化工热力学ch2流体的PVT关系.ppt

热力学第一定律及应用第三章本章要求掌握能量平衡方程的形式及应用本章重点稳流过程的能量平衡方程热力学第一定律的实质就是能量在数量上是守恒的，基本形式为： 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）体系的能量的增加等于环境的能量的减少3.1 能量平衡方程一．热力学第一定律的实质1. 封闭体系：与环境仅有能量交换，没有质量交换体系内部是固定的封闭体系是以固定的物质为研究对象在实际生产中大都遇到三种体系3. 敞开体系：与环境有能量交换，也有质量交换2. 孤立体系：与环境没有能量交换，也没有质量交换二.能量平衡方程က1.一般形式（敞开体系）（1）物料平衡方程进入体系的质量－离开体系的质量进入体系的质量－离开体系的质量＝体系质量的积累＝体系质量的积累 m m1 1- -   m m2 2=dm=dm体系体系（（2 2）能量平衡方程）能量平衡方程 进入体系的能量－离开体系的能量进入体系的能量－离开体系的能量= =体系积累的能量体系积累的能量 进入体系的能量进入体系的能量: : 微元体本身具有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环境对微元体所作的流动功 P1V1δm1 环境传入的热量环境传入的热量 δδQ 环境对体系所作的轴功环境对体系所作的轴功δδWs 离开体系的能量离开体系的能量: : 微元体带出能量微元体带出能量E2δm2 流体对环境所作的流动功流体对环境所作的流动功 P2V2δm2 体系积累的能量＝体系积累的能量＝ d（（mE））  能量恒等式为：能量恒等式为： E1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)(A)(A)1 ) E1 ) E－－单位质量流体的总能量，它包单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能。

含有内能、动能和位能 注意：注意：一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的流动功pv2）系统与环境交换功W由两部分组成：一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功轴功Ws；2.1) 2.1) PVPV——流流动动功功，，表表示示单单位位质质量量流流体对环境或环境对流体所作的功体对环境或环境对流体所作的功功＝力功＝力* *距离＝距离＝P*A*V/A=PVP*A*V/A=PVP P1 1V V1 1——输入流动功，环境对体系作功输入流动功，环境对体系作功P P2 2V V2 2——输出流动功，体系对环境作功输出流动功，体系对环境作功     2.2)Ws2.2)Ws—单位流体通过机器时所作的轴功单位流体通过机器时所作的轴功 可逆轴功可逆轴功对于可逆总功对于可逆总功 d(PV)=PdV+VdP积分式积分式? ?代入，整理，得到代入，整理，得到 将将H=U+PVE1δm1+P1V1δm1+δQ +δWs -E2δm2-P2V2δm2=d(mE)三三.能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 1.封闭体系：无质量交换，限封闭体系：无质量交换，限定质量体系定质量体系 m1=m2=m δm1=δm2=dm=0 δQ+δWs=mdE 不存在流动功不存在流动功若若δWs=δWδQ+δWs=mdU 或或 δQ+δW=mdU 积分：积分：Q+W=ΔU 2. 稳态流动体系的稳态流动体系的能量平衡方程能量平衡方程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。

1)(1)每点状态不随时间变化每点状态不随时间变化(2)(2)没有质量和能量的积累没有质量和能量的积累(1)(1)一般能量平衡方程一般能量平衡方程 对稳流体系对稳流体系, ,由式由式(5-9)(5-9)得：得： =0δm1=δm2=dm       (H2-H1) δm+ (C22-C12) δm+g(Z2-Z1) δm-δWs-δQ=0 积分：积分： 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：        使用上式时要注意单位必须一致按照SI单位制，每一项的单位为 J·kg-1动能和位能的单位流动功包含在焓中轴功        ⊿ H、⊿ u2/2、g⊿ z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功 3 3））应应用用条条件件是是稳稳流流体体系系，，不不受受过过程程是是否否可可逆逆以以及及流流体体性质的影响性质的影响注意：注意：1)1)单位要一致，且用单位要一致，且用SISI单位制单位制. . H,Q,Ws——能量单位，能量单位，J/KgJ/Kg C—m/s 流量流量G—Kg/h（（min.s））2 2））式中式中Q和和Ws为代数值，即：为代数值，即：Q以体系吸热为正，以体系吸热为正，Ws 以环境对体系作功为正。

以环境对体系作功为正可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般对于液体，在积分时一般可将可将V当作常数当作常数对于气体怎么办？对于气体怎么办？对于理想气体等温过程对于理想气体等温过程左式只适用与理想气体左式只适用与理想气体等温过程等温过程一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置喷嘴与扩压管        喷喷嘴嘴与与扩扩压压管管的的结结构构特特点点是是进进出出口口截截面面积积变变化化很很大大流流体体通通过过时时，，使使压压力力沿沿着着流流动动方方向向降降低低，，而而使使流流速速加加快快的的部部件件称称为为喷喷嘴嘴反反之之，，使使流流体体流流速速减减缓缓，，压压力力升升高的部件称为扩压管高的部件称为扩压管喷嘴扩压管喷嘴与扩压管 是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否质量流率质量流率流体通过焓值的改变来换取动能的调整透平机和压缩机        透平机是借助流体的透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功减压和降温过程来产出功         压缩机可以提高流体压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功的压力，但是要消耗功 透平机和压缩机 是否存在轴功?是是!是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略节流阀是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略节流阀 Throttling Valve理想气体通过节流阀温度不变理想气体通过节流阀温度不变混合设备 混合两种或多种流体混合两种或多种流体是很常见。

是很常见混合器混合器混合设备是否存在轴功?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化?否否动能是否变化?否否当不止一个输入物流或（和）输出物流时        Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数        Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数为一股物流的质量流量为总质量流量混合设备 1 3 2 混合器混合器换热设备        整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合       mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量管路和流体输送稳态流动模型通常稳态流动模型通常是一个不错的近似是一个不错的近似通过泵得到轴功通过泵得到轴功位能变化位能变化泵水管路和流体输送是否存在轴功?有时存在有时存在是否和环境交换热量?通常是通常是位能是否变化?有时变化有时变化动能是否变化?通常不变化通常不变化Bernoulli 方程        实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗热力学能，有摩擦损耗对于无热、对于无热、 无轴功交换、无轴功交换、 不可压缩流体的稳流过程不可压缩流体的稳流过程对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则例例 3-1 1.5MPa的的湿湿蒸蒸汽汽在在量量热热计计中中被被节节流流到到0.1MPa和和403.15K，，求湿蒸汽的干度求湿蒸汽的干度解节流过程无功的传递，忽略散热、 动能变化和位能变化T T ℃℃ H kJ/kgH kJ/kg1201202716.62716.61601602796.22796.2130H21.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2解例例 3-2 30 ℃ 的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150 ℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kgK),求50kg空气从换热器吸收的热量将将空气当作理想气体，并忽略压降时空气当作理想气体，并忽略压降时换热器的动能变化和位能变化可换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计以忽略不计例题3-3   将90℃的热水，以12m3·h-1速率从储罐1输送到高度为15m的储罐2，热水泵的电动机功率为1.5kW，并且热水经过一个冷却器，放出热量的速率为2.5×106 kJ·h-1，试问：储罐2的水温度是多少？解：此例题是稳定流动过程式的应用，水在储罐的流动速度很慢，可以忽略动能变化，其他能量项单位为kJkg-1。

从附录C水性质表中可查得，90℃时水的密度为965.3kg·m-3，则水的质量流率为      965.3×12 = 11583.6 kgh-1得到放出的热量          轴功           势能     将上述各项代入式稳流体系的能量平衡方程得到 从附录C-1饱和水性质表中可查得90℃时饱和液体的焓再从饱和水性质表中可内插查到此时的温度约为38.5℃。