环境工程原理-第二章-质量衡算与能量衡算ppt课件.ppt

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1、第二章质量衡算与能量衡算 第二章第二章 质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算第一节 常用物理量 计量单位 常用物理量及其表示方法第二节 质量衡算 衡算的基本概念 总质量衡算第三节 能量衡算 热力学第一定律 热力学第二定律本章主要内容一、计量单位二、常用物理量及其表示方法本节的主要内容第一节 常用物理量国际单位制的基本单位 量的名称 单位名称 单位符号 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度 米 千克（公斤）秒 安培 开尔文 摩尔 坎德拉 M Kg s A K mol cd 计量单位是度量物理量的标准 物理量数值单位国际单位制，符号为SI 7个基本单位；2个辅助单位；导出单位。第

2、一节 常用物理量一、计量单位mkg表2-1 国际单位制的基本单位7 7个基本单位个基本单位第一节 常用物理量按照定义式由基本单位相乘或相除求得，并且其导出单位的定义式中的比例系数永远取1。导出单位导出单位当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。式中式中F F力；力；m m质量；质量；a a加速度；加速度；u u速度；速度；t t时间；时间；s s距离；距离；k k比例系数。比例系数。力的导出单位力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即，按牛顿运动定律写出力的定义式，即按照国际单位制规定，取k=1，则力的导出单位

3、为第一节 常用物理量导出单位导出单位第一节 常用物理量 表2-2 国际单位之中导出单位名称及符号物理量名称物理量符号单位名称单位符号备注面积A，（S）平方米m2体积V立方米m3;速度v米每秒m/s加速度a米每二次方秒m/s2角速度弧度每秒rad/s频率f，赫兹Hz1 Hz=1s-1质量密度千克每立方米kg/m3力F牛顿N1 N=1 kgm/s2力矩M牛顿米Nm动量p千克米每秒kgm/s压强p帕斯卡Pa1 Pa=1 N/m2功W，（A）焦耳J1 J=1 Nm能量E焦耳J功率P瓦特W1 W=1 J/s电荷量Q库仑C1 C=1 As电场强度E伏特每米V/m电位、电压、电势差U，（V）伏特V1 V=1

4、 W/A电容C法拉F1 F=1 C/V电阻R欧姆1=1 V/A电阻率欧姆米m磁感应强度B特斯拉T1 T=1 Wb/m2磁通量韦伯Wb1 Wb=1 Vs电感L亨利H1 H=1Wb/A电导西门子S光通量流明lm1 lm=1 cdsr光照度勒克斯lx1 lx=1 lm/m2放射性活度贝可勒尔Bq1 Bq=1 s-1吸收剂量戈瑞Gy1 Gy=1 J/kg例如：氨的水溶液的浓度1质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L氨的质量或物质的量/溶液体积2.质量分数与摩尔分数%kg/kgkmol/kmol氨的质量/溶液的质量氨的物质的量/溶液的物质的量3质量比与摩尔比kmol/kmolkg/kg氨的质量/水的质

5、量氨的物质的量/水的物质的量二、常用物理量及其表示方法第一节 常用物理量(一)浓度1质量浓度与物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度（1）质量浓度A，（2）物质的量浓度cA，c组分A的摩尔质量第一节 常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.质量分数与摩尔分数质量分数与摩尔分数（1）质量分数和体积分数组分A的质量分数混合物的总质量组分A的质量(2.1.6)在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和质量分数加以换算，即1mg/L 相当于1mg/1000g 110-6（质量分数）=1ppm1g/L 相当于1g/100

6、0g 110-9（质量分数）=1ppb当污染物的浓度过高，导致污水的密度发生变化时，上两式应加以修正，即 1mg/L=110-6混合物的密度（质量分数）1g/L=110-9 混合物的密度（质量分数）ppmppb g/g，10-6 g/kg，10-9（质量分数）第一节 常用物理量根据质量浓度的定义根据理想气体状态方程体积分数和质量浓度之间的关系？第一节 常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)（2）摩尔分数组分A的摩尔分数混合物的总物质的量组分A的物质的量 当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数，组分A的质量分数与摩尔分数的关系 第一节 常

7、用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)3质量比与摩尔比组分A的质量比混合物中惰性物质的质量 组分A的质量（当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）组分A与惰性组分的关系第一节 常用物理量(2.1.16)质量比与质量分数的关系(2.1.17)组分A与惰性组分的关系3质量比与摩尔比（当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）第一节 常用物理量组分A的摩尔比混合物中惰性物质的物质的量 组分A的物质的量(2.1.18)摩尔比与摩尔分数的关系(2.1.19)(2.1.20)体积流量 质量流量 一维流动二维流动三维流动 速度分布平均速度(二)流量(三)流速第一节 常用物理量(2.1.2

8、1)(2.1.22)在x,y,z三个坐标轴方向上的投影分别为ux，uy，uz 单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。通量是表示传递速率的重要物理量。p单位时间内通过单位面积的热量，称为热量通量，单位为J/（m2s）；p单位时间内通过单位面积的某组分的质量，成为该组分的质量通量，单位为kmol/（m2s）；p单位时间内通过单位面积的动量，称为动量通量，单位为N/m2。(四)通量第一节 常用物理量一、衡算的基本概念二、总质量衡算本节的主要内容第二节 质量衡算 分离、反应 分析物质流迁移转化?某污染物生物降解输入量输出量转化量=积累量输入量1输入量2输出量降解量积累量第二节 质量衡算 一

9、、衡算的基本概念输入速率输出速率转化速率=积累速率质量衡算的一般方程转化速率或反应速率单位时间因生物反应或化学反应而转化的质量。组分为生成物时为正值，质量增加单位时间：以某种元素或某种物质为衡算对象第二节 质量衡算(2.2.4)一、衡算的基本概念用来分析质量迁移的特定区域，即衡算的空间范围环境设备或管道中一个微元体微分衡算一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球总衡算第二节 质量衡算(2.2.8)污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布，则 反应速率常数，s-1或d-1物质质量浓度负号

10、表示污染物随时间的增加而减少体积反应速率第二节 质量衡算 各种情况下的质量衡算 稳态系统 非稳态系统 组分发生反应 组分不发生反应 以某组分为对象 以全部组分为对象 以总质量表示 以单位时间质量表示第二节 质量衡算 二、总质量衡算质量衡算方程的应用1.需要划定衡算的系统2.要确定衡算的对象3.确定衡算的基准4.绘制质量衡算系统图5.注意单位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分衡算的范围某组分，和全部组分单位时间，某时间段内，或一个周期总衡算和微分衡算第二节 质量衡算 质量衡算系统图单位要统一第二节 质量衡算（一）以物料的全部组分为衡算对象例2-1 一对普通夫妻，没有孩子，平均每周他们购买并

11、且带回家里大约50kg消费品（食物、杂志、报纸、电器、家具以及相关的包装材料）。在这些物品中，50%作为食物被消耗掉。食物的一半用于生理维持并且最后转化为二氧化碳释放出去；声音的被排泄到下水道系统中。产生固体废物的25%被这对夫妻循环利用，大约1kg积累在家里，估算他们每周放到路边垃圾站的固体废物量。第二节 质量衡算 输入质量-（作为食物的输出+作为固体废弃物的输出）=屋里的积累已知的输入：输入的一半是食物=1/250kg=25kg因此质量平衡方程为：50=1+24+固体废物的输出固体废物输出=24kg=路边的输出+循环的输出=路边的输出+25%24路边的输出=24-6=18kg所以这对夫妻每

12、周放到路边垃圾站的固体废物两为18kg。第二节 质量衡算 稳态流动的数学特征：当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称为非稳态系统。对于稳态过程，内部无物料积累 稳态系统与非稳态系统第二节 质量衡算（二）以某种元素或某种物质为衡算对象 例2-2 一个雨水管道中融雪水流量为5m3/s，融雪水中氯化钠的浓度为10mg/L，流入一条河流，河流流量为12 m3/s，河流中自然存在的氯化钠浓度为20mg/L，氯化钠是不可降解物质，系统属于稳定状态，计算汇合点下游河流中氯化钠浓度（假设两者完全混合）解：划定衡算系统，设雨水管

13、道为输入1：流量qv1=5 m3/s，氯化钠浓度1=10mg/L 河 流 为 输 入 2：流 量 qv2=12 m3/s，氯 化 钠 浓 度2=20mg/L根据式2-26得，=17.05mg/L 第二节 质量衡算(1)稳态非反应系统(3)稳态反应系统第二节 质量衡算 例2-3 某一湖泊的容积为10106m3，上游未被污染的河流流入该湖泊，流量是60 m3/s。一工厂以8 m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解的污染物，浓度为80mg/L。污染物的降解反应速率常数为0.25d-1。假设污染物在湖中充分混合，不考虑湖泊因蒸发或降雨带来的水量增加或减少，试求稳态条件下湖泊中污染物的浓度。解：由

14、于完全混合，所以出水中该污染物浓度等于湖泊中污染物的浓度即=m输入速率：qm1=1 qv1+2 qv2=（060+880）=6.4105mg/s输出速率：qm2=m qm=（qv1+qv2）=（60+8）103=6.8104 L/s降解速率为：kV=（0.2510.0106103）/243600=27.8103 L/s污染物衡算方程为：6.4105 mg/s-6.8104 L/s-27.8103 L/s=064-（6.8+2.78）=0 =6.7 mg/L 第二节 质量衡算 第二节 质量衡算(3)非稳态系统例2-4 有一装满水的储槽，直径1m，高3m，现由槽底部的小孔向外排水，小孔的直径为4c

15、m，测得水流过小孔时的流速0与槽内水面高度z的关系为 ，试求放出1m3水所需的时间。解：设储槽的横截面积为A1，小孔面积为A2由题可知A20=-dV/dt 即0=-dz/dtA1/A2因此得出-dz/dt（100/4）2=即有-226.55z-0.5dz=dt z0=3 z1=z0-1（0.25）-1=1.73m积分可得 t=189.8s 一、热力学第一定律二、热力学第二定律本节的主要内容第三节 能量衡算水预热系统用热水或蒸汽加热水或污泥用冷水吸收电厂的废热水或污泥吸收热量温度升高冷却水吸收热量温度升高用量？加热时间？流量？温度？第三节 能量衡算一、热力学第一定律（一）能量衡算方程分析能量流

16、流体输送中，通过水泵对水做功，将水提升到高处？流体在管道中流动，由于黏性产生摩擦力，消耗机械能，转变为热量？两大类问题：主要涉及物料温度与热量变化的过程 冷却、加热、散热 系统对外做功，系统内各种能量相互转化 流体输送机械能衡算 热量衡算 第三节 能量衡算（1）流体携带能量进出系统热量 做功能量既不会消失也不能被创造。在给定的过程中，能量会发生形式上的改变 开放系统封闭系统能量输入输出的方式：（2）系统与外界交换能量（热，功）第三节 能量衡算任何系统经过某一过程时，其内部能量的变化等于该系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差，即物料所具有的各种能量之和，即总能量物料从外界吸收的热量物料对外界

17、所作的功系统内部物料能量的变化 系统内能量的变化（输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（系统内物料能量的积累）对于物料总质量：静压能位能动能内能EEEEE+=第三节 能量衡算(2.3.1)（输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（系统内能量的积累）（系统从外界吸收的热量）（对外界所作的功）对于单位时间：（单位时间输出系统的物料带出的总能量）（单位时间输入系统的物料带入的总能量）（单位时间系统内能量的积累）（单位时间系统从外界吸收的热量）（单位时间对外界所作的功）第三节 能量衡算对于单位质量物料：对于单位质量物料：第三节第三节 能量衡算能量衡算0能量可用焓表示能量可用焓

18、表示(2.3.1)冷却、加热、散热冷却、加热、散热 涉及物料温度与热量变化的过程涉及物料温度与热量变化的过程 热量衡算热量衡算单位时间输出系统的物料的焓值总和，即物料带出的能量总和 单位时间输入系统的物料的焓值总和，即物料带入的能量总和 单位时间系统内能量的积累 单位时间环境输入系统的热量，即系统的吸热量 对于单位时间：第三节 能量衡算(2.3.4)（二）、热量衡算方程物质的焓定义为焓值是温度与物态的函数，因此进行衡算时除选取时间基准外，还需要选取物态与温度基准，通常以273K物质的液态为基准。单位质量物质的焓单位质量物质的内能物质所处的压强单位质量物质的体积 第三节 能量衡算(2.3.5)封

19、闭系统与环境没有物质交换的系统 大气层、封闭的系统等系统从外界吸收的热量等于内部能量的积累对物料总质量进行衡算内部能量的变化表现为？第三节 能量衡算三、封闭系统的热量衡算(2.3.4)物料的比定压热容 物料温度改变 物料的质量 无相变情况下表现为温度的变化（1）恒压过程中，体系所吸收的热量全部用于焓的增加，即（2）恒容、不做非体积功的条件下，体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能，即物料的比定容热容 第三节 能量衡算1、无相变条件下的能量衡算物质的潜热 对于固体或液体：热量衡算方程第三节 能量衡算有相变情况下吸收或放出的潜热2.有相变条件下的热量衡算 第三节 能量衡算例2-5 有一个43m2的

20、太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/（m2h），有50%的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流，水的流量为0.8L/min，求流过取暖器的水升高的温度。解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取为1h。输入取暖器的热量为：30001250%=18000kJ/h设取暖器水升高的温度为（T），水流热量变化率为qmcpT根据热量衡算方程，有18000KJ/h=0.86014.183TkJ/hK解之得：T=89.65 K 与环境既有物质交换又有能量交换的系统对于单位时间物料进行衡算对于稳态过程 第三节 能量衡算3.开放系统的热量衡算(2.3.12)开放系统第三节 能量衡算4.传导：传导是温度梯度导致分子扩散使热经过材料而传递，傅里叶定律为计算通过传导的能量流提供一个表达式 5.对流：强制对流传热传递是指通过大规模的流体运动，如流动的河流或含水层，或鼓风来进行热能的传递 6.辐射：热辐射传递包括两个过程：一个物体吸收辐射能量，一个物体向外辐射能量。二、热力学第二定律 热力学第二定律指出，能量从高能区域流向低能区域。当能量发生转化的时候，能量的质会降低，热总是自发的从高温物体流向低温物体，气体自发地通过孔隙从高压区域渗入低压区域，通常从有序变成无序，随机性增加，并且结构和浓度趋于消失，这意味着转化过程中焓会被消耗掉。第三节 能量衡算