化工熱力學(xué)課件之-化工過程能量分析概要

1、第六章 化工過程能量分析第六章 本章目的 運用熱力學(xué)第一、第二定律以及理想功、損失功、Ex等概念對化工過程中的能量轉(zhuǎn)換、傳遞、使用情況進(jìn)行熱力學(xué)分析，評價能量利用的有效性、合理性，揭示能量損失的薄弱環(huán)節(jié)與原因，為工藝和能量使用的改進(jìn)指明方向。本章目的 運用熱力學(xué)第一、第二定律以及本章內(nèi)容6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)6.1 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用6.2熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用6.3 理想功和損失功熱力學(xué)效率6.4 Ex及其計算6.5 化工過程能量分析及其合理用能本章內(nèi)容6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)本章基本要求1、掌握能量平衡方程的形式及應(yīng)用；2、掌握熵平衡方程的形式及應(yīng)用；3、正確熟練地掌握理想功、損

2、失功和熱力學(xué)效率的概念及計算；4、正確熟練地掌握Ex、Ex衡算、Ex效率、Ex分析；5、了解系統(tǒng)Ex分析的基本方法。本章基本要求本章重點和難點重點：穩(wěn)流過程的能量平衡方程；穩(wěn)流過程的熵平衡方程；穩(wěn)流過程理想功、損失功計算；穩(wěn)流過程Ex的計算、Ex效率；水蒸氣和典型化工過程的Ex分析。難點：熵平衡方程；理想功；Ex本章重點和難點重點：6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)1、體系與環(huán)境2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)3、過程4、熱和功體系環(huán)境6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)1、體系與環(huán)境體系環(huán)境1、體系與環(huán)境體系（System） 在科學(xué)研究時必須先確定研究對象，把一部分物質(zhì)與其余分開，這種分離可以是實際的，也可以是想象的。這種

3、被劃定的研究對象稱為體系，亦稱為物系或系統(tǒng)。環(huán)境（surroundings） 與體系密切相關(guān)、有相互作用或影響所能及的部分稱為環(huán)境。1、體系與環(huán)境體系（System） 在科學(xué)研究時必須先確體系分類 根據(jù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：（1）敞開體系（open system） 體系與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。體系分類 根據(jù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：（1）敞體系分類 根據(jù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：（3）孤立體系（isolated system） 體系與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換，又無能量交換，故又稱為隔離體系。有時把封閉體系和體系影響所及的環(huán)境一起作為孤立體系來考

4、慮。體系分類 根據(jù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：（3）孤6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)：某一瞬間體系呈現(xiàn)的宏觀狀況。平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下，如果體系的宏觀狀態(tài)不隨時間而改變，則稱體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。熱平衡，力平衡，相平衡，化學(xué)平衡，即溫度差，壓力差，化學(xué)位差均為零。狀態(tài)函數(shù)：由于體系的各種宏觀性質(zhì)，是所處狀態(tài)的單值函數(shù)，所以熱力學(xué)把各種宏觀性質(zhì)稱為狀態(tài)函數(shù)。常用的狀態(tài)函數(shù)有p，V，T，U，H，S，A，G6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)“狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等，周而復(fù)始變化零?！毖h(huán)過程： 狀態(tài)1 狀態(tài)2 狀態(tài)

5、3 H=0,U=0,V=0,S體系=0 (當(dāng)然 S總0)6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)“狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)3、過程指體系自一平衡狀態(tài)到另一平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換對某一過程的描寫：初態(tài)+終態(tài)+路徑.不可逆過程：一個單向過程發(fā)生之后一定留下一些痕跡，無論用何種方法也不能將此痕跡完全消除，在熱力學(xué)上稱為不可逆過程凡是不需要外加功而自然發(fā)生的過程皆是不可逆過程（自發(fā)過程）。如：爆炸、節(jié)流、氣體向真空自由膨脹等6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)3、過程可逆過程：當(dāng)體系完成某一過程后，如果令過程逆行而能使過程中所涉及的一切(體系及環(huán)境)都回復(fù)到原始狀態(tài)而不留下任何變化，則此過程稱為可逆過

6、程注意：1）可逆過程一旦發(fā)生，不僅體系能恢復(fù)到原來狀態(tài)，而且而環(huán)境也能恢復(fù)到原來狀態(tài)而不留下任何痕跡。（循環(huán)過程是否是可逆過程？）6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)P,V,T無限小的沙子。帶活塞的氣缸拿走一粒無限小的沙子，dP減少無限小，推動力無限小，可以忽略不計。可逆過程：當(dāng)體系完成某一過程后，如果令過程逆行而能使過程中所2）若是可逆過程，位的梯度即推動力需為無限小；若存在推動力則是實際過程，而非可逆過程。3）可逆過程是實際過程中只能趨近而永遠(yuǎn)不能實現(xiàn)的理想過程，其本質(zhì)是狀態(tài)變化的推動力與阻力無限接近 ，體系始終無限接近平衡狀態(tài)。4）但它是熱力學(xué)中極為重要的概念，是作為實際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)

7、準(zhǔn)。若說某體系效率為80%，是指與可逆過程比。但爆炸、節(jié)流、氣體向真空自由膨脹等不能用“可逆過程+效率”模式來計算。2）若是可逆過程，位的梯度即推動力需為無限??；若存在推動力則5）可逆過程是效率最高的過程。體系對外做最大功。體系對外吸收最小功。6）很多熱力學(xué)關(guān)系式是在可逆過程的前提下推導(dǎo)出來的。如：5）可逆過程是效率最高的過程。6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)4、熱和功1）熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，與途徑有關(guān)。2）熱和功只是能量的傳遞形式，而不是貯存形式。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。 U+ 熱力學(xué)第一定律3） 按照國際規(guī)定: 體系吸熱為正，0，體系放熱為負(fù),0 ，體系對環(huán)境作功,0。6.

8、0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)4、熱和功6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)特別提醒：過去的教材中習(xí)慣用U = Q - W表示，兩種表達(dá)式完全等效，只是W的取號不同。用該式表示的W的取號為：環(huán)境對體系作功， W0 。4) 熱的推動力是溫差 功的推動力是除溫差以外的勢的梯度5) 熱量的傳遞是無序的，熱量是規(guī)格低的能量 功的傳遞是有序的， 功是規(guī)格高的能量6.0 熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)特別提醒：化工過程能量分析實例乙苯脫氫制苯乙烯化工過程能量分析實例乙苯脫氫制苯乙烯化工過程能量分析實例反應(yīng)器：燒重油加熱反應(yīng)物至560620oC，產(chǎn)生高溫?zé)煹罋獾谌^熱器：利用高溫?zé)煹罋饧訜岣邷胤磻?yīng)物第二過熱器：利用高溫產(chǎn)物加熱中溫反應(yīng)物

9、蒸發(fā)器：利用中溫?zé)煹罋饧訜岬蜏胤磻?yīng)物廢熱鍋爐：利用中溫產(chǎn)物產(chǎn)生水蒸汽一個反應(yīng)需要一個車間來完成（三層樓）目的是能源的最大化利用（不僅是總能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加熱?；み^程能量分析實例反應(yīng)器：燒重油加熱反應(yīng)物至560620180C 60C 45C 40C 60C 420C 40C 350C 900C 化工過程能量分析實例硫鐵礦生產(chǎn)硫酸工藝簡介示意圖焙燒轉(zhuǎn)化98.3%硫酸98.3%或93%成品酸尾氣FeS2渣空氣凈化干燥吸收93%硫酸30%硫酸180C 60C 45C 反應(yīng)熱的利用 對反應(yīng)熱的利用程度，是衡量硫酸工業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。三個主要反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，在298K

10、時的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為：反應(yīng)熱的利用化工熱力學(xué)課件之化工過程能量分析概要如回收高溫余熱的45-65%，生產(chǎn)中壓過熱蒸汽0.685-0.990t / (t100%硫酸.h)，所產(chǎn)生的蒸汽量用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)組，實際可發(fā)電150-170KW.h。若生產(chǎn)每噸硫酸的電耗按100KW.h計，則高溫余熱發(fā)電量可自給有余。焙燒工段的廢熱鍋爐回收高溫余熱時，通常可產(chǎn)出中壓過熱蒸汽（3.9MPa、450C)0.8-1.5t / (t100%硫酸.h)。高溫余熱利用如回收高溫余熱的45-65%，生產(chǎn)中壓過熱蒸汽0.685-02022/10/11178C 兩次轉(zhuǎn)化流程60C 442420480 SO2氣440 480 524

11、 584420C 換熱器IIIIII電爐第一吸收塔來干燥塔來去第一吸收塔去第二吸收塔60C 205C 中溫余熱利用2022/10/10178C 兩次轉(zhuǎn)化流程6低溫余熱利用吸收工段低溫余熱的溫度約為70度(吸收塔出口酸溫）,通過水冷器回收可得熱水。但國內(nèi)大多數(shù)廠家不利用。4050180C 98.3%酸槽 93酸槽水冷器水冷器水串酸4050尾氣轉(zhuǎn)化SO2爐氣轉(zhuǎn)化產(chǎn)品干燥塔吸收塔40C 60C 吸收工段流程低溫余熱利用吸收工段低溫余熱的溫度約為70度(吸收塔出口酸溫基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。功的品位高于熱 。高級能量：能夠完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如機(jī)械能、電能、水力能和風(fēng)能等；低級能量

12、：不能完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如熱能、焓等。 高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高?；靖拍钅芰坎粌H有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。化工過程的熱力學(xué)分析1、能量衡算。2、分析能量品位的變化?；み^程總是伴隨著能量品位的降低。一個效率較高的過程應(yīng)該是能量品位降低較少的過程。找出品位降低最多的薄弱環(huán)節(jié)，指出改造的方向?；崃W(xué)的任務(wù)化工過程的熱力學(xué)分析化工熱力學(xué)的任務(wù)6.1熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用6.1.1 熱力學(xué)第一定律6.1.2 穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)原理6.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用6.1熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用6.1.1 熱力學(xué)第一定律6.1.1 熱力學(xué)第一定律U+只適合封閉體系

13、!熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：6.1.1 熱力學(xué)第一定律U+只適合封閉體系!能量的形式 化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：物質(zhì)的能量、能量傳遞的兩種形式。1、物質(zhì)的能量E (以1kg為基準(zhǔn))動能：Ek= u2/2內(nèi)能：U=f(T,p, x)位能： Ep= gZ2、能量傳遞的兩種形式(以1kg為基準(zhǔn)) 在各種熱力學(xué)過程中，體系與環(huán)境之間常發(fā)生能量的傳遞，能量傳遞的形式有兩種，即熱和功。能量的形式 化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩2022/10/11熱:系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交換的能量，用Q表示。 規(guī)定：系統(tǒng)獲得的熱量，其值為正；反之為負(fù)。功W：1. 對流動系統(tǒng)：包括兩部分(1

14、) 流體通過機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的能量，稱為軸功Ws。(2)物料在連續(xù)流動過程中，由于流體內(nèi)部相互推動所交換的功，稱為流動功Wf =pV。管道截面積A m2 1kg流體 Vm3/kg p 流動功F.S =（p.A).(V/A) = pV J/kg2022/10/10熱:系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫差而引起的相互交注意：*熱和功只是在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身具有的能量，故不能說“某物質(zhì)具有多少熱或功”。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。如：在換熱設(shè)備中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，結(jié)果是熱流體內(nèi)能降低。冷流體內(nèi)能增加。 *熱和功是過程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)。2. 對非流動系統(tǒng)，特定設(shè)備（如帶活

15、塞的氣缸）中，因流體體積改變而與環(huán)境交換的能量，稱為體積功W。規(guī)定：系統(tǒng)得功，其值為正；反之為負(fù)。注意：2. 對非流動系統(tǒng)，特定設(shè)備（如帶活塞的氣缸）中，因流以1kg為基準(zhǔn)!Q為體系吸收的熱量W為體系與環(huán)境交換的功。截面1的能量E1E1 = U1 + gZ1+ u12/2截面2的能量E2E2 = U2 + gZ2+ u22/26.1.2 穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)原理p1,V1,Z1,u1p2,V2,Z2,u2以1kg為基準(zhǔn)!6.1.2 穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)原理p根據(jù)能量守恒原理：進(jìn)入體系能量=離開體系能量+體系內(nèi)積累的能量 穩(wěn)定流動體系無能量的積累 E1 +Q = E2 -W （1）體系與環(huán)境交換

16、的功W包括與環(huán)境交換的軸功Ws 和流動功Wf，即W = Ws + Wf 其中：Wf= p1V1 -p2V2 所以 W = Ws+ p1V1 -p2V2 (2) E = U + gZ + u2/2 (3)將(2)、(3)代入（1）可得(4)式 6.1.2 穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)原理根據(jù)能量守恒原理： 6.1.2 穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)原理穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)第一定理：焓變位能變化動能變化(4)式的計算單位建議用 J/kg；即以1kg為基準(zhǔn)!6.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用穩(wěn)定流動體系的熱力學(xué)第一定理：焓變位能變化動能變化(4)式的一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴擴(kuò)壓管節(jié)流閥透平機(jī)壓縮機(jī)混合裝

17、置換熱裝置一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴擴(kuò)壓管節(jié)流閥透平機(jī)壓縮機(jī)混合噴嘴與擴(kuò)壓管 噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)特點是進(jìn)出口截面積變化很大。流體通過時，使壓力沿著流動方向降低，而使流速加快的部件稱為噴嘴。反之，使流體流速減緩，壓力升高的部件稱為擴(kuò)壓管。噴嘴擴(kuò)壓管噴嘴與擴(kuò)壓管 噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)特點是進(jìn)出口截噴嘴與擴(kuò)壓管 是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?否噴嘴與擴(kuò)壓管 是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院鲑|(zhì)量流率流體通過焓值的改變來換取動能的調(diào)整質(zhì)量流率流體通過焓值的改變來換取動能的調(diào)整透平機(jī)和壓縮機(jī) 透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫過程來產(chǎn)出功 壓縮機(jī)可以提高流體的壓

18、力，但是要消耗功 透平機(jī)和壓縮機(jī) 透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫過透平機(jī)和壓縮機(jī) 是否存在軸功?是!是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?不變化或者可以忽略動能是否變化？通?？梢院雎酝钙綑C(jī)和壓縮機(jī) 是否存在軸功?是!是否和環(huán)境交換熱量?通?？晒?jié)流閥是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?否動能是否變化?通?？梢院雎怨?jié)流閥是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁枪?jié)流閥 Throttling Valve理想氣體通過節(jié)流閥溫度不變節(jié)流閥 Throttling Valve理想氣體通過節(jié)流閥混合設(shè)備 混合兩種或多種流體是很常見?；旌掀骰旌显O(shè)備 混合兩種或多種流體

19、是很常見?；旌掀骰旌显O(shè)備是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動能是否變化?否混合設(shè)備是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略位能當(dāng)不止一個輸入物流或（和）輸出物流時 Hi為單位質(zhì)量第i股輸出物流的焓值，xi為第i股輸出物流占整個輸出物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 Hj為單位質(zhì)量第j股輸入物流的焓值，xj為第j股輸入物流占整個輸入物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為一股物流的質(zhì)量流量。為總質(zhì)量流量。當(dāng)不止一個輸入物流或（和）輸出物流時 Hi為單混合設(shè)備 1 3 2 混合器混合設(shè)備 1混合器換熱設(shè)備 整個換熱設(shè)備與環(huán)境交換的熱量可以忽略不計，換熱設(shè)備內(nèi)部兩股物流存在熱量交換。換熱設(shè)備的能量平衡

20、方程與混合設(shè)備的能量平衡方程相同，但物流之間不發(fā)生混合。 mA和mB分別為流體A和流體B的質(zhì)量流量換熱設(shè)備 整個換熱設(shè)備與環(huán)境交換的熱量可以忽略管路和流體輸送穩(wěn)態(tài)流動模型通常是一個不錯的近似通過泵得到軸功位能變化泵水管路和流體輸送穩(wěn)態(tài)流動模型通常是一個不錯的近似通過泵得到軸功管路和流體輸送是否存在軸功?有時存在是否和環(huán)境交換熱量?通常是位能是否變化?有時變化動能是否變化?通常不變化管路和流體輸送是否存在軸功?有時存在是否和環(huán)境交換熱量?通常Bernoulli 方程 實際流體的流動過程存在摩擦損耗，意味機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，有摩擦損耗對于無熱、無軸功交換、不可壓縮流體的穩(wěn)流過程Bernoulli

21、 方程 實際流體的流動過程存對于非粘性流體或簡化的理想情況，可忽略摩擦損耗，則對于非粘性流體或簡化的理想情況，可忽略摩擦損耗，則熱力學(xué)第一定律應(yīng)用注意事項1、注意區(qū)別：U=Q + W 封閉體系H=Q +Ws 穩(wěn)定流動體系2、注意符號：體系吸熱為正（+），體系放熱為負(fù)（-） ；外界對體系做功為正（+），體系對外做功為負(fù)（-） 。熱力學(xué)第一定律應(yīng)用注意事項1、注意區(qū)別：例 題例1：功率為2.0 kw的泵將90oC水從貯水罐泵壓到換熱器，水流量為3.2kg/s，在換熱器中以697.3kJ/s的速率將水冷卻后，水送入比第一貯水罐高20 m的第二貯水罐求送入第二貯水罐的水溫.解：以l kg的水為計算基準(zhǔn)

22、。 思路： 1）H2 =H+ H1 （H1為90oC水的焓，查水蒸汽表得） 2）查水蒸汽表可得符合H2 的飽和水的溫度即得。 須注意： 由于水放熱Q為負(fù)、泵對水做功W為正。1) Q=-697.3 kJ/s =-697.3/3.2 kJ/kg2) Ws=2 kw=2 kJ/s =2/3.2 kJ/kg注意：計算單位為kJ/kg例 題例1：功率為2.0 kw的泵將90oC水從貯水罐泵壓到6.2 熱功轉(zhuǎn)換6.2.1 熱功轉(zhuǎn)換的不等價性6.2.2 熱力學(xué)第二定律6.2.3 熱機(jī)工作原理6.2.4 熱機(jī)效率6.2.5 卡諾循環(huán)6.2.6 可逆機(jī)的效率6.2 熱功轉(zhuǎn)換6.2.1 熱功轉(zhuǎn)換的不等價性6.2.

23、1 熱功轉(zhuǎn)換的不等價性熱功轉(zhuǎn)換的不等價性 功可以100%轉(zhuǎn)變?yōu)闊?熱不可能100%轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α?熱、功的不等價性正是熱力學(xué)第二定律所表述的一個基本內(nèi)容。6.2.1 熱功轉(zhuǎn)換的不等價性熱功轉(zhuǎn)換的不等價性6.2.2 熱力學(xué)第二定律克勞修斯（Clausius）的說法：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化。”開爾文（Kelvin）的說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它的變化?！辈豢赡馨褵釓牡蜏匚矬w傳到高溫物體，而不引起其它變化6.2.2 熱力學(xué)第二定律克勞修斯（Clausius）的說6.2.3 熱機(jī)工作原理熱機(jī)工作原理：工質(zhì)從高溫T1熱源吸收Q1的熱量，一部分通過熱

24、機(jī)用來對外做功W，另一部分Q2 的熱量放給低溫T2 熱源。 U=Q + W 循環(huán)過程 U=0W=Q1-Q2熱機(jī)示意圖6.2.3 熱機(jī)工作原理熱機(jī)工作原理：熱機(jī)示意圖6.2.4 熱機(jī)效率熱機(jī)效率：將熱機(jī)所作的功W與所吸的熱Q1之比稱為熱機(jī)效率, 用表示。熱機(jī)效率大小與過程的可逆程度有關(guān)。卡諾定理：所有工作于同溫?zé)嵩春屯瑴乩湓粗g的熱機(jī)，其效率都不能超過可逆機(jī)，即可逆機(jī)的效率最大。6.2.4 熱機(jī)效率熱機(jī)效率：將熱機(jī)所作的功W與所吸的熱6.2.5 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）等溫可逆膨脹絕熱可逆膨脹等溫可逆壓縮絕熱可逆壓縮6.2.5 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）等溫可逆TS等溫可逆

25、膨脹絕熱可逆膨脹等溫可逆壓縮絕熱可逆壓縮 6.2.5 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）TS等溫可逆膨脹絕熱可逆膨脹等溫可逆壓縮絕熱可逆壓縮卡諾定理推論和意義卡諾定理推論：所有工作于同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的可逆機(jī)，其熱機(jī)效率都相等，即與熱機(jī)的工作物質(zhì)無關(guān)?？ㄖZ定理的意義：解決了熱機(jī)效率的極限值問題?？ㄖZ定理推論和意義卡諾定理推論：所有工作于同溫?zé)嵩磁c同溫冷源6.2.6 可逆機(jī)的效率可逆機(jī)的效率：Tl高溫?zé)嵩吹臏囟龋琄。最高限為鍋爐的使用極限，約450oC T2低溫?zé)嵩吹臏囟?，K。最低限為環(huán)境溫度。廣州夏天30oC，北極-50oC廣州夏天max =58%；北極 max =79%。6.2.6 可

26、逆機(jī)的效率Tl高溫?zé)嵩吹臏囟?，K。6.3 熵6.3.1 熵的定義及應(yīng)用6.3.2 熵增原理6.3.3 熵變的計算6.3.4 熵產(chǎn)生和熵平衡6.3 熵6.3.1 熵的定義及應(yīng)用熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)與熵的概念凡是自發(fā)的過程都是不可逆的，而一切不可逆過程都可以歸結(jié)為熱轉(zhuǎn)換為功的不可逆性。一切不可逆過程都是向混亂度增加的方向進(jìn)行，而熵函數(shù)可以作為體系混亂度的一種量度。熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)與熵的概念凡是自發(fā)的過程都是不可逆的，而6.3.1 熵的定義及應(yīng)用1、熵S的定義pVABC(可逆)D (可逆)F (不可逆)任意可逆過程的熱溫商的值決定于始終狀態(tài)，而與可逆途徑無關(guān)，這個熱溫商具有狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)。6.3

27、.1 熵的定義及應(yīng)用1、熵S的定義pVABC(可逆)2、不可逆過程的熵變 由于S是狀態(tài)函數(shù)，體系不可逆過程的熵變 ，與可逆過程的熵變相等3、Clausius 不等式PVABC(可逆)D (可逆)F (不可逆)6.3.1 熵的定義及應(yīng)用2、不可逆過程的熵變 PVABC(可逆)D (可逆)F (不總結(jié)(1)、(2)式得(3)式“” 號為不可逆過程；“=” 號為可逆過程Clausius 不等式4、對于孤立體系：Q=0熵增原理：一個孤立體系的熵永不減少。6.3.1 熵的定義及應(yīng)用總結(jié)(1)、(2)式得(3)式“” 號為不可逆過程；“=”“” 號為自發(fā)過程，“=” 號為可逆過程 任何一個體系與它的環(huán)境捆

28、綁在一起均可看作一個孤立體系! 注意：判斷孤立體系是否自發(fā)過程的依據(jù)是總熵變大于0，而不是體系的熵變大于0 。環(huán)境孤立體系體系6.3.1 熵的定義及應(yīng)用“” 號為自發(fā)過程， 任何一個體系與它的環(huán)境捆綁在一起均可6.3.1 熵的定義及應(yīng)用5、對于絕熱體系（Q體系=0 ；Q環(huán)境=0 ）1）絕熱可逆過程絕熱體系Q體系=0環(huán)境Q環(huán)境=06.3.1 熵的定義及應(yīng)用5、對于絕熱體系（Q體系=0 例1：某一鑄鋼（Cp=0.5kJ /kg K ），重量為40Kg，溫度為4500C，用150Kg，250C的油（Cp=2.5kJ /kgK ）冷卻。假使沒有熱損失，則以下各項熵的變化為多少？1）鑄鋼；2）油；3）兩

29、者一起考慮。并判斷過程是否自發(fā)的。解：鑄鋼散失的熱為Q1=150*0.5（T-450）；油獲取的熱為Q2=150*2.5（T-25）。Q1=-Q2 解得T=46.520C 答：該過程是自發(fā)過程。6.3.1 熵的定義及應(yīng)用例1：某一鑄鋼（Cp=0.5kJ /kg K ），重量為406.3.2 熵增原理熵增原理指出：一切自發(fā)的過程只能向總熵值增加的方向舉行，它提供了判斷過程方向的準(zhǔn)則。當(dāng)總熵值達(dá)到最大，也即體系達(dá)到了平衡。應(yīng)用熵增原理時應(yīng)注意：孤立體系總熵變6.3.2 熵增原理熵增原理指出：6.3.3 熵變的計算 僅有PVT變化的熵變 有相變過程的熵變 環(huán)境的熵變6.3.3 熵變的計算 僅有PVT

30、變化的熵變 有相變1、有pVT變化的熵變熵變的計算2、有相變過程的熵變等溫等壓可逆相變（若是不可逆相變，應(yīng)設(shè)計可逆過程）1、有pVT變化的熵變熵變的計算2、有相變過程的熵變等溫等壓理想氣體有pVT變化的熵變(1) 理想氣體等溫變化(2) 物質(zhì)的量一定的等容變溫過程(3) 物質(zhì)的量一定的等壓變溫過程理想氣體有pVT變化的熵變(1) 理想氣體等溫變化(2) 物(4)物質(zhì)的量一定從 到 的過程。這種情況一步無法計算，要分兩步計算，有三種分步方法：理想氣體有pVT變化的熵變2) 先等溫后等壓3) 先等壓后等容1) 先等溫后等容(4)物質(zhì)的量一定從 到 熵變的計算(1)體系可逆變化時環(huán)境的熵變(2)體系

31、是不可逆變化時，但由于環(huán)境很大，可將體系與環(huán)境交換的熱量設(shè)計成另一個可逆過程交換的熱量。3、環(huán)境的熵變熵變的計算(1)體系可逆變化時環(huán)境的熵變(2)體系是不可逆變等溫變化的熵變例題2）不可逆過程U=Q + W等溫變化的熵變例題2）不可逆過程U=Q + W等溫變化的熵變例題3) 真空膨脹4) 比較不可逆性越大，總熵變越大！等溫變化的熵變例題3) 真空膨脹4) 比較不可逆性越大，總熵相變過程的熵變例題例3：求1mol過冷水在1atm，-10oC的凝固為冰的熵差。已知H2O在1atm、0oC的凝固熱為-6020J/mol，Cp冰=37.6J/mol.K；Cp水=75.3J/mol.K。解:相變過程的

32、熵變例題例3：求1mol過冷水在1atm，-10o相變過程的熵變例題該過程是自發(fā)進(jìn)行的！相變過程的熵變例題該過程是自發(fā)進(jìn)行的！相變過程的熵變例題解:例4：求1）水在1atm，100oC的相變熵變, 2)水汽在20oC的相變熵變。已知H2O在100oC的汽化熱為40.62kJ/molR）（體系）TQS=相變過程的熵變例題解:例4：求1）水在1atm，100oC的相變過程的熵變例題2) 水汽在20oC的相變熵變。已知H2O在100oC的汽化熱為40.62kJ/mol。解:不可逆相變，可以設(shè)計可逆相變求S 值。相變過程的熵變例題2) 水汽在20oC的相變熵變。已知H2O熵及熵增原理小結(jié)過程S總S體系

33、S環(huán)境總則0，+0，+，-0，+，-可逆0不可逆+絕熱可逆000絕熱不可逆+0可逆循環(huán)000不可逆循環(huán)+0+熵及熵增原理小結(jié)過程S總S體系S環(huán)境總則0，+0，+，6.3.4 熵產(chǎn)生和熵平衡熵增的過程即是能量損耗的過程。熵平衡就是用來檢驗過程熵的變化，它可以精確地衡量過程的能量有效利用。6.3.4 熵產(chǎn)生和熵平衡熵增的過程即是能量損耗的過程。熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生化工熱力學(xué)課件之化工過程能量分析概要6.3.4 熵平衡例：有人有一發(fā)明如下，請判斷它的可行性T=450K環(huán)境1T=273K環(huán)境2高溫儲熱器冷卻水6.3.4 熵平衡例：有人有一發(fā)明如下，請判斷它的可行性6.3.4 熵平衡解題思路：是否同時符合熱力學(xué)

34、第一、第二定律（能量守恒、總熵變 0 ）答：不可行6.3.4 熵平衡解題思路：是否同時符合熱力學(xué)第一、第二6.4 理想功和損失功1、理想功Wid：指體系的狀態(tài)變化以完全可逆過程實現(xiàn)時，理論上可能產(chǎn)生的最大功或者必須消耗的最小功。完全可逆是指： (1)體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的 (2)體系與溫度為T0的環(huán)境進(jìn)行熱交換是可逆的。理想功是一個理論的極限值，是實際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。6.4 理想功和損失功1、理想功Wid：理想功（1）非流動過程 U=Q + W過程完全可逆，而且體系所處環(huán)境構(gòu)成了一個溫度為T0的恒溫?zé)嵩?。理想功產(chǎn)生最大功；消耗最小功理想功（1）非流動過程理想功產(chǎn)生最大功；消耗最小功理想

35、功（2）穩(wěn)定流動過程環(huán)境的溫度理想功（2）穩(wěn)定流動過程環(huán)境的溫度理想功（3）說明理想功Wid僅與體系狀態(tài)有關(guān)，與具體的變化途徑無關(guān)。理想功Wid與環(huán)境的溫度T0有關(guān)。理想功（3）說明5.4 理想功和損失功P(MPa)T(0C)H(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.3蒸汽1.0179.912778.16.5865-819.90.00816925(水)104.890.3674例：有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過程變成250C的水，求Wid(T0=298K)結(jié)論：1）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)

36、。 2）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸 汽來加熱最恰當(dāng)。5.4 理想功和損失功P(MPa)T(0C)H(KJ/Kg損失功2、損失功WL ：由于實際過程的不可逆性，將導(dǎo)致作功能力的損失。損失功體系在給定狀態(tài)變化過程中該過程實際Wac與所計算的理想功Wid的差值：損失功2、損失功WL ：損失功損失功：與1）環(huán)境溫度T0; 2）總熵變有關(guān)過程的不可逆性越大，S總越大，WL就越大，因此應(yīng)盡可能降低過程的不可逆性。損失功損失功：與1）環(huán)境溫度T0; 2）總熵變有關(guān)過程的不可熱力學(xué)效率實際過程的能量利用情況可通過熱力學(xué)效率加以評定熱力學(xué)效率實際過程的能量利用情況可通過熱力學(xué)效率加以評定5.4

37、 理想功和損失功例：流動水由900C變?yōu)?00C，CP=1Cal/g.K，忽略壓差，求WL(T0=298K) 。5.4 理想功和損失功例：流動水由900C變?yōu)?00C，C 例： 一臺蒸汽透平機(jī)，進(jìn)入的是壓力為1570KPa和溫度為4840C的過熱蒸汽，排出的蒸汽壓力為68.7KPa。透平機(jī)中過程不是可逆也不是絕熱，實際輸出的功等于可逆絕熱時軸功的85%。由于保溫不完善，在環(huán)境溫度200C時，損失于環(huán)境的熱量為7.12kJ/kg，試求該過程的理想功、損失功及熱力學(xué)效率。解：1）查表得蒸汽初態(tài)H1=3428kJ/kg， S1=7.488kJ/kg.KS2=7.488kJ/kg.K2）68.7KPa

38、下H2=2659kJ/kg3）可逆絕熱功WSWS= H -Q = H2 -H1 =-769kJ/kgWac=85%WS=-653.7kJ/kgTSP1= 1570KPa T1 = 4840CP2=68.7KPa212 例： 一臺蒸汽透平機(jī)，進(jìn)入的是壓力為1570KPa和4）穩(wěn)流體系，忽略動能和位能差實際過程Wac= H -QH2 =H1+ Q+ Wac=3428-7.12-653.7=2767kJ/kg5） 68.6KPa ，H2下的S2= 7.76kJ/kg.K（過熱蒸汽）S體系=（S2 - S1）=7.76-7.488=0.272kJ/kg.K6）理想功 Wid= H -T0 S體系=（2

39、767-3428）- 293.15*0.272 =-740.7kJ/kg.K7）損失功WL=T0S總S環(huán)境=Q/T0=7.12/293.15=0.02425kJ/kg.KWL=T0S總=293.15（0.272+0.02425）=86.82kJ/kg或WL=Wac-Wid=-653.7-（-740.7）=87kJ/kg8）熱力學(xué)效率=Wac/ Wid =1- WL/ Wid =（1-86.82/740.6）*100%=88.28%4）穩(wěn)流體系，忽略動能和位能差基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。功的品位高于熱 。1度電=1KWhr=3600KJ=860Kcal但860Kcal熱不能變成

40、1度電。熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ男蕿?0%。高壓蒸汽的做功能力高于低壓蒸汽。高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高。大氣中的能量全部不能做功。基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。5.5.2 的計算1、穩(wěn)定流動體系的Ex5.5.2 的計算1、穩(wěn)定流動體系的Ex注意：（1 ）Ex與理想功的區(qū)別：理想功是任意兩個狀態(tài)的變化，而E的末態(tài)是體系的基準(zhǔn)態(tài)(P0，T0)， 該態(tài)的Ex為0（ 2 ）Ex是狀態(tài)函數(shù)穩(wěn)定流動體系的ExEx比較：注意：穩(wěn)定流動體系的ExEx比較：Ex與理想功的區(qū)別P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.0028

41、52772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例：1)有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過程均變成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).Ex與理想功的區(qū)別P,MPaT,0CHSWidEx蒸汽7.0Ex與理想功的區(qū)別例：2) 7.0MPa蒸汽作功后變成1.0MPa蒸汽,求此過程的Wid和作功前后蒸汽具有的的有效能Ex(T0=298K）P,MPaT,0CH(KJ/Kg )S(KJ/Kg.K )Wid(KJ

42、/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.00285H1=2772.1S1=5.8133-224.411044.3蒸汽1.0179.9H2=2778.1S2=6.5865819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740Ex與理想功的區(qū)別例：2) 7.0MPa蒸汽作功后變成1.01、物理Ex：濃度、組成不變，T，P T0，P0引起的 Ex 變化。2、化學(xué)Ex： T0，P0 T0，P0 ，但濃度、組成變化引起的Ex變化。3、功的Ex即是功4、動能、位能對Ex的貢獻(xiàn)可忽略擴(kuò)散：濃度變化化學(xué)反應(yīng)：組成變化熱的Ex ExQ壓力Ex ExPEx 1、物理Ex：擴(kuò)散：濃度變化熱的Ex E

43、xQEx 2）壓力EXP2）壓力EXPP,MPaT,KS(KJ/Kg.K )H(KJ/Kg )H0-H(KJ/Kg )EX(KJ/Kg)EX/( H-H0)水0.10132980.3674104.8900飽和蒸汽1.0134536.5822772.1267181430.66過熱蒸汽1.0135737.133053294893431.68飽和蒸汽6.868557.25.82627752670104339.06飽和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78P,T,KSHH0-HEXEX水0.10132980.367分析：1）壓力相同（1.013MPa ），過熱蒸汽的Ex比飽和蒸汽大，所以其做功本領(lǐng)也大。2）溫度相同（573K）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)。3）溫度相同（573K）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費用。 4）放出的熱相同（557.5K和453K的飽和蒸汽），高溫高壓蒸汽的Ex比低溫低壓蒸汽的高28.13%。結(jié)論：1）一般供熱用0.5