流動系統(tǒng)的熱力學原理及應用

1、第六章第六章流動系統(tǒng)的熱力學原理及應用流動系統(tǒng)的熱力學原理及應用 6.1 熱力學第一定律熱力學第一定律一、熱力學第一定律的實質一、熱力學第一定律的實質能量在數(shù)量上是守恒。能量在數(shù)量上是守恒?；拘问綖椋夯拘问綖椋?(體系的能量體系的能量)(環(huán)境的能量環(huán)境的能量)0或或 (體系的能量體系的能量)(環(huán)境的能量環(huán)境的能量)體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。 二、能量平衡方程二、能量平衡方程 1、一般形式一般形式 WsQZ1Z2m1 P1 V1 u1 U1m2 P2 V2 u2 U2進入體系的能量離開體系的能量進入體系的能量離開體系的能量=體系積累的能量體系

2、積累的能量式中：式中：E單位質量流體的單位質量流體的 總能量，它包含有熱總能量，它包含有熱 力學能、動能和位能。力學能、動能和位能。 gZuUE 22 mEdmVpmEWQmVpmES 2222211111 PV流動功，表示單位質量流體對環(huán)境或環(huán)境對流體所流動功，表示單位質量流體對環(huán)境或環(huán)境對流體所 作的功作的功功力功力*距離距離P*S*V/A=PV P1V1輸入流動功，環(huán)境對體系作功輸入流動功，環(huán)境對體系作功 P2V2輸出流動功，體系對環(huán)境作功。輸出流動功，體系對環(huán)境作功。 Ws單位流體通過系統(tǒng)時所作的軸功單位流體通過系統(tǒng)時所作的軸功？ 21,PPrevsVdPW 對于可逆軸功對于可逆軸功軸

3、功：流體流經(jīng)設備的運動機構時通過軸傳遞的功。軸功：流體流經(jīng)設備的運動機構時通過軸傳遞的功。證明：證明：對于可逆總功對于可逆總功 sVVrevWVPVPPdVW 112221 11221122VPVPPdVVPVPWWrevs 11222211)(VPVPPVdVdppdVpVdVPVP VdppdVVPVP1122 VdPWs所以所以 能量平衡方程一般形式能量平衡方程一般形式代入上式得代入上式得gZuUE 22將將)2()2()2(222222221111211gZuUmdWQmVpgZuUmVpgZuUS 考慮到考慮到 H=U+PV ，則，則)2()2()2(22222211211gZuUm

4、dWQmgZuHmgZuHs 能量平衡方程能量平衡方程適合任意系統(tǒng)適合任意系統(tǒng) mEdmVpmEWQmVpmES 2222211111 2、能量平衡方程的應用、能量平衡方程的應用 （1）封閉系統(tǒng)：無質量交換，限定質量體系）封閉系統(tǒng)：無質量交換，限定質量體系 m1=m2=dm=0且封閉體系不存在流動功且封閉體系不存在流動功 Ws=W，所以有，所以有 0)2(2 ud 0 gZd若忽略動能、位能的變化，即若忽略動能、位能的變化，即)2(2gZuUmdWQS mdUWQ 積分形式：積分形式：UWQ 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)能量平衡方程能量平衡方程（2）穩(wěn)定流動系統(tǒng)）穩(wěn)定流動系統(tǒng) 穩(wěn)定流動過程，表現(xiàn)在流動過程

5、中系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定流動過程，表現(xiàn)在流動過程中系統(tǒng)內(nèi) (1)每點狀態(tài)不隨時間變化每點狀態(tài)不隨時間變化可得到穩(wěn)流系統(tǒng)的一般能量平衡方程為可得到穩(wěn)流系統(tǒng)的一般能量平衡方程為 (2)沒有質量和能量的積累沒有質量和能量的積累 m1=m2 dm=0sWQZguH 2210)2(2 ud 0 gZd若忽略動能、位能的變化，即若忽略動能、位能的變化，即HWQs 穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量平衡方程的應用穩(wěn)定流動系統(tǒng)能量平衡方程的應用n 對化工機器：如膨脹機，壓縮機等。對化工機器：如膨脹機，壓縮機等。n流體的動能，位能變化量與體系焓值的變化量相比較，流體的動能，位能變化量與體系焓值的變化量相比較，或者與流體與環(huán)境交換的熱和功相比

6、較，大都可以忽或者與流體與環(huán)境交換的熱和功相比較，大都可以忽略。也即略。也即0212 u 0 Zg sWQH 對化工設備類：如反應器，換熱器，閥門、管道等對化工設備類：如反應器，換熱器，閥門、管道等0 Zg 0212 u 且且Ws=0這個式子的物理意義表現(xiàn)在：體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化這個式子的物理意義表現(xiàn)在：體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化學反應，相變化，溫度變化時，與環(huán)境交換的熱量（反應學反應，相變化，溫度變化時，與環(huán)境交換的熱量（反應熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。 體系狀態(tài)變化，如體系狀態(tài)變化，如反應熱反應熱 相變熱相變熱 顯熱顯熱 化學反應化學反應 相變化相變化

7、 溫度變化溫度變化 Q H QH 對化工機器的絕熱過程對化工機器的絕熱過程 當體系在絕熱情況下，與環(huán)境進行功的交換時，當體系在絕熱情況下，與環(huán)境進行功的交換時，0 Zg 0212 u Q=0 HWs 此式說明了在絕熱情況下，當動能和位能的變化相對此式說明了在絕熱情況下，當動能和位能的變化相對很小時，體系與環(huán)境交換的功量等于體系焓的減少。很小時，體系與環(huán)境交換的功量等于體系焓的減少。 對噴嘴，如噴射器，是通過改變流體截面以使流體的動對噴嘴，如噴射器，是通過改變流體截面以使流體的動能與內(nèi)能發(fā)生變化的一種裝置。能與內(nèi)能發(fā)生變化的一種裝置。 n對于這種裝置對于這種裝置，Ws=0， gZ0 流體通過噴嘴

8、速度很快來不及換熱，可視為絕熱過程，流體通過噴嘴速度很快來不及換熱，可視為絕熱過程，Q = 0 221uH 6.2 熱力學第二定律和熵平衡熱力學第二定律和熵平衡 一、熱力學第二定律一、熱力學第二定律常見的兩種表述：常見的兩種表述： 1、克勞修斯說法：熱不可能從自動從低溫物體傳給高溫、克勞修斯說法：熱不可能從自動從低溫物體傳給高溫物體。物體。 2、開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛?、開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兓Ｓ霉Χ灰鹌渌兓?熱量傳遞的方向和限度熱量傳遞的方向和限度高溫高溫低溫低溫自發(fā)自發(fā) 非自發(fā)非自發(fā) 限度：限度：T=0 熱功轉化的方

9、向熱功轉化的方向 熱功轉化的限度要由卡諾循環(huán)的熱機效率來解決熱功轉化的限度要由卡諾循環(huán)的熱機效率來解決 功功熱熱100%自發(fā)自發(fā) 100%非自發(fā)非自發(fā) 實質：規(guī)定過程進行的方向和限度實質：規(guī)定過程進行的方向和限度 自發(fā)過程都是不可逆的。自發(fā)過程都是不可逆的。 自發(fā)過程：不消耗功自發(fā)過程：不消耗功非自發(fā)過程：消耗功非自發(fā)過程：消耗功 可進行的過程可進行的過程 1 1、卡諾定律：所有工作于同溫熱源和同溫冷源之間的、卡諾定律：所有工作于同溫熱源和同溫冷源之間的熱機，以可逆熱機效率最高。熱機，以可逆熱機效率最高?？ㄖZ循環(huán)：卡諾循環(huán)：高溫熱源（恒高溫熱源（恒TH）低溫熱源（恒低溫熱源（恒TL）工質從高溫

10、熱源工質從高溫熱源TH吸收吸收熱量，部分轉化為功，熱量，部分轉化為功，其余排至低溫熱源其余排至低溫熱源TL。 THTLQH QL W 二、熵及熵增原理二、熵及熵增原理 工質從高溫熱源吸收的熱量轉化為凈功的比率。工質從高溫熱源吸收的熱量轉化為凈功的比率。 卡諾循環(huán)由四個過程組成：卡諾循環(huán)由四個過程組成： 可逆等溫膨脹可逆等溫膨脹可逆絕熱膨脹可逆絕熱膨脹可逆等溫壓縮可逆等溫壓縮可逆絕熱壓縮可逆絕熱壓縮TSPV123412QHQH4QL3WWQL 工質吸熱溫度大于工質排工質吸熱溫度大于工質排熱溫度，產(chǎn)功過程。熱溫度，產(chǎn)功過程。 熱效率熱效率: :HLHSTTQW 1 注意以下幾點：注意以下幾點： 1

11、 1 1 實實際際不不可可能能或或0LHTT若使若使(1) (2) =f(TH，TL) , 若使若使，則則 TH ,TL 工程上采用高溫高壓，提高工程上采用高溫高壓，提高TH，但又受到材質影響但又受到材質影響. (3) 若若TH=TL，=0, W=0 這就說明了單一熱源不能轉換為功，必須有兩個熱源。這就說明了單一熱源不能轉換為功，必須有兩個熱源。 (4) 卡諾循環(huán)，卡諾循環(huán)，可逆可逆最大，相同最大，相同TH,TL無論經(jīng)過何種過程，無論經(jīng)過何種過程，可逆可逆是相同的，實際熱機只能接近，不能達到是相同的，實際熱機只能接近，不能達到 2 2、熵的定義、熵的定義熵定義為可逆熱溫熵，表達式：熵定義為可逆

12、熱溫熵，表達式： TQdSrev 熵的微觀物理意義：是系統(tǒng)熵的微觀物理意義：是系統(tǒng)的混亂程度大小的度量。的混亂程度大小的度量。3 3、熱力學第二定律的數(shù)學表達式、熱力學第二定律的數(shù)學表達式 對可逆過程：對可逆過程： TQdS可可逆逆 對不可逆過程：對不可逆過程： TQdS不不可可逆逆 TQdS 不可逆不可逆可逆可逆熱力學第二定律的數(shù)學表達式熱力學第二定律的數(shù)學表達式注意：注意： 熵狀態(tài)函數(shù)。只要初，終態(tài)相同熵狀態(tài)函數(shù)。只要初，終態(tài)相同，不可逆不可逆可逆可逆SS 對于不可逆過程應設計一個可逆過程，利用可逆過程對于不可逆過程應設計一個可逆過程，利用可逆過程的熱溫熵積分進行熵變計算的熱溫熵積分進行熵

13、變計算4 4、熵增原理、熵增原理 對于孤立體系（或絕熱體系）對于孤立體系（或絕熱體系）0 Q TQdS 0 dS由由0 0 不可能進行的過程不可能進行的過程 0 0 不可逆過程不可逆過程0 tS 0 0 可逆過程可逆過程0 tS 熵增原理熵增原理表達式表達式結論：結論： 自然界的一切自發(fā)進行的過程都是熵增大的過程；自然界的一切自發(fā)進行的過程都是熵增大的過程； 同時滿足熱力學第和第二定律的過程，實際當中才能同時滿足熱力學第和第二定律的過程，實際當中才能實現(xiàn)，違背其中任一定律，其過程就不可能實現(xiàn)。實現(xiàn)，違背其中任一定律，其過程就不可能實現(xiàn)。0S SSt 總熵變?yōu)榭傡刈優(yōu)? tS 自發(fā)進行的限度自發(fā)

14、進行的限度0 tS 自發(fā)進行的方向自發(fā)進行的方向 熵增原理：熵增原理：自發(fā)進行的不可逆過程只能向著總熵增加的方向自發(fā)進行的不可逆過程只能向著總熵增加的方向進行，最終趨向平衡狀態(tài)。此時總熵變達到最大值，即達到進行，最終趨向平衡狀態(tài)。此時總熵變達到最大值，即達到了過程的終點。了過程的終點。三、封閉系統(tǒng)的熵平衡三、封閉系統(tǒng)的熵平衡根據(jù)熱力學第二定律根據(jù)熱力學第二定律TQdS 若寫成等式，則若寫成等式，則gdSTQdS 其積分形式為其積分形式為 gSTQS 21封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)的熵平衡的熵平衡方程方程熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生：在不可逆過程中，有序的能量耗散為無序的熱能熵產(chǎn)生：在不可逆過程中，有序的能量耗散為

15、無序的熱能（如摩擦等），并為系統(tǒng)吸收而導致系統(tǒng)熵的增加，這部（如摩擦等），并為系統(tǒng)吸收而導致系統(tǒng)熵的增加，這部分熵常稱為熵產(chǎn)生。分熵常稱為熵產(chǎn)生。 熵產(chǎn)生是因體系的內(nèi)在原因引起的熵變化，與環(huán)境無熵產(chǎn)生是因體系的內(nèi)在原因引起的熵變化，與環(huán)境無關，關， 屬于內(nèi)因熵變，屬于內(nèi)因熵變，是由于體系內(nèi)部不可逆性而引起的是由于體系內(nèi)部不可逆性而引起的熵變化。熵變化。四、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熵平衡四、穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熵平衡將容量性質衡算通式用于熵，得將容量性質衡算通式用于熵，得: :物流流入物流流入 iiiSm物流流出物流流出 jjjSm TQ gS 積積累累產(chǎn)產(chǎn)生生出出入入SSTQSSii 物料物料熱量熱量熵攜帶者

16、熵攜帶者。功與熵變化無直接關系，功不攜帶熵功與熵變化無直接關系，功不攜帶熵敞開系統(tǒng)敞開系統(tǒng)熵平衡方程為熵平衡方程為： jjjiiigfSmSmSSS 物料攜帶的熵：物料攜帶的熵：miSi 21TQSTQdSff 或或熱流攜帶的熵：熱流攜帶的熵：熵流：由熱量流入或流出系統(tǒng)引起的相應的熵變熵流：由熱量流入或流出系統(tǒng)引起的相應的熵變 （1）對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)：）對于穩(wěn)定流動系統(tǒng)： 0 S 0 ijjiiigfSmSmSS 結論結論：n熵產(chǎn)生可以用作判斷過程方向的準則熵產(chǎn)生可以用作判斷過程方向的準則 0 0 時，體系內(nèi)部的過程不自發(fā)。時，體系內(nèi)部的過程不自發(fā)。 0 0 時，體系內(nèi)部的過程不可逆或自發(fā)；時

17、，體系內(nèi)部的過程不可逆或自發(fā)；0 0 時，體系內(nèi)部的過程可逆或平衡；時，體系內(nèi)部的過程可逆或平衡；gS 代入熵平衡方程中代入熵平衡方程中 gtS S可逆過程可逆過程 00S gtS 不可逆過程不可逆過程 00SSgt （2 2）對孤立體系：因與環(huán)境沒有物質和能量交換）對孤立體系：因與環(huán)境沒有物質和能量交換00 jjjiiifSmSmS 因因 穩(wěn)定流動系統(tǒng)熵平衡方程的特殊形式穩(wěn)定流動系統(tǒng)熵平衡方程的特殊形式 絕熱過程絕熱過程 0 TQSf 可逆過程可逆過程0 gS jjjiiigSmSmS0 0 jjjiiifSmSmS 絕熱可逆過程絕熱可逆過程 00 fgSS ， jjjiiiSmSm絕熱節(jié)流

18、過程絕熱節(jié)流過程 0, fjiSmmm 0 SmSSSmSgijg 應用舉例應用舉例n 有一人聲稱發(fā)明了一臺有一人聲稱發(fā)明了一臺穩(wěn)流裝置，將穩(wěn)流裝置，將1kg溫度為溫度為373K的飽和蒸汽通過此裝的飽和蒸汽通過此裝置 時 ， 能 向 溫 度 為置 時 ， 能 向 溫 度 為463.15K的高溫熱庫輸送的高溫熱庫輸送1900KJ的熱量，同時自身的熱量，同時自身冷卻為冷卻為0.1MPa（1atm），），273K的冷凝水。用于冷卻的冷凝水。用于冷卻蒸汽的天然水的溫度為蒸汽的天然水的溫度為273K。問此裝置是否可行問此裝置是否可行? 高溫熱源高溫熱源Q1=1900kJ穩(wěn)流裝置穩(wěn)流裝置冷卻水冷卻水273

19、KQ0H2=0水水 1Kg1atm，273KS2=0飽和蒸汽飽和蒸汽H1=2676.1kJ/Kg1Kg，373kS1=7.3549kJ/KgK 解：根據(jù)題意，蒸汽做穩(wěn)定連續(xù)流動。因解：根據(jù)題意，蒸汽做穩(wěn)定連續(xù)流動。因 W Ws s = 0= 0，于是，于是1121 .26761 .26760 kgkJHHHQ 1101 .77619001 .2676 kgkJQQQ向冷端放熱向冷端放熱3549. 73549. 70121 SSS 每每kgkg水蒸汽的熵變?yōu)樗羝撵刈優(yōu)楦邷貎崞鞯撵刈優(yōu)楦邷貎崞鞯撵刈優(yōu)镵kgkJTQS 1112102. 415.4631900 低溫冷端的熵變?yōu)榈蜏乩涠说撵刈?/p>

20、為 KkgkJTQS 1003841. 215.2731 .776 所以，設計的過程不能實現(xiàn)。所以，設計的過程不能實現(xiàn)。 該過程之所以不能實現(xiàn)，是因為系統(tǒng)和環(huán)境的總熵變小于該過程之所以不能實現(xiàn)，是因為系統(tǒng)和環(huán)境的總熵變小于零，即環(huán)境的熵增太小。如果想使得該過程實現(xiàn)，必須加零，即環(huán)境的熵增太小。如果想使得該過程實現(xiàn)，必須加大環(huán)境的熵增。從大環(huán)境的熵增。從S2和和S3的計算式分析，只要相應縮的計算式分析，只要相應縮小的值，而增大，就可以使總熵變大于零。小的值，而增大，就可以使總熵變大于零?？傡刈?yōu)榭傡刈優(yōu)?KkgkJSSSS 1321412. 0 n損失功法：損失功法： 是以是以熱力學第一定律為基

21、礎熱力學第一定律為基礎，與理想功，與理想功進行比較，用熱效率評價。進行比較，用熱效率評價。n有效能分析法：有效能分析法： 將將熱力學第一定律，熱力學第二定熱力學第一定律，熱力學第二定律律結合起來，對化工過程每一股物料進行分析，是用結合起來，對化工過程每一股物料進行分析，是用有效能效率評價。有效能效率評價。目前進行化工過程熱力學分析的方法大致有目前進行化工過程熱力學分析的方法大致有兩種兩種：6.3 6.3 有效能與過程的熱力學分析有效能與過程的熱力學分析一、理想功一、理想功1 1、定義：、定義： 體系以可逆方式完成一定的狀態(tài)變化，理論上可體系以可逆方式完成一定的狀態(tài)變化，理論上可產(chǎn)生的最大功產(chǎn)生

22、的最大功( (對產(chǎn)功過程對產(chǎn)功過程) )，或者理論上必須消耗的最小功，或者理論上必須消耗的最小功( (消耗過程消耗過程) )，稱為理想功。，稱為理想功。WmaxWmax ( (WminWmin) )完全可逆完全可逆體系以狀態(tài)體系以狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2 2要注意要注意: : 完全可逆完全可逆狀態(tài)變化可逆；狀態(tài)變化可逆；傳熱可逆?zhèn)鳠峥赡? (物系與環(huán)境物系與環(huán)境) )2、流動過程理想功的計算式、流動過程理想功的計算式對于穩(wěn)流過程，熱力學第一律表達式為：對于穩(wěn)流過程，熱力學第一律表達式為： SWQZguH 221忽略動，勢能變化忽略動，勢能變化 SWQH 因過程可逆因過程可逆 STQ 0 STHWi

23、d 0 穩(wěn)流過程理想穩(wěn)流過程理想功計算式功計算式注意點：注意點： 上式忽略了進出口的動能，勢能的變化。完整的表達式為：上式忽略了進出口的動能，勢能的變化。完整的表達式為：ZguSTHWid 2021 體系經(jīng)歷一個穩(wěn)流過程，狀態(tài)發(fā)生變化，即可計算其理體系經(jīng)歷一個穩(wěn)流過程，狀態(tài)發(fā)生變化，即可計算其理想功，理想功的值決定于體系的始、終態(tài)與環(huán)境溫度，而想功，理想功的值決定于體系的始、終態(tài)與環(huán)境溫度，而與實際變化途徑無關。與實際變化途徑無關。結論：結論： 體系發(fā)生狀態(tài)變化的每一個實際過程都有其對應體系發(fā)生狀態(tài)變化的每一個實際過程都有其對應的理想功。的理想功。 理想功決定于體系的始、終態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，與過程

24、無關；理想功決定于體系的始、終態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，與過程無關；例題例題6-2 求求298K、0.1013MPa的水，變成的水，變成273K、同壓力下冰、同壓力下冰的理想功。設環(huán)境溫度分別是（的理想功。設環(huán)境溫度分別是（a）25；（；（b）-5。已知。已知273K時冰的熔化焓為時冰的熔化焓為334.7kJ kg-1 二、損失功二、損失功W WL L n1 1、定義：系統(tǒng)在相同的變化過程中，實際過程所作的、定義：系統(tǒng)在相同的變化過程中，實際過程所作的功（產(chǎn)生或消耗）與完全可逆過程所作的理想功之差。功（產(chǎn)生或消耗）與完全可逆過程所作的理想功之差。n數(shù)學式：數(shù)學式： idsLWWW 對穩(wěn)流體系對穩(wěn)流體系ST

25、HWid 0 QHWS tLSTSTSTW 0000 00STQ 又因為對于環(huán)境又因為對于環(huán)境損失功由兩部分組成：損失功由兩部分組成：一是由過程的不可逆性一是由過程的不可逆性而引起的熵增加造成的，而引起的熵增加造成的，二是由過程熱損失造成二是由過程熱損失造成的。的。QSTWL 0所以所以結論：結論： 0 tS 0 LW（3 3）可逆過程）可逆過程tS LW（1 1）有關有關與與0TLW（2 2）有關有關與與0 tS 0 LW實際過程實際過程sidWW 1 idsWW 對作功過程：對作功過程：sidWW 1 sidWW 對耗功過程：對耗功過程： 應用舉例應用舉例 例題例題6-4 1.50MPa,

26、773K的過熱水蒸汽推動透平機作功，并的過熱水蒸汽推動透平機作功，并在在0.07MPa下排出。此透平機既不絕熱也不可逆，輸出的軸下排出。此透平機既不絕熱也不可逆，輸出的軸功相當于可逆絕熱膨脹功的功相當于可逆絕熱膨脹功的85。由于隔熱不好，每千克的。由于隔熱不好，每千克的蒸汽有蒸汽有79.4KJ的熱量散失于的熱量散失于293的環(huán)境。求此過程的理想功，的環(huán)境。求此過程的理想功，損失功及熱力學效率。損失功及熱力學效率。 1.50MPa，773K過熱蒸汽過熱蒸汽0.07MPaT0 = 293K蒸汽蒸汽kgKJQL/4 .79 revssWW,85. 0 透平透平H1 = 3473.1KJ Kg-1 S

27、1 = 7.5698KJ Kg-1 K 求終態(tài)熱力學性質求終態(tài)熱力學性質按可逆絕熱膨脹按可逆絕熱膨脹,則是等熵過程則是等熵過程 S1=S2 MPaP07. 02 S1S27.5698 KJ Kg-1 K 解：解：查過熱水蒸汽表查過熱水蒸汽表, 內(nèi)標計算內(nèi)標計算H1，S1由由S2，P2查得：查得： H2 2680 KJ Kg-1 112,1 .7931 .34732680 kgkJHHHQWrevS 1,1 .67485. 0 kgkJWWrevsS據(jù)熱力學第一定律：據(jù)熱力學第一定律：SWQH 1126 .27197 .6744 .791 .3473 kgkJWQHHS由由P2,H2查得查得 S

28、27.6375KJ Kg-1 K-1 STHWid 0= 753.5 19.8361 = 773.3 KJ Kg-1 (2719.63473.1) 293(7.63757.5698)實際過程狀態(tài)實際過程狀態(tài)2的焓變?yōu)椋旱撵首優(yōu)椋?112002 .995698. 76375. 72934 .79 kgkJSSTQSTQWL 三、有效能三、有效能n（一）（一） 有效能的概念有效能的概念n1.1. 能量的分類能量的分類n按能量轉化為有用功的多少，可以把能量分為三類：按能量轉化為有用功的多少，可以把能量分為三類：n（1 1）高質能量：理論上能完全轉化為有用功的能量。如）高質能量：理論上能完全轉化為有用

29、功的能量。如電能、機械能。電能、機械能。n（2 2）僵態(tài)能量：理論上不能轉化為功的能量（如海水、）僵態(tài)能量：理論上不能轉化為功的能量（如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量）。地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量）。n（3 3）低質能量：能部分轉化為有用功的能量。如熱量和）低質能量：能部分轉化為有用功的能量。如熱量和以熱量形式傳遞的能量。以熱量形式傳遞的能量。 2.2. 有效能有效能n（1 1）定義：系統(tǒng)從任意狀態(tài)）定義：系統(tǒng)從任意狀態(tài)(T(T，P)P)變到基態(tài)變到基態(tài)(T(T0 0，P P0 0) )時的時的有用功。有用功。 n 無效能：理論上不能轉化為有用功的能量。無效能：理論上不能轉化為有用功的能量。n（2

30、2）能量的表達形式）能量的表達形式n對高質能量對高質能量 能量有效能能量有效能n對僵態(tài)能量對僵態(tài)能量 僵態(tài)能量無效能僵態(tài)能量無效能n對低質能量對低質能量 低質能量有效能無效能低質能量有效能無效能 注意點注意點 有效能有效能“火用火用”、“可用能可用能”、“有用能有用能”、“資用能資用能” 無效能無效能“火無火無”、“無用能無用能” 功功可看作可看作100100的有效能的有效能是末態(tài)為是末態(tài)為基態(tài)的理基態(tài)的理想功想功（二）有效能的計算（二）有效能的計算 n1. 環(huán)境和環(huán)境狀態(tài)環(huán)境和環(huán)境狀態(tài)n（1）環(huán)境：一般指恒）環(huán)境：一般指恒T、P、x下，龐大靜止體系。如大氣、下，龐大靜止體系。如大氣、海洋、地

31、殼等。海洋、地殼等。n（2）環(huán)境狀態(tài)：熱力學物系與環(huán)境完全處于平衡時的狀態(tài)，）環(huán)境狀態(tài)：熱力學物系與環(huán)境完全處于平衡時的狀態(tài)，稱之。常用稱之。常用0、0、0、0等等表示。表示。n2. 物系的有效能物系的有效能n（1）物理有效能：物系由于、與環(huán)境不同所具有的有）物理有效能：物系由于、與環(huán)境不同所具有的有效能。效能。n（2）化學有效能：物系在環(huán)境的）化學有效能：物系在環(huán)境的0、0下，由于組成與下，由于組成與環(huán)境不同所具有的有效能。如化學結構、濃度等不同。環(huán)境不同所具有的有效能。如化學結構、濃度等不同。3.3.穩(wěn)流物系的有效能穩(wěn)流物系的有效能 對于穩(wěn)定流動體系，由狀態(tài)對于穩(wěn)定流動體系，由狀態(tài)1 1到

32、狀態(tài)到狀態(tài)2 2，過程的理想功為，過程的理想功為STHWid 0 穩(wěn)流物系從狀態(tài)穩(wěn)流物系從狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2 2所引起的有效能變化為：所引起的有效能變化為： SSTHH 000idWB 000SSTHHB 穩(wěn)流系統(tǒng)的有效穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能計算式能計算式 1201212SSTHHBBB 例題例題6-5 試求試求298K和和0.9MPa狀態(tài)下，壓縮氮氣的有效能狀態(tài)下，壓縮氮氣的有效能大小。設環(huán)境溫度大小。設環(huán)境溫度T0298K，壓力，壓力P00.1MPa，此時氮氣，此時氮氣可作為理想氣體處理。可作為理想氣體處理。 解：理想氣體的焓與壓力無關，解：理想氣體的焓與壓力無關，HH 0 00000SSTS

33、STHHB 1008 .54431 . 09 . 0ln298413. 8ln molJppRT例題例題6-6 計算碳（計算碳（C）的化學有效能。）的化學有效能。解：解：C的環(huán)境狀態(tài)：的環(huán)境狀態(tài)：CO2 純氣體純氣體 O的環(huán)境狀態(tài)：空氣，的環(huán)境狀態(tài)：空氣，yO20.21)1013. 0,15.298()21. 0()1013. 0,15.298(222MPaKCOyOMPaKCO 0,0222COfCOOCHHHHHH 將氣體看成理想氣體，對于將氣體看成理想氣體，對于1mol C0002222COCOOOCCHHHHHH 因因H只與溫度有關，有只與溫度有關，有0,02COfHHH 000SST

34、HHB 220COOCSSSSS 因因S與溫度、壓力有關，則與溫度、壓力有關，則0002222COCOOOCCSSSSSS 022212222)1013. 0,15.298()21. 0,21. 0(OOOSSMPapKOppyO 21. 0lnln21022RppRSSOO 21. 0ln022RSSOO 則則 00002221. 0lnCOOCSRSSSS 查得：查得：10,5 .3932 molkJHCOf 110740. 5 KmolJSC11004.2052 KmolJSO11066.2132 KmolJSCO10,05 .3932 molkJHHHCOf 66.21321. 0ln

35、314. 804.205740. 521. 0ln000022 COOCSRSSSS 130004 .39010455.1015.2985 .393 molkJSSTHHB（三）理想功與有效能的區(qū)別與聯(lián)系（三）理想功與有效能的區(qū)別與聯(lián)系理想功：理想功：Wid H T0S (H2H1) T0(S2S1)n有效能：有效能：BT0(S0S) (H0H)n有效能與理想功的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個方面有效能與理想功的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個方面n（1）終態(tài)不一定相同）終態(tài)不一定相同Wid：終態(tài)不定：終態(tài)不定 B ：終態(tài)一定（為環(huán)境狀態(tài)）：終態(tài)一定（為環(huán)境狀態(tài)）（2）研究對象不同）研究對象不同nWid：是對兩個狀態(tài)而

36、言，與環(huán)境無關，可正可負。是對兩個狀態(tài)而言，與環(huán)境無關，可正可負。nB：是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關，只為正值。是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關，只為正值。 2.聯(lián)系聯(lián)系nB1T0(S0S1) (H0H1)nB2T0(S0S2) (H0H2)n有效能變化有效能變化nBB2B1HTSWid若若B0，Wid0 物系對外做功，物系對外做功， BWid B0，Wid0 物系接受功，物系接受功， BWid 狀態(tài)狀態(tài)1（T1、P1、T1、S1）狀態(tài)狀態(tài)2（T2、P2、T2、S2）環(huán)境狀態(tài)（環(huán)境狀態(tài)（T0、P0、T0、S0）B1BB2（四）不可逆性和有效能損失（四）不可逆性和有效能損失n1、不可逆性、不可逆性n

37、熱力學第二定律認為自然界中一切過程都是具有方熱力學第二定律認為自然界中一切過程都是具有方向性和不可逆性的。向性和不可逆性的。n當當St（S產(chǎn)生產(chǎn)生）0 不可逆過程不可逆過程 =可逆過程可逆過程有效能的方向和不可逆性有效能的方向和不可逆性表現(xiàn)在：表現(xiàn)在：當過程是當過程是可逆時可逆時，有效能，有效能不會向不會向無效能轉化，有效能的無效能轉化，有效能的總量保持不變?？偭勘３植蛔儭．斶^程是當過程是不可逆時不可逆時，有效能，有效能向向無效能轉變，使有效能的無效能轉變，使有效能的總量減少。總量減少。 2.2.有效能損失有效能損失( (E EL L) ) n（1 1）定義：不可逆過程中有效能的減少量。）定義

38、：不可逆過程中有效能的減少量。n（2 2）計算式：）計算式：D D理想功實際功理想功實際功n對于穩(wěn)流體系：若忽略動能、勢能的影響對于穩(wěn)流體系：若忽略動能、勢能的影響 實際功實際功 Ws=QH 理想功理想功 WidT0SHn DT0SHQT0SHT0SQ 所以所以 DT0ST0S0T0St又因又因SQ/T0QT0S0（3）注意點）注意點有效能損失在任何不可逆過程都是存在的；有效能損失在任何不可逆過程都是存在的； 有效能損失的大小與過程的推動力有關，有效能損失的大小與過程的推動力有關， D推動力。即推動力大，推動力。即推動力大，D大。大。 3.應用舉例應用舉例 如圖如圖511所示，裂解氣在中冷塔中

39、分離，塔的操作壓力為所示，裂解氣在中冷塔中分離，塔的操作壓力為3.444MPa，液態(tài)烴由塔底進入再沸器，其溫度為液態(tài)烴由塔底進入再沸器，其溫度為318K；經(jīng)經(jīng)0.1965MPa的飽和蒸汽加熱蒸發(fā)回到塔內(nèi)。已知再沸器中冷的飽和蒸汽加熱蒸發(fā)回到塔內(nèi)。已知再沸器中冷凝水為凝水為313K，大氣溫度大氣溫度0為為293K，液態(tài)烴在液態(tài)烴在318K，3.444MP下氣化熱為下氣化熱為293kJ/kg。汽化熵為汽化熵為0.921kJ/(kg.K)。求求算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效能變化及損失功。算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效能變化及損失功。 T0=293K,3.444MPa,318K下下 烴烴 Hvap=

40、293kJ/kg Svap=0.921kJ/(kgK) T=392.6K查表查表H氣氣=2706kJ/kg,S氣氣=7.133kJ/(kgK)飽和水飽和水 查表查表H水水=167.4kJ/kg, S水水=0.572kJ/(kgK) 液態(tài)烴液態(tài)烴318K氣態(tài)烴氣態(tài)烴318K飽和蒸汽飽和蒸汽0.1965MPa冷卻水冷卻水313K解：解：（1）求消耗）求消耗1kg水蒸氣能蒸發(fā)液烴的量水蒸氣能蒸發(fā)液烴的量mmHvapH水氣水氣H水水（熱量衡算）（熱量衡算）則則 m( H水氣水氣H水水)/Hv(2706167.4)/2938.66kg烴烴（2）液態(tài)烴有效能變化）液態(tài)烴有效能變化B烴烴B烴烴B氣烴氣烴B液

41、烴液烴m (HvapT0Svap)8.66(2932930.921)201kJB烴烴0,表明有效能增加。表明有效能增加。 氣氣水水氣氣水水氣氣水水水水SSTHHSTHBBB 00 0B水水 （3 3）水蒸氣有效能變化）水蒸氣有效能變化(167.4(167.42706)2706)293(0.572293(0.5727.133)7.133)- 616- 616KJKJ表明表明1 1kgkg水蒸氣換熱后冷凝為水水蒸氣換熱后冷凝為水, ,其有效其有效能能降低降低. ) (293)(00氣氣水水水水烴烴SSSmSSTSTWvaptL kJ415)1337.7572.0(921.066.8293 tSTD

42、 0 LWD （4 4）求）求WL所以所以 可逆過程可逆過程 00 tSTD 有效能損失有效能損失 outinBB 輸入體系有效能輸入體系有效能 = 輸出體系有效能輸出體系有效能 n1、有效能平衡、有效能平衡n （1）有效能衡算式）有效能衡算式（五）有效能的衡算及有效能效率（五）有效能的衡算及有效能效率 不可逆過程不可逆過程由于有效能損失總是存在，并且總是大于零，由于有效能損失總是存在，并且總是大于零，D0。 DBButin 0所以所以 （2）結論：）結論： 能量衡算是以熱一律為基礎，有效能衡算是以熱一、二能量衡算是以熱一律為基礎，有效能衡算是以熱一、二定律為基礎；定律為基礎； 能量守恒，但有

43、效能不一定守恒。可逆過程有效能守恒能量守恒，但有效能不一定守恒?？赡孢^程有效能守恒，不可逆過程有效能總是減少的；，不可逆過程有效能總是減少的； 能量衡算反映了能量的利用情況，而有效能衡算可反映能量衡算反映了能量的利用情況，而有效能衡算可反映能量的質量、數(shù)量的利用情況；能量的質量、數(shù)量的利用情況； D的計算方法有兩種：的計算方法有兩種： outinBBD tSTD 0 2 2、有效能效率、有效能效率 inoutBBB （1 1）定義：輸出的有效能與輸入的有效能的比值。）定義：輸出的有效能與輸入的有效能的比值。 DBBoutin DBBinout inBBD 1 對一切過程（不論過程本身產(chǎn)功，還是

44、耗功）對一切過程（不論過程本身產(chǎn)功，還是耗功）（2）結論：）結論：10 B有效能效率在任何情況下均有：有效能效率在任何情況下均有：1 B若若D0，則則說明過程為完全可逆過程說明過程為完全可逆過程1 B若若D0，則則說明過程為不可逆過程說明過程為不可逆過程偏離偏離1的程度的程度 ，D ,過程的不可逆程度就愈大過程的不可逆程度就愈大 B該過程才能進行。該過程才能進行。 outinBB 只只有有3、有效能分析法步驟、有效能分析法步驟對一個過程進行熱力學分析，一般分為四步：對一個過程進行熱力學分析，一般分為四步：n（1）根據(jù)需要確定被研究的物系；）根據(jù)需要確定被研究的物系；n（2）確定輸入及輸出各物流

45、，能流的工藝狀況及熱力學）確定輸入及輸出各物流，能流的工藝狀況及熱力學函數(shù)；函數(shù)；n（3）計算各物流，能流的有效能；）計算各物流，能流的有效能；n（4）對體系進行有效能衡算，求出有效能損失和有效能）對體系進行有效能衡算，求出有效能損失和有效能效率。效率。4、應用舉例、應用舉例n 氨廠的高壓蒸汽系統(tǒng)，每小時產(chǎn)生氨廠的高壓蒸汽系統(tǒng)，每小時產(chǎn)生3.5 t的中壓冷凝水。的中壓冷凝水。如通過急速閃蒸，由于壓力驟然下降，可產(chǎn)生低壓蒸汽。如通過急速閃蒸，由于壓力驟然下降，可產(chǎn)生低壓蒸汽?，F(xiàn)有兩種回收方案：方案現(xiàn)有兩種回收方案：方案A是將中壓冷凝水先預熱鍋爐給水，是將中壓冷凝水先預熱鍋爐給水，然后在閃蒸中產(chǎn)生較少量的低壓蒸汽，鍋爐給水流量為然后在閃蒸中產(chǎn)生較少量的低壓蒸汽，鍋爐給水流量為3.5t/h,預熱前后溫度分別為預熱前后溫度分別為20，80。方案。方案B是通過閃蒸是通過閃蒸氣產(chǎn)生較多的蒸汽，