效率常常是很低，能耗较 大，显然是不经济。 在流程内部用需要被冷却的较高温的流股来加热需要热量的低温的流股，可以实现能量的有效利用，从而节约了能量源，降低成本。
二、基本概念及热交换系统表示方法
换热网络的名词 热流：热交换网络内，那些需要由起始温度冷却到目标温度的流股。 冷流：热交换网络内，那些需要由起始温度被加热到目 标温度的流股。
在流程内建立热交换网络的根本目的：
减少流程对外界热源和冷源的需求，尽量使用流程内部的冷热流股互相搭配，以达到节约能源的目的。
热容流率的可行性原则
窄点处传热的温差最小为 △Tm,离开窄点处的传热温差应大于等于△Tm，即△T>△Tmin 因此，每个窄点匹配的流股热容流率应满足 窄点以上 CP热 < CP冷 窄点以下 CP热 > CP冷 同样上两式，可以合并成为一式，即窄点同一侧应满足 CP出 > CP入
3理想功、损失功和热力学效率
理想功是指系统在一定的环境下，沿着完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小有用功。 开系稳流过程的理想功计算式： Wid = ΔH - T0ΔS 损失功是由于过程的不可逆是系统产生熵而引起的作功能力的损失，不可逆过程的损失功计算式： WL = T0 ( ΔSsys + ΔSsur ) = T0ΔSt = T0ΔSg 损失功WL反映了实际过程的不可逆程度。
总流股数可行性原则 窄点以上流股数应满足 N热 < N 冷 窄点以上流股数应满足 N热 > N 冷 式中 N热 ------- 热流股数 N冷 ------- 冷流股数 根据前面的热交换网络的表示法，对于窄点来说，窄点以上热流股是流入的，冷流股是流出的。同样，窄点以下热流股是流出的，冷流股是流入的。所以上式可以合并用一个式子来表示，即在窄点的同一侧流股数必须满足： N流出 > N流入

在实际的能量传递和转换过程中，能量可以转化 为功的程度，除了与能量的质量、体系所处的 状态密切相关外，还与过程的性质有关。若过 程接近于可逆过程，其转化为功的程度就大， 否则就小。为了衡量能量的可利用程度或比较 体系在不同状态下可用于做功的能量大小， 1932年Keenen提出了㶲的概念。
2.㶲(Exergy, Ex) 定义：任何体系在一定状态下的㶲Ex是该体系由 所处的状态(p, T)以完全可逆的方式变化到与环 境处于平衡的状态(p0, T0)时所作出的最大有用 功（即理想功）。 3.火无(Ax) 不能转变为有用功的那部分能量。
Note： Wid与Ex的区别及联系 Wid=∆H -T0∆S =(H2-H1)-T0(S2-S1) Ex=T0∆S-∆H=T0(S0-S)-(H0-H) (6-47)
式(6-47)表明体系㶲的大小取决于系统状态和环境 状态的差异，这种差异可能是物理参数(T, p)不 同引起的，也可能是组成不同引起的。
在飞轮上做的可利用的功 Wid 体系对抗大气压所做的膨胀功-p0∆V，无法加以利用，但 又无法避免；相反，在压缩过程中，接受大气所给的功 是很自然，不需付出代价，在计算理想功时应将其扣除。 故非流动过程的Wid为： Wid= WR + p0∆V =(U2-U1)- T0(S2-S1) + p0∆V 结论： ① Wid决定于体系的始末态和环境状态(T0, p0)，与过程无 关； ②体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对应的理想 功。
（4）不可逆过程 I.有摩擦，过程进行有一定速度； II. 体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象）； III. 逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹； IV.若相同始末态的可逆过程相比较，产功小于可 逆过程，耗功大于可逆过程。

第六、七章化⼯过程能量分析习题第六章化⼯过程能量分析1.⽓体经过稳流绝热过程，对外作功，如忽略动能和位能变化，⽆摩擦损失，则此过程⽓体焓值 ( ).A. 增加 B ．减少 C ．不变 D. 不能确定 2. 要加热50℃的⽔，从热⼒学⾓度，⽤以下哪⼀种热源，损失功最⼩（）A.60℃的热⽔B.80℃的热⽔C.100℃的饱和蒸汽，D. 120℃的过热蒸汽 3.不可逆过程中孤⽴体系的（）A.总熵总是增加的，有效能也是增加的。

B.总熵总是减少的，有效能也是减少的。

C.总熵是减少的，但有效能是增加的。

D. 总熵是增加的，但有效能是减少的。

4.⼀封闭体系经过⼀变化，体系从25℃恒温⽔浴吸收热量8000kJ ，体系熵增25kJ/K ，则此过程是( )。

A. 可逆的B.不可逆的C. 不可能的 5. 在431.15K 与286.15K 之间⼯作的热机的最⼤效率是（）A. 91.77%B.50.70%C. 33.63%D.39.67%6.体系从同⼀初态到同⼀终态，经历⼆个不同过程，⼀为可逆过程，⼀为不可逆过程，此⼆过程环境熵变存在（）。

A ．（ΔS 环）可逆< （ΔS 环）不可逆 B. （ΔS 环）可逆 >（ΔS 环）不可逆C ．（ΔS 环）可逆 = （ΔS 环）不可逆D ．（ΔS 环）可逆= 0 7. 按第⼆定律，⽆论什么过程体系的熵变。

A.≤0B.≥0C.=0D.不确定8. 在孤⽴体系中，因不可逆性导致作功能⼒损失。

公式孤⽴S T W L ??=0（式中0T 为环境温度）是从传热过程推出的。

A ．仅适⽤传热过程 B. 也适⽤传质过程 C ．也适⽤流动过程 D. 任何过程都⾏ 9. 体系经不可逆循环⼜回到初态，则热温商的循环积分__________ A <0 Ｂ =０ C >010. 关于做功和加热本领的描述，不正确的是（）A 压⼒相同，过热蒸汽的做功本领⽐饱和蒸汽⼤。

B 温度相同，⾼压蒸汽的作功本领⽐低压蒸汽强。