化工熱力學7課件

1、第第7章章 熱力學第二定律及其工程應用熱力學第二定律及其工程應用第第7章章 熱力學第二定律及其工程應用熱力學第二定律及其工程應用1)熱力學第二定律的定性表述方式和熵衡算方程；熱力學第二定律的定性表述方式和熵衡算方程；2)弄清一些基本概念，如系統(tǒng)與環(huán)境、環(huán)境狀態(tài)、弄清一些基本概念，如系統(tǒng)與環(huán)境、環(huán)境狀態(tài)、可逆的熱功轉換裝置可逆的熱功轉換裝置(即即Carnot循環(huán)循環(huán))、理想功與、理想功與損失功、有效能與無效能等；損失功、有效能與無效能等；3)學會應用學會應用熵衡算方程熵衡算方程、理想功與損失功的計算及、理想功與損失功的計算及有效能衡算方法有效能衡算方法對化工單元過程進行熱力學分析，對化工單元過程

2、進行熱力學分析，對能量的使用和消耗進行評價。對能量的使用和消耗進行評價。u重點內容重點內容能量相互轉換的熱點：能量相互轉換的熱點：能量相互轉換過程中數量上守恒能量相互轉換過程中數量上守恒熱力學第一定律熱力學第一定律能量轉換有一定的條件和方向能量轉換有一定的條件和方向不同的能量質量不同不同的能量質量不同功全部轉換成熱，熱量只能部分轉變?yōu)楣θ哭D換成熱，熱量只能部分轉變?yōu)楣崃坎荒茏詣訌牡蜏匚矬w傳向高溫物體熱量不能自動從低溫物體傳向高溫物體研究能量轉化過程中能量質量的變化特點研究能量轉化過程中能量質量的變化特點熱力學第二定律熱力學第二定律7.1 熱力學第二定律的表述方法熱力學第二定律的表述方法熱

3、力學第二定律：不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不發(fā)生不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不發(fā)生其它變化其它變化Clausius說法說法 不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏貌豢赡軓膯我粺嵩次崃渴怪耆優(yōu)橛杏霉Χ划a生其它影響功而不產生其它影響Kelvin說法說法 不可能制造一個機器，使之在循環(huán)動作中把一不可能制造一個機器，使之在循環(huán)動作中把一重物體升高，而同時使一熱源冷卻重物體升高，而同時使一熱源冷卻Planck說法說法 第二類永動機是不可能制造成功的第二類永動機是不可能制造成功的Kelvin-Planck 的說法的說法 孤立或絕熱系統(tǒng)的熵只可能增加，或保持不變，但孤立或絕熱系統(tǒng)的熵

4、只可能增加，或保持不變，但不可能減少不可能減少在兩個不同溫度間工作的所有熱機，不可能有任在兩個不同溫度間工作的所有熱機，不可能有任何熱機的效率比可逆熱機的效率更高何熱機的效率比可逆熱機的效率更高7.1.1 過程的不可逆性過程的不可逆性可逆過程：可逆過程：系統(tǒng)經歷某一過程后，如果在外界不發(fā)生任系統(tǒng)經歷某一過程后，如果在外界不發(fā)生任何變化的情況下能夠回復到初態(tài)的過程何變化的情況下能夠回復到初態(tài)的過程 不可逆過程：不可逆過程： 狀態(tài)恢復到初始時外界必然發(fā)生變化。狀態(tài)恢復到初始時外界必然發(fā)生變化。實際發(fā)生的一切過程都是實際發(fā)生的一切過程都是不可逆不可逆過程過程兩者關系兩者關系可逆過程是實際一切不可逆過

5、程的一種極限情況，可逆過程是實際一切不可逆過程的一種極限情況，實際應用中作為評價不可逆過程中技術設備、裝置效實際應用中作為評價不可逆過程中技術設備、裝置效率的標準。率的標準。7.1.2 熵熵熵熵(entropy)描述系統(tǒng)內分子無序熱運動的狀態(tài)函數描述系統(tǒng)內分子無序熱運動的狀態(tài)函數封閉系統(tǒng)的熵變封閉系統(tǒng)的熵變dQST熱源或系統(tǒng)的溫度熱源或系統(tǒng)的溫度系統(tǒng)與外界的熱量交換會引起系統(tǒng)熵的變化系統(tǒng)與外界的熱量交換會引起系統(tǒng)熵的變化熱力系統(tǒng)與外界環(huán)境所構成的孤立系統(tǒng)，熵變?yōu)椋簾崃ο到y(tǒng)與外界環(huán)境所構成的孤立系統(tǒng)，熵變?yōu)椋簍syssurddd0SSS表示總量表示總量表示系統(tǒng)表示系統(tǒng)表示環(huán)境表示環(huán)境7.1.3

6、熱源熵變和功源熵變熱源熵變和功源熵變熱源與外界只有熱量交換而無功和質量交換的系統(tǒng)封閉系統(tǒng)HHdQST熱源熱源高溫熱源高溫熱源T T1 1低溫熱源低溫熱源T T2 21QT2QT高溫與低溫熱源熵變之和：高溫與低溫熱源熵變之和：212111()QQSQTTTT孤立0T2與與T1相差越大，過程不可逆性越大，總熵變越大！相差越大，過程不可逆性越大，總熵變越大！功源功源功源永遠不可能有熵變功源永遠不可能有熵變7.2 熵平衡方程熵平衡方程7.2.1 封閉系統(tǒng)的熵平衡方程式封閉系統(tǒng)的熵平衡方程式封閉系統(tǒng)和熱源的熵增量之和等于過程內外不可逆性引起封閉系統(tǒng)和熱源的熵增量之和等于過程內外不可逆性引起的熵產量的熵產

7、量 HgtddddSSSSHHHHdQQSTTgHddQSSTgdS熵產，僅與過程是否可逆有關熵產，僅與過程是否可逆有關可逆過程：可逆過程：不可逆過程：不可逆過程：gd0S gd0S gH,ddiiiQSST7.2.2敞開系統(tǒng)熵平衡方程式敞開系統(tǒng)熵平衡方程式敞開系統(tǒng)敞開系統(tǒng)圖圖7-1 敞開系統(tǒng)的熵衡算示意圖敞開系統(tǒng)的熵衡算示意圖H,diiiQTd,jjjjmp T S,S iWd, ,iiiim p T SaccumlatedddSt熵流熵流dt 時間內的熵平衡關系accumlated,ddddiiijjiijH iSQSmSmtT入出accumlated0Staccumlated0,0iQi

8、jjiijiiH iSQS mS mtT入出將不可逆因素引起的熵產代入，可使不等式轉變?yōu)榈仁綄⒉豢赡嬉蛩匾鸬撵禺a代入，可使不等式轉變?yōu)榈仁絘ccumlated0,iQiiijjgiijH iSQS mS mStT 入出accumlatedg0,iQijjiijiiH iSQS mS mStT 入出或：可逆過程，該項等于零可逆過程，該項等于零系統(tǒng)總熵變系統(tǒng)總熵變對穩(wěn)定流動敞開系統(tǒng)對穩(wěn)定流動敞開系統(tǒng)g0,iQijjiijiiH iQSS mS mT入出7.3 熱機效率熱機效率熱機熱機將熱源提供的熱轉換成所需要的功循環(huán)操作裝置。熱機效率熱機效率熱機產生的凈功與向其提供的熱量之比。TTHSWQ熱機產

9、生的凈軸功熱機產生的凈軸功向熱機提供的熱量向熱機提供的熱量HLSQQWHLSQQW熱機排出的熱量熱機排出的熱量L0Q LTH1QQ7.4 理想功、損耗功與熱力學效率理想功、損耗功與熱力學效率7.4.1 理想功理想功對確定的產功或耗功過程，最大的功的代數值為該過程對確定的產功或耗功過程，最大的功的代數值為該過程的理想功的理想功idW獲得理想功獲得理想功的條件：的條件：系統(tǒng)的一切變化都在完全可逆的條件下進行系統(tǒng)的一切變化都在完全可逆的條件下進行系統(tǒng)內部的系統(tǒng)內部的 系統(tǒng)與環(huán)境之間的系統(tǒng)與環(huán)境之間的系統(tǒng)內部所有變化是可逆的系統(tǒng)內部所有變化是可逆的系統(tǒng)與溫度為系統(tǒng)與溫度為 的外界環(huán)境之間換熱也必須是可

10、逆的的外界環(huán)境之間換熱也必須是可逆的T7.4.2 穩(wěn)定流動過程的理想功穩(wěn)定流動過程的理想功id2121()()WHHTSS idWHTS 或或非流動過程呢？非流動過程呢？例7.2 試計算在流動過程中從1kmol氮氣從溫度為800K，壓力為4.0MPa到環(huán)境溫度為298.15K時所能給出的理想功，假設氮氣為理想氣體。解：初態(tài)(800K,4.0MPa)終態(tài)(298.15K,0.1013MPa)1kmol N2對理想氣體11298.150.1013118004.0R3.5 8.3148.314dddd1.84(kJ kmolK)TppTpcSTpTpTpTp1298.1541800d3.5 8.31

11、4d1.460 10kJ kmolTpTHcTT 可得：441id298.15 1.841.46 101.51 10 kJ kmolWTSH 7.4.3 損耗功損耗功系統(tǒng)在給定狀態(tài)變化過程中所提供的理想功與所作出的實際功差值 定義LidSWWW對穩(wěn)定流動系統(tǒng)idWHTS 021QTSSLWTSQ000;QQQST L0WTSS 或：LtgWTSTS例7.4 某廠有一輸送92熱水的管道，由于保溫不良，至使用時水溫降至67。計算每噸熱水輸送中由于散熱而引起的損失功。取環(huán)境溫度為25。已知水的比恒壓熱容為 。-1-14 1868kJkgK.解：解：以以1kg1kg水為計算基準水為計算基準9267-1

12、0214 1868340365104 67 kJkg ),水().().(pQcTT 此熱量引起的環(huán)境熵變?yōu)榇藷崃恳鸬沫h(huán)境熵變?yōu)?1-10sur104 670 351 kJkgK )298QST.(水在等壓下冷卻的熵變?yōu)樗诘葔合吕鋮s的熵變?yōu)?1-12sys13404 18680 297 kJkgK )365pTScT ,水ln.ln.(-1Lsyssur2980 2970 35116 10kJ kg )WTSS ()( .). (7.4.4 熱力學效率熱力學效率理想功理想功實際功實際功損耗功損耗功熱力學效率熱力學效率產功過程產功過程SidLIIididWWWWW耗功過程耗功過程ididII

13、SidLWWWWW可逆過程可逆過程II1不可逆過程不可逆過程II1意義：意義：是過程熱力學完善性的量度。它反映了過程的可逆是過程熱力學完善性的量度。它反映了過程的可逆程度，是代表熱力學第二定律的效率。程度，是代表熱力學第二定律的效率。 7.5 熵分析法在化工單元過程中的應用熵分析法在化工單元過程中的應用熵分析法的作用熵分析法的作用分析各種不可逆因素引起的功損耗的原因和大小分析各種不可逆因素引起的功損耗的原因和大小 提高過程熱力學完善性的程度提高過程熱力學完善性的程度 提高能量利用效率提高能量利用效率 熵分析法的步驟熵分析法的步驟確定出入系統(tǒng)各種物流量和熱流量、功流量以及各種確定出入系統(tǒng)各種物流

14、量和熱流量、功流量以及各種物流的狀態(tài)參數物流的狀態(tài)參數 確定物流的焓變和熵變確定物流的焓變和熵變 對系統(tǒng)能量衡算，并計算系統(tǒng)變化過程的理想功對系統(tǒng)能量衡算，并計算系統(tǒng)變化過程的理想功 計算系統(tǒng)的熵產生量，計算系統(tǒng)的損耗功；計算過計算系統(tǒng)的熵產生量，計算系統(tǒng)的損耗功；計算過程的熱力學效率程的熱力學效率 7.5.1 傳熱過程傳熱過程TA1，mA，pA1TA2，mA，pA2TB2，mB，pB2TB1，mB，pB1圖圖7-4 逆流換熱器中的傳熱過程逆流換熱器中的傳熱過程(1)熱流體熱流體A對冷流體所做的理想功對冷流體所做的理想功 流體無相變，忽略換熱過程壓降，其熵變和焓變分別為：流體無相變，忽略換熱過

15、程壓降，其熵變和焓變分別為： A2AAAA1lnpTSm cTAAAA2A1pHm cTTA2id, AAAAAA2A1AAA1lnppTWHTSm cTTT m cT理想功：理想功：這也是高溫流體從這也是高溫流體從TA1 到到TA2 變化過程所做的理想功。變化過程所做的理想功。(2)冷流體冷流體B所得的理想功所得的理想功冷流體吸收了高溫流體所放出的熱量，焓變、熵變和理冷流體吸收了高溫流體所放出的熱量，焓變、熵變和理想功為想功為B2BBBB1lnpTSm cTBBBB2B1pHm cTTB2id, BBBB2B1BB1lnppTWm cTTT cT (3)換熱過程的損失功換熱過程的損失功等于高

16、溫流體給出的理想功和低溫流體得到的理想功差值等于高溫流體給出的理想功和低溫流體得到的理想功差值 等于換熱過程的熵產量與環(huán)境溫度的乘積等于換熱過程的熵產量與環(huán)境溫度的乘積 A2B2gABAABBA1B1lnlnppTTSSSm cm cTT 為計算方便，引入冷熱流體間的換熱總量為計算方便，引入冷熱流體間的換熱總量 QttAAA2A1BBB2B1ppQm cTTm cTT 對換熱過程對換熱過程由以上兩式：由以上兩式：A2B2A1B1gtA2A1B2B1lnlnTTTTSQTTTT A2A1B2B1m, Am, BA2B2A1B1lnlnTTTTTTTTTT，設：設：熱、冷流體對數平均溫度熱、冷流體

17、對數平均溫度m, Am, Bgtm, A m, BTTSQTTm, Am, BLtm, A m, BTTWT QTT7.5.2 混合與分離過程混合與分離過程混合過程混合過程TA，pA，nATB，pB，nBTm，pm，nm混合器圖圖7-5混合過程混合過程理想功計算理想功計算S0HQW對絕熱混合器對絕熱混合器idWHTSTS 假定混合后為理想溶液，若混合前后溫度、壓力不同，假定混合后為理想溶液，若混合前后溫度、壓力不同，為計算方便，將混合過程分為二步進行為計算方便，將混合過程分為二步進行 第第步將系統(tǒng)溫度、壓力變化到混合器出口的溫度與壓力步將系統(tǒng)溫度、壓力變化到混合器出口的溫度與壓力 mmm1A1

18、B1AABBAABB(lnRln)(lnRln)mppTpTpSSSncncTpTp 第第步同溫同壓下不同組分進行混合，即為理想溶液混合步同溫同壓下不同組分進行混合，即為理想溶液混合熵變熵變 2AABBlnlnSnyny 則混合過程總熵變?yōu)橐陨隙届刈冎蛣t混合過程總熵變?yōu)橐陨隙届刈冎蚼AmmB12AABBAABB(lnRln)(lnRln)mppTy pTy pSSSncncTpTp 混合過程的理想功為混合過程的理想功為mAmmBidAABBAABB(lnln)(lnln)mppTy pTy pWTncRncRTpTp多組分混合過程，其理想功可寫為多組分混合過程，其理想功可寫為 mmid

19、,i,ilnRlnjjp jjjjjjy pTWTn cnTp損耗功損耗功gABmAABBSSnnSn Sn S 根據熵衡算方程根據熵衡算方程LgidWTSTSWid0lnlnjjjjWTn RyRT nyy 對于等溫等壓的混合過程，其理想功可簡化為對于等溫等壓的混合過程，其理想功可簡化為 說明混合過程的損失功在數量上等于理想功，不能得說明混合過程的損失功在數量上等于理想功，不能得到有效地利用。到有效地利用。 分離過程分離過程分離過程能耗是大型化工、石化企業(yè)中所占能耗比例最高。分離過程能耗是大型化工、石化企業(yè)中所占能耗比例最高。 (1)(1)等溫等壓下混合物分離為純度等溫等壓下混合物分離為純度

20、100100%產品的過程產品的過程該條件下的分離過程為混合過程的逆過程。對理想氣體該條件下的分離過程為混合過程的逆過程。對理想氣體 0id, id, lniiWWRT nyy混合分離(2)(2)等溫等壓下混合物分離為純度非等溫等壓下混合物分離為純度非100100%產品過程產品過程 分離A+BnA，nBWid1100A100BnA1AnA2AnB1BnB2BWid2Wid3(nA1+nB1)A(B)(nB2+nA2)B(A)Wid4Wid5圖圖7-6純度低于純度低于100%含量產品分離理想功計算示意圖含量產品分離理想功計算示意圖idid1id2id3id4id5id1id4id51122 2AB

21、iiiABiiABiiiiWWWWWWWWWRTnnyyRTnnyyRTnnyy, 1出,1出, 出,2出lnlnln7.6 有效能及其計算方法有效能及其計算方法7.6.1 有效能的概念有效能的概念有效能：有效能：物系處于某狀態(tài)時所具有的最大作功能力物系處于某狀態(tài)時所具有的最大作功能力有效能有效能理想功理想功基準態(tài)：基準態(tài)： 與周圍環(huán)境成平衡的狀態(tài)與周圍環(huán)境成平衡的狀態(tài)熱平衡、力平衡、化學平衡熱平衡、力平衡、化學平衡物系由所處的狀態(tài)到達基準態(tài)時所提供的理想功為物系由所處的狀態(tài)到達基準態(tài)時所提供的理想功為該狀態(tài)的有效能該狀態(tài)的有效能約束性平衡約束性平衡非約束性平衡非約束性平衡能級能級單位能量所含

22、有的有效能單位能量所含有的有效能017.6.2 有效能組成有效能組成機械能有效能熱量有效能XQEXmE物理有效能物理有效能XphE化學有效能化學有效能XcEXmXkXpEEEXQ1TEQT物系僅因溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力不同所具有物系僅因溫度和壓力與環(huán)境的溫度和壓力不同所具有的有效能的有效能 物系由于組成與環(huán)境組成不同所具有的有效能稱為物系由于組成與環(huán)境組成不同所具有的有效能稱為化學有效能化學有效能 穩(wěn)定流動的流體有效能組成為：穩(wěn)定流動的流體有效能組成為：XXmXQXphXcEEEEE7.6.3 有效能的計算有效能的計算物理有效能物理有效能XphEHHTSS()()某狀態(tài)某狀態(tài)( (T、p

23、) )的摩爾焓與摩爾熵的摩爾焓與摩爾熵 基準態(tài)時的摩爾焓與摩爾熵基準態(tài)時的摩爾焓與摩爾熵 基準態(tài)和基準態(tài)和參考態(tài)參考態(tài)的差異？的差異？從熱力學函數看，式從熱力學函數看，式(7-55)(7-55)可表達為可表達為Gibbs函數的變化量函數的變化量 (7-55)XphiEG T p Tpn( , , )物理有效能的計算也可通過查閱有關效力學圖表，如物理有效能的計算也可通過查閱有關效力學圖表，如T-S圖、圖、lnp-H圖，或溫度圖，或溫度-有效能圖、壓力有效能圖、壓力-有效能圖有效能圖等進行計算。等進行計算。 例7.6 某工廠有兩種余熱可以利用，一種是高溫煙道氣，主要成分是 、 和 汽，流量為500

24、 ，溫度為800，其平均比等壓熱容為 ；另一種是低溫排水，流量是1348 ，溫度為80，水的平均比等壓熱容為 ，假設環(huán)境溫度為298K。問兩種余熱中的有效能各為多少?2CO2N2H O-1-10.8kJ kgK-1kg h-1-14.18kJ kgK-1kg h解：解：將高溫煙道氣視為理想氣體將高溫煙道氣視為理想氣體Xph,5-1dd10735000 810732982982981 5710 (kJh )TTppTTpcEHHTSSmcTTTTTmcTTTT,煙道氣煙道氣,煙道氣,煙道氣()()()ln.()ln.高溫煙道氣從高溫煙道氣從800降低到環(huán)境溫度降低到環(huán)境溫度25放出的熱量放出的熱

25、量 5-1Q=5000 81073298 =3.110 (kJh )pmcTT煙道氣,煙道氣(-).()低溫排水的有效能低溫排水的有效能Xph,4-135313484 1 83532982982982 55 10(kJ h )pTEmcTTTT排 水, 排 水()ln.()ln.低溫排水從低溫排水從8080降低到環(huán)境溫度放出的熱量降低到環(huán)境溫度放出的熱量 5-1=13484 18353298 =3.110 (kJh )pQmcTT水,水(-).()兩者余熱大小相等兩者余熱大小相等高溫煙道氣有效能明顯大于低溫排水有效能高溫煙道氣有效能明顯大于低溫排水有效能環(huán)境模型環(huán)境模型：確定環(huán)境中基準物質濃度

26、與所處的熱力學狀態(tài)：確定環(huán)境中基準物質濃度與所處的熱力學狀態(tài) 龜山龜山-吉田模型吉田模型 1、環(huán)境溫度：、環(huán)境溫度： 2、大氣中，氣態(tài)基準物濃度、元素的基準物如、大氣中，氣態(tài)基準物濃度、元素的基準物如表表7.1和表和表7.2所示。所示?；瘜W有效能化學有效能298.15K0.101325MPaTp按化學反應和計量比計算化學有效能，類同于物按化學反應和計量比計算化學有效能，類同于物理化學中理化學中 的計算過程，分的計算過程，分單質元素化單質元素化學有效能、純態(tài)化合物化學有效能、及混合物的學有效能、純態(tài)化合物化學有效能、及混合物的化學有效能計算化學有效能計算SH、2N2O2H ONeHe2COAr表

27、表7.1 龜山龜山-吉田提出的大氣環(huán)境模型吉田提出的大氣環(huán)境模型成成 分分摩爾摩爾分數分數0.75600.20340.0312 0.0000180.00000520.00030.009122C+OCO (g)2CO (g)2221H +OH O(l)22H O(l)22331Fe+OFe O (s)4223Fe O (s)22Si+OSiO (s)2SiO (s)22Ti+OTiO (s)2TiO (s)22331Al+OAl O (s)4223Al O (s)表表7.2 某些元素的基準物、基準反應與基準物濃度某些元素的基準物、基準反應與基準物濃度元元 素素基準反應基準反應基準物基準物基準物濃

28、度基準物濃度(摩摩爾分數爾分數)C0.0003H1Fe1Si1Ti1Al11)元素標準化學有效能的計算元素標準化學有效能的計算用環(huán)境模型計算的物質化學有效能稱為標準化學有效能用環(huán)境模型計算的物質化學有效能稱為標準化學有效能 由于環(huán)境模型中的基準物化學有效能為零，因此元素由于環(huán)境模型中的基準物化學有效能為零，因此元素與環(huán)境物質進行化學反應變成基準物所提供的理想功即與環(huán)境物質進行化學反應變成基準物所提供的理想功即為元素的化學有效能。若化學反應在規(guī)定的環(huán)境模型中為元素的化學有效能。若化學反應在規(guī)定的環(huán)境模型中進行，則提供的理想功即為元索的標準化學有效能。進行，則提供的理想功即為元索的標準化學有效能。

29、 空氣中所包含的氣體組分在空氣中所包含的氣體組分在298.15K下達到飽和濕下達到飽和濕空氣中相應的分壓空氣中相應的分壓 時的化學有效能為零。因此這些時的化學有效能為零。因此這些氣體組分的標準化學有效能就等于由氣體組分的標準化學有效能就等于由0.101325MPa于于298.15K下等溫膨脹到時的理想功，即：下等溫膨脹到時的理想功，即： Xc298 15iiipERp ,.lnip2)化合物的標準化學有效能計算化合物的標準化學有效能計算對于化學反應式對于化學反應式()0iiiiA Si為化學反應的計量系數。為化學反應的計量系數。 在在298.15K、0.101325MPa下，單質生成化合物時所

30、提下，單質生成化合物時所提供的理想功即為該物系標準生成自由焓的變化的負值，供的理想功即為該物系標準生成自由焓的變化的負值，即：即：idfWG 化合物的標準摩爾化學有效能應等于組成化合物的化合物的標準摩爾化學有效能應等于組成化合物的單質標準摩爾化學有效能之和減去生成反應過程的理單質標準摩爾化學有效能之和減去生成反應過程的理想功，即想功，即 Xc,Xcijjf ijEEG,單質單質j的標準摩爾化學有效能的標準摩爾化學有效能 化合物化合物i的標準摩爾化學有效能的標準摩爾化學有效能 化合物化合物i的標準生成自由焓的標準生成自由焓 3)混合物的標準化學有效能的計算混合物的標準化學有效能的計算 理想氣體混

31、合物的標準摩爾化學有效能可用各純理想氣體混合物的標準摩爾化學有效能可用各純組分的標推摩爾化學有效能及混合物的組成來計算，組分的標推摩爾化學有效能及混合物的組成來計算，即：即：Xc,mixXc,iiiiiiEy ERTyyln純組分純組分i的標準摩爾化學有效能的標準摩爾化學有效能 混合物的標準摩爾化學有效能混合物的標準摩爾化學有效能 對于液體混合物，假定其為理想溶液，則上式仍然適用。對于液體混合物，假定其為理想溶液，則上式仍然適用。若為非理想溶液，則其標準摩爾化學有效能為：若為非理想溶液，則其標準摩爾化學有效能為：Xc,mixXc,iRiiiiiEx ETxaln7.6.4 無效能無效能（Ane

32、ry）概念：概念：給定環(huán)境下能量中不能轉變?yōu)橛杏霉Φ牟糠纸o定環(huán)境下能量中不能轉變?yōu)橛杏霉Φ牟糠謱銣責崃繉銣責崃縌X1QTEQT無效能部分無效能部分 NTAQT環(huán)境溫度下環(huán)境溫度下NAQ某狀態(tài)焓某狀態(tài)焓H，可以根據穩(wěn)定流動過程的物系有效能計，可以根據穩(wěn)定流動過程的物系有效能計算式求取算式求取 XphEHHTSS()()無效能部分無效能部分 NAHTSS()系統(tǒng)總能量等于有效能加無效能系統(tǒng)總能量等于有效能加無效能XNEEA節(jié)能的正確意義在于節(jié)約有效能節(jié)能的正確意義在于節(jié)約有效能XNddEA 7.7 有效能平衡方程與有效能損失有效能平衡方程與有效能損失7.7.1有效能平衡方程有效能平衡方程X,X

33、Q,X,S,L,Xd/dikjjiikjjiEEEWWEtX,XQ,X,S,L,Xd/dikjjiikjjiEEEWWEt對于穩(wěn)定流動可逆過程，對于穩(wěn)定流動可逆過程， ，有效能是守恒的，有效能是守恒的 L,0iiWX,XQ,X,S,ikjjikjjEEEW對于穩(wěn)定流動不可逆過程對于穩(wěn)定流動不可逆過程 L,0iiW系統(tǒng)有效能減少無效能增加系統(tǒng)有效能減少無效能增加 L,X,XQ,X,S,iikjjiikjjWEEEW定義有效能效率定義有效能效率 X,S,L,EX,XQ,X,XQ,1jjijjiikikikikEWWEEEE idXWE 理想功理想功有效能有效能7.7.2 有效能損失有效能損失X,X

34、,XQ,S,L,()ijkjiijkjiEEEWW 有效能為非守恒量，系統(tǒng)有效能損失包含兩部分有效能為非守恒量，系統(tǒng)有效能損失包含兩部分內部損失：即由系統(tǒng)內部各種不可逆因素造成的有效內部損失：即由系統(tǒng)內部各種不可逆因素造成的有效能損失能損失 外部損失：即通過各種途徑散失和排放到環(huán)境介質中外部損失：即通過各種途徑散失和排放到環(huán)境介質中去的有效能損失。去的有效能損失。 有效能損失不等于能量損失有效能損失不等于能量損失能量是守恒的，通常能量損失僅指過程中某一系統(tǒng)的有效能量是守恒的，通常能量損失僅指過程中某一系統(tǒng)的有效能和無效能總量損失能和無效能總量損失注意注意： 實際工作經常將能量概念和有效能概念等

35、同實際工作經常將能量概念和有效能概念等同敘述，要區(qū)別對待。敘述，要區(qū)別對待。7.8 化工過程能量分析及合理用能化工過程能量分析及合理用能化工過程能量分析的任務化工過程能量分析的任務 確定過程中能量損失或有效能損失的大小、原因及其分布確定過程中能量損失或有效能損失的大小、原因及其分布 確定過程的效率確定過程的效率 化工過程能量分析方法化工過程能量分析方法能量平衡分析法能量平衡分析法熵平衡分析法熵平衡分析法有效能平衡分析法有效能平衡分析法層次要求越來越高層次要求越來越高7.8.1 能量平衡分析法能量平衡分析法能量平衡能量平衡分析法分析法根據能量平衡方程確定過程的能量損失根據能量平衡方程確定過程的能

36、量損失和能量的利用率和能量的利用率 步驟步驟 確定出入系統(tǒng)的各種物流量和狀態(tài)參數、熱流量和確定出入系統(tǒng)的各種物流量和狀態(tài)參數、熱流量和功流量功流量 確定過程的能量損失和熱力學第一定律效率確定過程的能量損失和熱力學第一定律效率 確定循環(huán)過程的熱力學效率確定循環(huán)過程的熱力學效率 形式形式以進入系統(tǒng)的全部能量為基礎的能量平衡以進入系統(tǒng)的全部能量為基礎的能量平衡 以供給系統(tǒng)的能量為基礎的能量平衡以供給系統(tǒng)的能量為基礎的能量平衡 (1)以進入系統(tǒng)全部能量為基礎的能量平衡以進入系統(tǒng)全部能量為基礎的能量平衡進入系統(tǒng)的能量：進入系統(tǒng)的能量：一次能源和二次能源的供給能一次能源和二次能源的供給能E供給原料等帶入系

37、統(tǒng)的輸入能原料等帶入系統(tǒng)的輸入能 E輸入系統(tǒng)輸出的能量：系統(tǒng)輸出的能量：產品帶出系統(tǒng)的輸出能產品帶出系統(tǒng)的輸出能 E輸出離開系統(tǒng)的排出能離開系統(tǒng)的排出能 E排出回收能回收能E回收系統(tǒng)的能量平衡方程系統(tǒng)的能量平衡方程 EEEEE供給輸入輸出排出回收EEE回收回收供給輸入EEE輸出輸出供給輸入EEE排出排出供給輸入1回收輸出排出1 利用排出(2)以供始系統(tǒng)的能源能量為基礎的能量平衡以供始系統(tǒng)的能源能量為基礎的能量平衡 目的在于考察能源供給系統(tǒng)的能量利用情況目的在于考察能源供給系統(tǒng)的能量利用情況 解：解：以每噸氨為計算基準，忽略裝置的熱損失和驅以每噸氨為計算基準，忽略裝置的熱損失和驅動水泵所需的軸功

38、動水泵所需的軸功(即認為，即認為， ， ) 30.0123MPap -132557kJ kgH 熱-1-136kJ kmolKpc 4.0MPa、溫度為、溫度為703K的過熱蒸汽。蒸汽通過透平作功，的過熱蒸汽。蒸汽通過透平作功，離開透平的乏汽壓力為離開透平的乏汽壓力為，為為323K時進入廢熱鍋爐。試用能量平衡法計算此余熱利時進入廢熱鍋爐。試用能量平衡法計算此余熱利用裝置的熱效率用裝置的熱效率。已知轉化氣的平均恒壓摩爾熱容為。已知轉化氣的平均恒壓摩爾熱容為。 例例7.7 設有合成氨廠二段爐出口高溫轉化氣余熱利用裝置，設有合成氨廠二段爐出口高溫轉化氣余熱利用裝置，如圖如圖7-9。轉化氣進入及離開廢

39、熱鍋爐的溫度分別為。轉化氣進入及離開廢熱鍋爐的溫度分別為1273K和和653K，轉化氣流量為，轉化氣流量為516033-1NHNmt 產生壓力為產生壓力為乏汽進入冷凝器，用乏汽進入冷凝器，用303K的冷卻水冷凝，冷凝水在溫度的冷卻水冷凝，冷凝水在溫度0Q 14HH14SS，查水蒸氣表可得各狀態(tài)點參數值為查水蒸氣表可得各狀態(tài)點參數值為 -1kJ kg-1-1kJ kgK表表7.4 各狀態(tài)點水熱力學性質表各狀態(tài)點水熱力學性質表H/S/狀態(tài)點p/MPaT/K14.0323212.60.703524.07033284.66.872930.012332325577.969440.0123323212.6

40、0.703500.10133303125.70.4365表表7.5 轉化氣余熱回收能量平衡結果匯總表轉化氣余熱回收能量平衡結果匯總表3-1NHkJ t 3-1NHkJ t 65.142 1061.218 1063.924 1065.142 1065.142 10輸入輸入輸出輸出%高溫氣余熱高溫氣余熱100作功作功23.7冷卻水帶走熱冷卻水帶走熱86.3合計合計1001007.8.2 熵分析法，有效能分析法熵分析法，有效能分析法通過熵平衡方程，有效能平衡方程，確定過程的熵產，有效能損失和熱力學第二效率，有效能效率步驟確定出入系統(tǒng)的各種物流量、熱流量和功流量，各種物流的狀態(tài)參數 通過熵平衡方程，計算過程的熵產確定熱力學第二定律效率 由有效能平衡方程式，確定過程的有效能損失 確定過程有效能效率例7.11 分別用熵分析法和有效能分析法確定例7.10中余熱利用裝置的熱力學效率和有效能效率 表表7.6 7.6 轉化氣余熱回收裝置用能熵分析法匯總表轉化氣余熱回收裝置用能熵分析法匯總表 3-1NHkJ t 3-1NHkJ t 63.465 1061.218 10L,W廢熱61.451 10L,W透平55.562 10L,W冷卻器52