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1、第五章第五章 能量衡算能量衡算 本章要求：本章要求：掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的原理掌握能量衡算的基本方法掌握能量衡算的基本方法掌握能量衡算的基本方法掌握能量衡算的基本方法主要内容：主要内容：能量衡算的理论依据能量衡算的理论依据能量衡算的理论依据能量衡算的理论依据能量衡算的基本形式能量衡算的基本形式能量衡算的基本形式能量衡算的基本形式 几个与能量衡算有关的重要物理量几个与能量衡算有关的重要物理量几个与能量衡算有关的重要物理量几个与能量衡算有关的重要物理量 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法 无化学反应过程的能量衡算无
2、化学反应过程的能量衡算无化学反应过程的能量衡算无化学反应过程的能量衡算 化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算 第一节第一节 概述概述一、能量衡算的意义一、能量衡算的意义一、能量衡算的意义一、能量衡算的意义 选择最佳操作条件，制定既经济又合理的能量消耗方案。选择最佳操作条件，制定既经济又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理论依据二、能量衡算的理论依据二、能量衡算的理论依据二、能量衡算的理论依据 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律：能量既不能产生，也不能消灭：能量既不能产生，也不能消灭 三、能量衡算的应用三、能量衡算的应用三
3、、能量衡算的应用三、能量衡算的应用 主要应用在两种类型的问题上：主要应用在两种类型的问题上：主要应用在两种类型的问题上：主要应用在两种类型的问题上：一类是对使用中的装置或设备一类是对使用中的装置或设备；另一类是在设计新装置或设备时另一类是在设计新装置或设备时。能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料衡算后才能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料衡算后才能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料衡算后才能量衡算的基础是物料衡算。只有在进行物料衡算后才能做出能量衡算。能做出能量衡算。能做出能量衡算。能做出能量衡算。四、能量平衡图四、能量平衡图四、能量平衡图四、能量平衡图第二节第二节 能量的基本形式
4、能量的基本形式 能量衡算和物料衡算类似，要用到守恒的概念，即能量衡算和物料衡算类似，要用到守恒的概念，即要计算进入和离开特定体系的能量值，因此必须分清不同要计算进入和离开特定体系的能量值，因此必须分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多种形式，形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多种形式，因此能量衡算要比物料衡算复杂。因此能量衡算要比物料衡算复杂。一、位能（一、位能（Ep）位能又称势能，是物体由于在高度上的位移而具有的位能又称势能，是物体由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小与物体所在的力场有关，物体在重力场能量。其值的大小与物体所在的力场有关，物体在重力场中所具有的位能
5、可用下式表示：中所具有的位能可用下式表示：第二节第二节 能量的基本形式能量的基本形式分析：分析：位能的大小和基准面有关，因此物体距基准位能的大小和基准面有关，因此物体距基准面的高度差决定了位能的大小，当物体处于基准面的高度差决定了位能的大小，当物体处于基准面上时其位能为零。由于多数化工生产过程基本面上时其位能为零。由于多数化工生产过程基本上是在地表或接近地表的高度进行的，位能对整上是在地表或接近地表的高度进行的，位能对整个能量衡算的影响一般不大，除在计算物料的输个能量衡算的影响一般不大，除在计算物料的输送功率时物料的位能变化是不可忽略的外，在能送功率时物料的位能变化是不可忽略的外，在能量衡算中
6、位能皆可忽略。量衡算中位能皆可忽略。第二节第二节 能量的基本形式能量的基本形式 二、动能（二、动能（二、动能（二、动能（E Ek k）由于物体运动所具有的能量，称为动能，其值表示由于物体运动所具有的能量，称为动能，其值表示由于物体运动所具有的能量，称为动能，其值表示由于物体运动所具有的能量，称为动能，其值表示为：为：为：为：物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的物体的动能与物体运动速度的平方成正比，因此物体的运动速度对动能的影响较大，但在化工生产过程中物料的流运动速度对动能的影响较大，但在
7、化工生产过程中物料的流运动速度对动能的影响较大，但在化工生产过程中物料的流运动速度对动能的影响较大，但在化工生产过程中物料的流动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物动速度一般都不大，与其他能量相比较可以忽略，只有当物料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能料经过喷嘴或锐孔形成高速的喷射流时，在能量衡算中动能的影响才比较明显的影响才比较明显的影响才比较明显的影响才比
8、较明显 其值不可以忽略。其值不可以忽略。其值不可以忽略。其值不可以忽略。第二节第二节 能量的基本形式能量的基本形式 三、内能（三、内能（三、内能（三、内能（U U）内能表示除了宏观的动能和位能外物质所具内能表示除了宏观的动能和位能外物质所具内能表示除了宏观的动能和位能外物质所具内能表示除了宏观的动能和位能外物质所具有的能量，其大小与分子运动有关。有的能量，其大小与分子运动有关。有的能量，其大小与分子运动有关。有的能量，其大小与分子运动有关。对于纯组分物质，内能可表示成与温度和摩尔体对于纯组分物质，内能可表示成与温度和摩尔体对于纯组分物质，内能可表示成与温度和摩尔体对于纯组分物质，内能可表示成与
9、温度和摩尔体积间的函数关系：积间的函数关系：积间的函数关系：积间的函数关系：我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考我们只能计算内能的差，或计算相对于某个参考态的内能，而无法计算内能的绝对值。态的内能，而无法计算内能的绝对值。态的内能，而无法计算内能的绝对值。态的内能，而无法计算内能的绝对值。第三节第三节 几个与能量衡算有关的重要物理量几个与能量衡算有关的重要物理量 一、功（一、功（一、功（一、功（WW）功是能量传递的一种形式，功是力与位移的功是能量传递的一种形式，功是力与位移的功是能量传递的一种形式，功是力
10、与位移的功是能量传递的一种形式，功是力与位移的乘积。可表示为：乘积。可表示为：乘积。可表示为：乘积。可表示为：说明：说明：说明：说明：环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为环境对系统作功取为正值，系统对环境作功取为负值。负值。负值。负值。热量的单位为焦耳（热量的单位为焦耳（热量的单位为焦耳（热量的单位为焦耳（J J）在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋在化工生产过程中常见的有体积功、流动功及旋轴功的机械功等。轴功的机械
11、功等。轴功的机械功等。轴功的机械功等。功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，功只是指被传递的热量，从热力学第二定律可知，功可以无条件地全部转化为热量。功可以无条件地全部转化为热量。功可以无条件地全部转化为热量。功可以无条件地全部转化为热量。第三节第三节 几个与能量衡算有关的重要物理量几个与能量衡算有关的重要物理量 二、热量（二、热量（二、热量（二、热量（Q Q）当温度不同的两物体进行接触时，能量总是从热当温度不同的两物体进行接触时，能量总是从热当温度不同的两物体进行接触时，能量总是从热当温度不同的两物
12、体进行接触时，能量总是从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起传递的能量称为热量。由于温度差而引起传递的能量称为热量。由于温度差而引起传递的能量称为热量。由于温度差而引起传递的能量称为热量。环境对系统加的热为正，从系统中取出的热为负。环境对系统加的热为正，从系统中取出的热为负。环境对系统加的热为正，从系统中取出的热为负。环境对系统加的热为正，从系统中取出的热为负。热热热热量的单位为焦耳（量的单位为焦耳（量的单位为焦耳（量的单位为焦耳
13、（J J）注意两点注意两点注意两点注意两点:第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式；能量形式；能量形式；能量形式；第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量第二，一定要有温度差或温度梯率，才会有热量的传递。的传递。的传递。的传递。第三节第三节 几个与能量衡算有关的重要物理量几个与能量衡算有关的重要物理量 三、焓（三、焓（三、焓（三、焓（HH）对于焓的定义在第二章化工常用基础数
14、据的有关章节对于焓的定义在第二章化工常用基础数据的有关章节对于焓的定义在第二章化工常用基础数据的有关章节对于焓的定义在第二章化工常用基础数据的有关章节中已做了介绍。中已做了介绍。中已做了介绍。中已做了介绍。焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，这种焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，这种焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，这种焓与内能一样，都是热力学函数中的状态函数，这种状态函数与过程的途径无关，只与所处的状态有关。状态函数与过程的途径无关，只与所处的状态有关。状态函数与过程的途径无关，只与所处的状态有关。状态函数与过程的途径无关，只与所处的状态有关。既然焓是用来表达流动系统中
15、能量的适当形式，为了既然焓是用来表达流动系统中能量的适当形式，为了既然焓是用来表达流动系统中能量的适当形式，为了既然焓是用来表达流动系统中能量的适当形式，为了解决问题方便，科技工作者编制了许多形式的焓值表，并解决问题方便，科技工作者编制了许多形式的焓值表，并解决问题方便，科技工作者编制了许多形式的焓值表，并解决问题方便，科技工作者编制了许多形式的焓值表，并提出估算相变热的方法，其中重要的有：提出估算相变热的方法，其中重要的有：提出估算相变热的方法，其中重要的有：提出估算相变热的方法，其中重要的有：水蒸气表水蒸气表水蒸气表水蒸气表 气体焓值表气体焓值表气体焓值表气体焓值表 相变焓相变焓相变焓相变
16、焓第四节第四节 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法 一、能量衡算方程一、能量衡算方程一、能量衡算方程一、能量衡算方程 1.1.能量衡算方程式的一般形式能量衡算方程式的一般形式能量衡算方程式的一般形式能量衡算方程式的一般形式 根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为：根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为：根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为：根据热力学第一定律，能量衡算方程式可写为：式中式中式中式中:2.2.对不同的体系能量衡算式又有不同的简化形式：对不同的体系能量衡算式又有不同的简化形式：对不同的体系能量衡算式又有不同的简化形式：对不同的体系能量衡算式又有不同的简化形式：封闭体系封闭体系封闭体系封闭体系 连续稳态流动过程的总能量衡算连续稳态流动过程的总能量衡算连续稳态流动过程的总能量衡算连续稳态流动过程的总能量衡算第四节第四节 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法二、机械能衡算二、机械能衡算二、机械能衡算二、机械能衡算 有关hf的计算方法，在化工原理课程中已作详细讨论，此处不再叙述。第四节第四节 能量衡算的基本方法能量衡算的基本方法 三、热量衡算三、热量衡算三、热量衡算三、热
