1稳流体系热力学第一定律

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化学工业出版社,化工节能与减排,张頔,TEL:13861039868,E-mail,：,目 录,能量降级与热力学第二定律,轴功、各种热应的计算,有效能衡算和有效能效率,热力学分析的基本方法,噪声污染及控制,目 录,热管、热泵和夹点技术,能量的合理利用,稳流体系热力学第一定律,废水处理方法、技术和流程,废固处理及利用,废气污染的预防措施及治理,稳流体系,热力学第一定律,热力学第一定律,能量的守恒和转化定律,能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。,热力学第一定律是能量的守恒和转化定律在热力学学上的应用。,能量的种类,能量是物质固有的特性，一切物质或多或少都带有一定种类和数量的能。在热力学第一定律中，所涉及到的能量通常有以下几种：,(1),内能,以,U,表示。它是系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。包括分子内动能、分子内势能和分子内部的能量。,(2),动能,以,表示。如果物质具有质量,m,，并且以速度,u,运动，那么，物系就具有动能,能量的种类,(3),重力势能,以,表示。如果物质具有质量,m,，并且与势能基准面的垂直距离为,z,，那么，物系就具有势能,(4),热,由于温差而引起的能量传递叫做热，以,Q,表示。做为能量的交换量，必然会涉及到传递方向的问题。即,Q,不仅有绝对数值，而且需要正负号来表示能量的传递方向。在化工热力学中，规定物系得到热时,Q,为正值，相反的，物系向环境放热时,Q,为负值。,能量的种类,(5),功,除了热,Q,之外的能量传递均叫做功，以,W,表示。与热,Q,一样，功,W,也是物系发生状态变化时与环境交换的能量，只是,W,是另一种形式。于是，在化工热力学中对于功,W,也做了正负号的规定。物系得到功作用，记为正值；而物系向环境做功，记为负值。（在另一些著作中，对于功的正负号的规定有不同的表述，查阅时需要注意）,能量的二重性,数量：,能量的多少,能量：,物体做功的本领,质量：,能量的可用性,按照热力学第一定律，各种不同形式的能量是等价的，是守恒的。事实上，能量本身具有双重含义，即能量的数量和质量。能量的数量是指能量的多少，而能量的质量则是指能量的可用性。能量的质量不同，其使用价值也就不同。从用能的观点看，后者是主要的。只有当能量的质量达到使用要求时，能量的使用价值才能体现出来，此时，能量的数量才有实际意义，因而能量的使用在本质上是指能量质量的使用。大量的实践事实已经证明：能量在使用过程中虽然其数量是守恒的，但其质量却是下降的。能量在使用过程中的降质变废才是造成能耗的根本原因。,热力学第一定律,能量守恒的基本式,热力学第一定律指出孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。也就是说，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。,即为热力学第一定律的基本式。,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。根据此定义可知，孤立系统的热力学第一定律表达式应用于封闭系统时，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,稳流体系,在敞开体系中最简单且最有代表性的为稳定流动体系，简称稳流体系。稳流体系的主要特点是：,1,体系中任一点的状态不随时间的变化而变化，但可随位置的不同而不同；,2,每股物流的质量流量不随时间而变；,3,每股能流的流速不随时间而变；,4,整个体系内的总质量和总能量均不随时间而变，体系中没有物质和能量的积累。,严格来说，真正的稳流体系是不存在的，但除了开、停车和不正常生产时，在稳定生产时实际的连续生产过程均可以作为稳流体系来处理。,稳流体系的热力学第一定律,如图所示，流体流经管路、换热器、透平等化工设备，做稳流流动。这是一个简化的但很具有普遍性的化工工艺流程的缩影。截面,1,和,2,分别是垂直于流向的流体进出口截面，在这两个截面之间的流体是热力学第一定律考察的体系，周围是环境。,稳流体系的热力学第一定律,假设有单位质量的流体流经截面,1,和,2,，即,m=1,；在截面,1,处，单位质量流体流入管路，其状态如下：,流体的压力为,p1,，温度,T1,，单位质量流体的体积为,V1,，平均流速为,u1,，内能,U1,，流体重心距离势能零点平面的高度,z1,，截面面积为,A1,；同样的，在截面,2,处，相应的参数为,p2,、,T2,、,V2,、,u2,、,U2,、,z2,、,A2,。针对热力学第一定律的基本式中的每一项，可以用相关的量表示。,稳流体系的热力学第一定律,内能的变化：,动能的变化为：,重力势能的变化为：,环境与单位质量的研究体系之间交换的热量为,Q,；而交换的功,W,除了轴功,Ws,之外，还有另外一种功,流动功,W,f,。即：,在截面,1,处的流动功,W,1f,为：,稳流体系的热力学第一定律,在截面,2,处的流动功,W,2f,为：,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。,稳流体系的热力学第一定律,将各分项代入：,根据焓的定义,H=U+pV,，则上式即为：,就是稳流系统的热力学第一定律的表达式，其中五项的单位都是基于单位质量的流体所具有的能量。,稳流体系的热力学第一定律简式,（,1,）流体流经管道、阀门、换热器、吸收塔、混合器、反应器等设备时，不做轴功，动能和位能的变化也很小，可以忽略不计，即：,方程可简化为,体系的焓变等于体系与环境交换的热量。,稳流体系的热力学第一定律简式,(2),流体流经泵、压缩机、透平等设备,在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略，,即,若这些设备可视为与环境绝热，或传热量与所做功的数值相比可忽略不计，那么进一步可化简为：,这就是从焓变可求这些设备做功（或耗功）能力的依据。,稳流体系的热力学第一定律简式,(3),流体流经蒸汽喷射泵及喷嘴,流体流经设备如果足够快，可以假设为绝热，,Q=0,；设备没有轴传动结构，,Ws=0,；流体进出口高度变化不大，重力势能的改变可以忽略，,gz 0,；可化简为：,从上式可以看出，流体流经喷嘴等喷射设备时，通过改变流动的截面积，将流体自身的焓转变为了动能。,稳流体系的热力学第一定律简式,(4),体系与外界既无轴功又无热量交换时，如绝热通过混合器、反应器，或高压流体通过节流阀，则有,可得,或,