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第6章 化工过程能量分析重点难点：能量平衡方程、熵平衡方程及应用，理想功和损失功的计算，有效能的概念及计算，典型化工单元过程的有效能损失。
1) 能量平衡方程、熵平衡方程及应用(1) 能量平衡方程及其应用根据热力学第一定律：体系总能量的变化率＝能量进入体系的速率-能量离开体系的速率可得普遍化的能量平衡方程：t V p W Q gZ u H m gZ u U m t kk k k d d 22d d s 12sy st 2-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑= 式中左边项代表体系能量的变化，右边项第一项表示质量流带入、带出的能量，后三项表示体系与环境热和功的交换量。
注意：式中H 为单位质量的焓，u 2/2为单位质量的动能，gZ 为单位质量的位能，内能、动能和位能(g =9.81m/s 2)之和为单位质量流体的总能量E ：gZ u U E E U E p k ++=++=221 符号规定：进入体系的质量流率m k 为正，体系吸热Q 为正，环境对体系做功W 为正(体系得功为正)。
上式适用于任何过程，不受过程是否可逆或流体性质的影响。
要对一个过程进行能量分析或能量衡算，应该根据过程的特点，正确分析能量平衡方程式中的各个项，化简能平式，关键是要会分析题意特点，能平式中各项的含义要明白。
① 对封闭体系：忽略动、位能的变化，则能平式变为W Q U δδd +=积分，可得 W Q U +=Δ此即为封闭体系热力学第一定律的数学表达式。
② 稳态流动体系(简称稳流体系)稳态流动过程是指物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等，体系中任一点的热力学性质都不随时间变化，体系没有物质和能量的积累。
因此，稳流体系的特点：体系中任一点的热力学性质都不随时间而变；体系没有物质及能量的积累。
对一个敞开体系，以过程的设备为体系，即为稳流体系。
其能平式可化为 02s 12=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑=W Q gZ u H m k kk k 把上式中第一项进、出分开，即得：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q m gZ u H m gZ u H 单位质量的稳流体系的能量方程式：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q gZ u H gZ u H s 2ΔΔ21ΔW Q Z g u H +=++ 式中∆H 。
利用热传导分析化工过程中的能量损失在化工生产中，能量的有效利用和损失控制是至关重要的环节。
热传导作为一种常见的传热方式，对化工过程中的能量传递和损失有着显著的影响。
深入理解热传导现象，对于优化化工工艺、提高能源利用率以及降低生产成本具有重要意义。
热传导是由物质内部分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递现象。
在化工过程中，热传导往往发生在固体内部、固体与液体或固体与气体的接触面上。
例如，在换热器中，热量通过金属管壁从高温流体传递到低温流体，这就是典型的热传导过程。
要分析化工过程中的能量损失，首先需要了解热传导的基本原理。
傅立叶定律是描述热传导的重要定律，它指出热流量与温度梯度成正比，与传热面积成正比，与传热材料的热导率成正比。
热导率是材料的固有属性，不同的材料具有不同的热导率。
在化工设备中，常用的金属材料如铜、铝等具有较高的热导率，而保温材料如石棉、玻璃棉等则具有较低的热导率。
化工过程中的能量损失主要体现在以下几个方面。
一是设备的散热损失。
化工设备表面与周围环境存在温度差，热量会通过热传导的方式散失到环境中。
例如，反应釜的外壁如果没有良好的保温措施，热量会不断散失，导致能量浪费。
二是管道中的热损失。
在输送高温或低温流体的管道中，热量会通过管壁向外界传递，尤其是在长距离输送过程中，这种热损失可能相当可观。
三是物料之间的传热不均匀导致的能量损失。
在混合、分离等操作中，如果物料之间的传热效果不佳，可能会使部分物料未能达到预期的温度，从而影响反应的进行或产品的质量，同时也造成了能量的浪费。
为了减少化工过程中的热传导能量损失，可以采取多种措施。
首先是选择合适的材料。
对于需要传热的部件，应选用热导率高的材料，以提高传热效率；而对于需要保温的部位，则应选用热导率低的材料，减少热量散失。
其次，优化设备的结构设计。
例如，增加换热器的换热面积、减小管道的直径以缩短传热距离等，都可以提高传热效果，降低能量损失。
化工热力学第五章化工过程的能量分析化工过程的能量分析是对能量转化和能量平衡进行分析和计算的过程。
它旨在确定化工过程中的能量输入和输出，以及能量转化的效率。
能量分析的基本原理是能量守恒定律，即能量既不能被创造也不能被消灭，只能发生转化和传递。
在化工过程中，能量转化主要包括热能和工作能的转化。
对于化工过程的能量分析，首先需要确定系统的边界。
系统是指需要进行能量分析的化工过程的范围。
系统可以是一个反应器、一个加热器、一个蒸馏塔等。
接下来，需要确定系统的输入和输出。
输入和输出包括能量流和物质流。
能量流一般包括热能和工作能的流入和流出，物质流一般包括物质的流入和流出，以及化学反应中物质的转化。
在能量分析中，热能是一个重要的能量形式。
对于热能的分析，常常需要考虑热能的传递方式，如传导、对流和辐射。
传导是通过直接接触传递热能，对流是通过流体介质传递热能，辐射是通过辐射传递热能。
根据能量守恒定律，系统的输入和输出之间的热能的变化可以表达为：Σ(Qin) - Σ(Qout) = Σ(Win) + Σ(Wout) ± ΔE其中，Qin和Qout分别表示进入和离开系统的热能，Win和Wout分别表示进入和离开系统的工作能，ΔE表示系统内部的能量变化。
除了热能外，化工过程中还常常涉及到压力能和位能的转化。
压力能是由于流体在系统中的压力而具有的能量，位能是由于物体在重力场中的高度而具有的能量。
在能量分析中，压力能和位能的转化也需要考虑。
能量分析的另一个重要方面是能量的有效利用。
对于化工过程来说，能量转化的效率直接影响着能源的消耗和产品的质量。
提高能量的利用效率是化工工程师的重要目标之一、为了提高能量的利用效率，可以采取一系列的措施，例如优化化工过程的操作参数，改进传热设备的设计和选型，提高能源的回收利用等。
同时，还可以利用先进的能源技术，如余热利用技术、低温热能利用技术等。
总之，化工过程的能量分析是研究化工过程能量转化和能量平衡的重要方法。
第5章 化工过程的能量分析一、是否题1．系统熵增加的过程必为不可逆过程。
错2．绝热过程必是定熵过程。
错 3. 热温熵QT即过程的熵变。
错。
过程熵变的定义为Q S T∆=可逆，即可逆过程的热温商才是熵变。
4．对一个绝热不可逆过程，是否可以设计一个绝热可逆过程来计算其熵变化？否。
绝热不可逆过程是自发过程，而绝热可逆过程是平衡过程，两者不能替代。
但是对一个不可逆过程的熵变，可以设计一系列可逆过程来计算有相同初、终态的过程熵变。
5. 不可逆过程一定是自发的，自发过程一定是不可逆的。
否。
自发过程一定是不可逆的，但不可逆过程不一定是自发的。
例如：理想气体的等外压压缩就不是自发过程，但是不可逆过程。
6. 功可以全部转变成热，但热一定不能全部转化为功。
否。
功可以自发地全部变为热，热也可以全部转化为功，但一定会引起其他变化。
例如，理想气体等温膨胀是ΔT=0；ΔU=0，Q=W ，热全部转化为功，但系统的体积变大了，压力变小了。
7. 无论流体的温度高于或低于环境温度，其有效能均为正对。
根据热力学原理，一切不平衡状态均走向平衡，可以作功。
因此所有偏离环境温度的状态应具有正的有效能。
二、选择题1．理想气体流过节流阀，其参数变化为 。
A ⊿T ＝ 0, ⊿S ＝ 0B ⊿T ＝ 0, ⊿S ＞ 0C ⊿T ≠ 0, ⊿S ＞ 0D ⊿T ＝ 0, ⊿S ＜ 0(B)。
系统工质经历一个可逆定温过程，由于温度没有变化，故该系统不能与外界交换能量。
2．（1）孤立体系的熵永远增加。
（2）在绝热的条件下，趋向平衡的过程中，体系的熵增加。
（3）孤立体系的熵永不减少。
（4）可用体系的熵函数的增加或不变来判断过程是否可逆。
上述表述中全部错误的是A (1) (4)B (2) (4)C (2) (3)D (1) (2)A 。
(1) 孤立体系的自发过程向着熵值增大的方向进行，直到体系的熵具有极大值（dS = 0）时达到平衡态。
(4) 熵增原理必须在孤立体系或绝热体系中应用。
3．在△H ＋g △Z ＋0.5△u 2=Q+W s 中，如果u 的单位用m/s,则H 的单位为: A J/s B kJ/kg C J/kg D kJ/g( C ) kgJkg m N s kg m kg s m =⋅=⋅⋅=2222三、计算题1. 试确定1kmol 的蒸气（1470kPa ，过热到538℃，环境温度t 0=16℃）在流动过程中可能得到的最大功。
解：这是求算1kmol 的蒸气由始态（538℃，1470kPa ）变化到终态（16℃，101.32kPa ）的液体水时所得到的最大功。
由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为H 1=3543.34kJ/kg ， S 1=7.6584kJ/（kg ·K ）由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为H 2=67.18kJ/kg ， S 2=0.2389kJ/（kg ·K ） 所以过程的焓变和熵变分别为∆H =M （H 2－H 1）=18.02（67.18－3543.34）=－62640.33（kJ/kmol ）∆ S=M （S 2－S 1）=18.02（0.2389－7.6584）=－133.6994（kJ/（kkmol ·K ）） 若理想功为所能提供的最大有用功，则W id =∆H －T 0∆S=－62640.33＋（16＋273.15）（－133.6994） =－2.398×104（kJ/kmol ）2. 1kg 的水在100kPa 的恒压下从20℃加热到沸点，并且在此温度下完全蒸发，如果环境温度为20℃，试问加给水的热量中最大有多少可转变成功量。
解：100kPa 压力下水的沸点约为100℃，有水蒸气表查得H 1=2676.1kJ/kg ， S 1=7.3549kJ/（kg ·K ）在环境温度（T 0=t 0＋273.15=293.15K ）下，100kPa 压力下水的焓和熵为 H 0=83.96kJ/kg ， S 0=0.2966 kJ/（kg ·K ） 所以加给水的热量为Q p =∆H=H 1－H 0=2676.1－83.96=2592.1（kJ/kg ） 100kPa 压力下水蒸气转化为20℃的水所能产生的最大功为W id =∆H －T 0∆S =－2592. －1293.15（0.2966－7.3549）=－523.0（kJ/kg ） 加给水的热量中最大可能转变成功量部分所占的百分数为523.0100%100%20.1%2592.1id p W Q ⨯=⨯= 3.确定冷却45kmol/min 的空气，从初始温度305K 降低到278K 所需的最小功率N min ，环境温度305K 。
已知空气的比热容为29.3kJ/（kmol ·K ）。
解：在冷却过程中，空气的焓变和熵变分别为2121()29.3(287305)791.1(/)T P P T H C dT C T T kJ kmol ∆==-=-=-⎰2121278(/)ln29.3ln 2.7158(/())305T P P T T S C T dT C kJ kmol K T ∆====-⎰ 过程所需的最小功为W id =∆H －T 0∆S=－791.1－305（－2.7158）=37.2（kJ/kmol ） 所以这一冷却过程所需的最小功率为N id =nW id =45×37.2=1674.0（kJ/min ）=27.9kW4. 在一个往复式压气机的实验中，环境空气从100kPa 及5℃压缩到1000kPa ，压缩机的气缸用水冷却。
在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为100kg/kmol （空气）。
冷却水入口温度为5℃，出口温度为16℃，空气离开压缩机时的温度为145℃。
假设所有对环境的传热均可忽略。
试计算实际供给压气机的功和该过程的理想功的比值。
假设空气为理想气体，其摩尔定压热容C P =29.3kJ/（kmol ·K ）。
解：以被压缩的空气为系统，以1kmol 空气作为基准。
假设空气为理想气体，在此过程中空气放出的热量为Q=－W W C P ，W （t out －t in ）式中W W 为冷却水的流率；C P ,W 为水的热容，取值为4.18kJ/（kg ·K ），t out 和t in 分别为冷却水的出、入口温度。
所以Q=－100×4.18（16－5）=－4.598×103（kJ/kmol ）压缩过程中空气的焓变为21321()29.3(1455) 4.10210(/)T P P T H C dT C T T kJ kmol ∆==-=-=⨯⎰若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为W S =H ∆－Q =4.102×103＋4.598×103=8.700×103（kJ/kmol ）过程的熵变可以按下式计算21221211ln ln(/)ln(/)T P P T C pS dT R C T T R p p T p ∆=-=-⎰145273.15100029.3ln8.314ln 7.199(/())5273.15100S kJ kmol K +∆=-=-+所以压缩过程的理想功为W id =∆H －T 0∆S=4.102×103－278.15（－7.199）=6.104×103（kJ/kmol ） 因此实际供给压气机的功与该过程的理想功的比值为 W S /W id =8700/6104=－1.4255. 水与高温燃气进行热交换转变成260℃的恒温蒸气，在此过程中，燃气温度由1375℃降到315℃，已知环境温度为27℃。
试确定1kg 气体由于热交换过程，其有效能的降低值，设气体的比热容为1kJ/（kg ·K ）。
解：若忽略在进行热交换过程中燃气动能和位能的变化，则有效能的降低可表示为△B=B 2－B 1＝（H 2－T 0S 2）－（H 1－T 0S 1）将上式整理可得△B=（H 2－H 1）－T 0（S 2－S 1）其中T 0＝27＋273.15＝300.15（K ）H 2－H 1＝C P （T 2－T 1）＝－1060.00kJ/kgS 2－S 1＝2121(/)ln(/) 1.030/()T P P T C T dT C T T kJ kg K ==-⎰因此该过程有效能的降低为△B ＝－1060.00－300.15（－1.030）＝－750.72（kJ/kg ）6. 如果空气绝热节流膨胀，从2100kPa 降到100kPa 不做任何功。
若传热以及位能和动能变化均可忽略，试提出一些假设，确定此过程所产生的功损失。
解：假设环境温度T 0＝25＋273.15＝298.15（K ），并假定空气为理想气体。
绝热节流膨胀，Q ＝0，△H ＝0，△T ＝0，所以过程的熵变为△S ＝－Rln （p 2/p 1）＝－8.314ln （100/2100）＝25.312（kJ/（kmol ·K ）） 若忽略传热以及位能和动能的变化，此过程所产生的功损失为W L ＝T 0△S －Q ＝298.15×25.312－0＝7.547×104（kJ/kmol ）7. 一冷冻机连续冷却一盐水溶液，使其温度有21℃降低到－7℃，热被排到温度为27℃的大气中。
确定冷冻机所需绝对最小功率，如果每小时冷却25m 3盐水，必须放给大气多少热量？盐水的数据为：C P ＝3.5kJ/（kg ·K ），ρ＝1150kg/m 3。
解：在盐水冷却过程中，其始态温度为T 1＝21＋273.15＝294.15（K ），终态温度为T 2＝－7＋273.15＝266.15（K ），环境温度T 0＝27＋273.15＝300.15（K ），盐水的焓变为2121() 3.5(266.15294.15)98.00(/)T P P T H C dT C T T kJ kg ∆==-=-=-⎰盐水的熵变为2121(/)ln(/) 3.5ln(266.15/294.15)0.350(/())T P P T S C T dT C T T kJ kg K ∆====-⎰冷却盐水所需的最小功为W id ＝△H －T 0△S ＝－98.00－300.15（－0.350）＝7.052（kJ/kg ） 单位时间内冷却的盐水量为m ＝V S ρ＝25×1150＝28750（kg/h ）＝7.986kg/s于是冷冻机所需的最小功率为N min ＝mW id ＝7.986×7.052＝56.32（kW ） 放到大气中的热量为Q ＝m （△H ＋W id ）＝28750（－98.00－7.052）＝－3.020×106（kJ/h ）8. 倘若一含有30%（摩尔分数）氨的混合物在一平衡状态下蒸发，保持恒温38℃，压力100kPa ，环境温度为16℃，试计算最小功W min 。
