第4章 熱力學基本定律及其應用熱力學第一定律文字表述:

孤立系統(tǒng)無論經(jīng)歷何種變化，其能量守恒。也就是說，孤立系統(tǒng)中各種能量的形式可以相互轉(zhuǎn)化，但能量不會憑空產(chǎn)生，也不會自行消滅，能量在各種形式之間進行轉(zhuǎn)化時，總的能量數(shù)值保持不變。4.1熱力學第一定律—能量轉(zhuǎn)化與守恒方程熱力學第一定律的定性描述我們早已知道，我們感興趣的是能量守恒的定量關(guān)系，數(shù)學表達式，這樣我們就需要把自然界的各種能量的大小或變化值表示并計算出來，找到它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

物質(zhì)運動是絕對的，能量是物質(zhì)運動的量度，因此，一切物質(zhì)都具有一定種類和數(shù)量的能量。能量通常有以下幾種1.內(nèi)能用U表示。它是在分子尺度層面上與物質(zhì)內(nèi)部粒子的微觀運動和粒子的空間位置有關(guān)的能量，熱力學能包括分子平動、轉(zhuǎn)動和振動運動的動能，分子間由于相互作用力的存在而具有的位能，這一部分能量又稱為熱力學能。在化學熱力學中，由于涉及物質(zhì)分子的變化，熱力學能還將考慮物質(zhì)內(nèi)部儲存的化學能。2.宏觀動能物質(zhì)作為一個整體，在系統(tǒng)外的參考坐標系中，由于其宏觀運動速度的不同，而具有能量，稱為宏觀動能，用Ek表示。3.重力位能物質(zhì)作為一個整體，在系統(tǒng)外的參考坐標系中，在重力場中由于高度的不同，而具有不同數(shù)量的機械能，稱為重力位能，用Ep表示4.物系與環(huán)境之間在不平衡勢的作用下會發(fā)生能量交換，傳遞能量的方式有兩種——功和傳熱。由于溫度不同而引起的能量傳遞叫作傳熱，用Q表示。物系與環(huán)境之間除了傳熱之外的交換的其它能量均稱為功，用W表示。由于功和熱是過程函數(shù)，因此體現(xiàn)與環(huán)境之間傳遞的微小熱量和功分別用δQ

和δW

表示，而不用dx表示。熱和功有正負號規(guī)定功的種類及相互關(guān)系（1）流動功流體只有在壓力差的作用下才能流動，壓力不同，它的體積不同，流體在流動過程中，壓力和體積在不斷的變化，單位質(zhì)量流體從壓力為零變到壓力為p1時接受的推擠功為p1V1,相同流體從壓力為零變到壓力為p2時接受的推擠功為p2V2，流體以狀態(tài)p1、V1進入系統(tǒng)到流體以狀態(tài)p2、V2離開系統(tǒng)時由于流體流動而引起系統(tǒng)與環(huán)境交換的功量稱為流動功，用Wf表示：流動功推擠功流動功、可逆軸功、可逆體積功之間的關(guān)系（2）可逆體積功單位質(zhì)量的流體通過動力設(shè)備時，如果在可逆條件下（無摩擦，過程的推動力無限?。?，流體所做的可逆體積功為:對上式從狀態(tài)（p1,V1）積分到狀態(tài)（p2,V2）可得由于p和V都是狀態(tài)函數(shù)，所以（3）可逆軸功體積功包括兩部分，一部分是通過設(shè)備的軸傳遞的軸功Ws

，另一部是流體流動過程壓力、體積的變化與環(huán)境交換的流動功Wf。4.1.2 熱力學第一定律的數(shù)學表達式熱力學第一定律是人們經(jīng)驗的總結(jié)，是不能通過證明進行確認數(shù)學表達式：Δ(體系的能量)+Δ(環(huán)境的能量)=0

Δ(環(huán)境的能量)=-(Q+W)

Δ(體系的能量)=ΔU+ΔEk+ΔEp

封閉體系的能量平衡方程封閉系統(tǒng)的概念：體系與環(huán)境之間只有能量交換而無物質(zhì)交換的系統(tǒng)沒有物質(zhì)交換，就沒有物質(zhì)流動，因此，就沒有動能，也沒有勢能的變化內(nèi)能U是通過熱力學第一定律引出的一個熱力學性質(zhì)4.1.4 穩(wěn)流系統(tǒng)的熱力學第一定律及其應用圖6-1 穩(wěn)流系統(tǒng)示意圖穩(wěn)態(tài)流動是指流體流動途徑中所有各點的狀況都不隨時間而變化，系統(tǒng)中沒有物料和能量的積累。熱力學第一定律中的每一項為：內(nèi)能的變化：動能的變化為：重力勢能的變化為：交換的熱量為：Q

對于流動過程，系統(tǒng)與環(huán)境交換的功交換的功包括兩部分是軸功與流動功之穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系可寫為將焓的定義H=U+pV

代入上式可得穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量平衡方程注意：1、使用上式時要注意單位必須一致。按照SI單位制，每一項的單位為J·kg-1。2、焓的概念是在研究穩(wěn)流體系熱力學第一定律的過程中引進的3、研究對象可以認為是單位質(zhì)量流流體，也可以認為是截面1和2之間的總流體穩(wěn)流體系熱力學第一定律的應用（1）流體流經(jīng)換熱器、反應器、管道等設(shè)備物系與環(huán)境之間沒有軸功的交換進出口之間動能的變化和位能的變化可以忽略不計因此，穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學第一定律可化簡為此式就是穩(wěn)流體系進行熱量衡算的基本關(guān)系式熱管技術(shù)在解決“神六”等飛船迎陽和背陽材料溫差、青藏高原鐵路凍土路基穩(wěn)定和我們?nèi)粘Ｊ褂玫墓P記本電腦的散熱等問題上都采用了“熱管”技術(shù)。熱管熱管的工作原理熱管長7米，是一種碳素無縫鋼管，5米埋入地下，地面露出2米。里面灌裝有液態(tài)氨，通過液態(tài)氨，讓它保持冷凍狀態(tài)不松軟；通過露出地面管徑外表的“翅片”，把蘊含在地表土層中的熱量散發(fā)到空氣中。（2）流體流經(jīng)泵、透平機和壓縮機透平機是借助流體的減壓和體積膨脹過程來產(chǎn)功的，壓縮機通過提高流體的壓力，減小流體的體積，增加流體的速度，該過程要消耗功

體系在設(shè)備在進出之間的動能的變化、位能的變化與焓變相比可以忽略不計。若這些設(shè)備可視為與環(huán)境絕熱，那么進一步可化簡為：（3）流體流經(jīng)噴嘴與擴壓管

噴嘴與擴壓管的結(jié)構(gòu)特點：進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壓管。噴嘴擴壓管是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?否流體通過焓值的改變來換取速度的增加或減小實際工程中的噴嘴（噴管）是很復雜的，噴管分為兩種p1p2p1p2漸縮噴嘴縮擴噴嘴喉部漸縮噴嘴的出口流速最大只能達到音速縮擴噴嘴的出口流速可以從喉部的音速再加速到超音速被引射流體入口水流泵和蒸汽噴射泵的原理工作流體入口噴嘴擴壓管多級噴射器火箭升空噴氣式發(fā)動機（1）在火箭和噴氣式飛機中的應用渦輪噴氣式飛機引擎的示意圖

液體燃料火箭引擎的示意圖

分析熱氣球的工作原理（4）流體經(jīng)過節(jié)流閥是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動能是否變化?通?？梢院雎?4)Bernoulli方程對于不可壓縮流體，且流體與環(huán)境之間沒有軸功交換時，對上式進行積分，得

對于沒有摩擦的流體流動過程，可以認為為可逆過程穩(wěn)流體系第一定律的微分表達式6.2熱力學第二定律水往低處流熱由高溫物體傳向低溫物體熱力學第二定律的初步了解在所有自然界發(fā)生的過程中，有兩個本質(zhì)性的規(guī)律，一個是能量守恒定律，另一個就是熵增原理——熱力學第二定律。人類為了生存和提高生活水平，需要消耗各種能源，例如化石能源、核能、水利能，這些能量有的變?yōu)槲覀冃枰墓?，有的由于摩擦力的存在直接變?yōu)闊?，變?yōu)楣Φ哪遣糠帜芰客ㄟ^為人類服務后最終也都變成熱量，這些熱量的最終歸宿地就是環(huán)境中。因此引出了一個與熱量有關(guān)的了一個熱力學性質(zhì)——熵為了便于描述，引出來能量質(zhì)量（品位）的概念，可以百分之百變?yōu)楣Φ哪芰糠Q為——高級能量；只能部分變?yōu)楣Φ哪芰糠Q為——低級能量；完全不能變?yōu)楣Φ哪芰糠Q為——疆態(tài)能量或無用能量。高級能量之間相互轉(zhuǎn)化時由于沒有熱量的產(chǎn)生，所以也不產(chǎn)生熵，只有高級能量由于摩擦等不可逆因素產(chǎn)生熱時，才導致熵的變化，熵是如何變化呢？體系環(huán)境σQ體系的熵變環(huán)境的熵變總熵變還有一個特殊情況就是傳熱過程，即高品位的能量變?yōu)榈推肺坏哪芰俊1T2環(huán)境T0環(huán)境T0w1w2在這個過程中有一部可以變?yōu)楣Φ哪芰繘]有變?yōu)楣ψ優(yōu)榱藷?，因此總熵變增加了。熱力學第二定律熱力學第二定律的文字表述克勞修斯說法：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體。開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?。它們的本質(zhì)是說能量不能自動的從無序能量變?yōu)橛行蚰芰?/p>

熵的概念是由熱力學第二定律引出的熱力學第二定律的數(shù)學表達式：熵的定義如圖是一個Carnot循環(huán)的示意圖，循環(huán)的效果如圖所示根據(jù)Carnot定理，所有工作于等溫熱源T1和等溫熱源T2之間的熱機，以可逆熱機效率為最大，效率值僅與T1和T2有關(guān)，而與工作介質(zhì)無關(guān)。從上式可以推出：若該Carnot循環(huán)是一個無限小的可逆循環(huán)，吸熱和放熱都只是無限小的量將任何一個可逆循環(huán)視為無限多個小的Carnot循環(huán)組成，對可逆循環(huán)過程作循環(huán)積分，就有通過前面的熱力學性質(zhì)可知，經(jīng)過一個循環(huán)后熱力學性質(zhì)的變化量為零，可逆循環(huán)的熱溫商為零，那么它肯定代表一個熱力學性質(zhì)，把這個性質(zhì)稱為熵，用S表示，于是熵S的熱力學定義為：熵增原理任意過程的熵變與熱溫商的關(guān)系為：上式就是熱力學第二定律的數(shù)學表達式，等號用于可逆過程，而不等號用于不可逆過程。 對于孤立體系ΔSsys

＋ΔSsur≥0從熵增原理可以看出，能量是守恒的，熵是增加的，熵增加的本質(zhì)是什么呢？(1)從微觀意義上講由于熵是系統(tǒng)混亂度的量度，任何實際可以進行的過程都是從總的有序性變?yōu)闊o序性，向混亂度增加的方向變化，向熵值增大方向進行。(2)從宏觀角度看總熵變增加是由于能量品位的降低的結(jié)果，自然界中發(fā)生的任何變化都和能量的變化有關(guān)，盡管能量的大小沒有改變，但是能量的品位發(fā)生了變化，能量變化的總效果都是由有序能量變?yōu)闊o序能量即高級能量變?yōu)榈图壞芰康倪^程，能量的品位降低了，因此總熵變是增加的。注意：（1）熵和熱是緊密相聯(lián)系從熵的定義可以看出，熵是和熱緊密聯(lián)系在一起的，只有熱的傳遞和其它形式高級能量變成了熱才能引起熵的變化，而且總是引起熵增加，功的傳遞或者高級形式能量的相互轉(zhuǎn)變都不能引起熵的增加或減少。（2）地球的總熵永遠增加人類在自然界中的一切活動都與能量有關(guān)，大到發(fā)電、火車、汽車的運行，小到人們的運動甚至呼吸，所用這些過程都消耗各種形式的能量，最后這些能量都變成了熱釋放到環(huán)境中去了，因此總熵變是增加的。從另一個角度我們可以看出，地球變暖是不可避免的。（3）我們唯一可以做的是使總熵變增加的慢一點減少溫室氣體的排放量總的來說就是節(jié)能，減少地球溫度上升的速度，就是使總熵變增加的慢一點。熵產(chǎn)生如果考慮了熵產(chǎn)生，熱力學第二定律的不等式表達式可以用等式來表示其中，ΔSg稱為熵產(chǎn)生，它是由于過程的不可逆性而引起的那部分熵變?？赡孢^程熵產(chǎn)生ΔSg＝0；不可逆過程熵產(chǎn)生ΔSg>0總之，熵產(chǎn)生永遠不會小于零。6.3 理想功、損失功與熱力學效率定義：理想功是在一定環(huán)境條件下，系統(tǒng)發(fā)生完全可逆過程時，理論上可能產(chǎn)生的最大功或消耗的最小功

理想功代表一個生產(chǎn)過程可能提供的最大功，是一切實際產(chǎn)功和耗功大小的表較標準。所謂完全可逆過程包含以下兩方面的含義：（1）系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的所有變化都必須可逆（2）系統(tǒng)與環(huán)境的換熱也是可逆進行；（1）封閉體系理想功的表達式（2）穩(wěn)流系統(tǒng)理想功的表達式6.3.2 損失功實際過程是不可逆的，實際功必定小于理想功，理想功與實際功之差稱為損失功對穩(wěn)流體系實際功就是軸功而理想功為損失功為：而環(huán)境的熵變?yōu)椋鹤罱K損失功的表達式為：根據(jù)熱力學第二定律，孤立體系的熵永遠是大于零的，因此6.3.3熱力學效率定義理想功在實際功中所占比例為熱力學效率做功過程：耗功過程：6.4有效能（略）6.5 化工過程能量分析及合理用能

熱力學分析的三種方法

一、能量衡算法過程評價方法是熱力學第一定律二、理想功、損失功和熱力學效率法

三、有效能衡算和有效能效率法合理用能的基本原則(1)防止能量無償降級（能量品位降低）(2)采用最佳推動力的工藝方案(3)合理組織能量多次利用，采用能量優(yōu)化利用的原則現(xiàn)代化合成氨廠的能量綜合利用合成氨的反應式原料N2來自空氣，H2來自水通過煤或天然氣與水反應來制得氫氣，原則流程為脫硫一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化高溫變化低溫變化脫炭甲烷化壓縮壓縮壓縮天然氣空氣蒸汽合成氨400-500℃15MPacat工藝簡述1.造氣（一段轉(zhuǎn)化和二段轉(zhuǎn)化）副反應反應壓力：從上面反應式可以看出，降低壓力對反應有利，但是為了減少設(shè)備投資，節(jié)省動力消耗，提高過量蒸汽余熱的利用價值，反應壓力為3.5-4MPa。反應溫度：甲烷在反應系統(tǒng)為惰性氣體，會逐漸積累，因此，轉(zhuǎn)化其中甲烷的含量要小于0.5％，相應的轉(zhuǎn)化溫度要求1000℃以上，現(xiàn)在耐熱合金鋼管只能在600-900℃下工作。合成氨中通過補充空氣來補入氮，氧氣的存在將引起劇烈的氧化反應，并放出大量的熱，因此，采用兩段轉(zhuǎn)化，一段轉(zhuǎn)化通過外熱的形式，反應溫度較低，二段轉(zhuǎn)化通過耐火磚襯里的轉(zhuǎn)換爐，加入空氣利用反應熱繼續(xù)進行甲烷轉(zhuǎn)化。天然氣既作原料又作燃料，天然氣在3.6MPa和預熱到380℃，與水蒸汽混合，進入一段轉(zhuǎn)換爐對流段加熱到500-520℃，然后送入輻射端頂部分配進入各反應管，離開底部溫度達到800-820℃，壓力3.1MPa，匯集與積氣管，沿積氣管上升，進一步吸熱溫度達到800-860℃，送入二段轉(zhuǎn)化。二段轉(zhuǎn)化燃料天然氣從輻射段頂部噴嘴噴人燃燒，煙道氣自上而下，與管內(nèi)氣體流向一致，離開輻射段的煙道氣溫度在1000℃以上，進入對流段依次流過混合氣、空氣、原料天然氣、鍋爐水、燃料天然氣各個盤管，溫度降到250℃，用引風機排放大氣。工藝空氣壓縮到3.3-35.MPa，進入一段轉(zhuǎn)換爐對流段，預熱到450℃，與一段轉(zhuǎn)化氣匯合，由于氫氣的燃燒反應是其它反應的1000-10000倍，二段轉(zhuǎn)化爐頂部主要進行燃燒反應，再通過催化劑床層繼續(xù)反應，離開二段轉(zhuǎn)換爐的氣體溫度為1000℃，壓力3MPa，殘余甲烷含量0.3％左右。進入第一、第二費熱鍋爐，共同產(chǎn)生10.0MPa的高壓蒸汽，從費熱鍋爐出來的氣體溫度370℃，到變化工段。2.合成氣的凈化（1）高低溫變換工段合成氣中有N2、H2還含有雜質(zhì)氣CO2、

CO、CH4要經(jīng)過變換、脫炭和甲烷化把它們脫除高低溫變換就是把CO變成易清除的CO2同時制得H2高溫變換的催化劑Fe2O3,經(jīng)過高溫變換后有3％左右的CO，再經(jīng)過Cu-Zn催化劑的低溫變換，CO降到0.3％。高溫變換進口時370℃，出高變時溫度425-440℃，經(jīng)過高變費熱鍋爐，冷卻到330℃，同時鍋爐產(chǎn)生10MPa的飽和蒸汽，溫度尚高，再預熱鍋爐給水加熱器，最后冷卻到220℃，進入低變，低變出口溫度為200℃左右。（2）脫炭（3）

甲烷化400-500℃15MPacat3.氨的合成氨的合成是整個合成氨的核心部分，合成氨反應是在較高的壓力和催化劑的作用下進行的，由于氨的平衡轉(zhuǎn)化率只有10％——20％，故需要采取分離氨后在把氮氣、氫氣循環(huán)回合成反應器的流程。熱量的綜合利用整個裝置包括天然氣、工藝空氣、合成器、和氨4臺離心式壓縮機，加上主要機泵。它們需要的蒸汽主要靠轉(zhuǎn)化、變換及合成工藝的余熱，外加輔助鍋爐來解決。水處理系統(tǒng)出來的水，一路去合成塔出口進行預熱，一路去低溫變換爐出口進行預熱，然后兩路匯合到高變爐出口氣再進行預熱，到高變爐出口費熱鍋爐加熱到10MPa的飽和蒸汽和飽和水，高壓蒸汽主要通過二段轉(zhuǎn)換爐出口費熱鍋爐產(chǎn)生，產(chǎn)汽量為166t/h，輔助鍋爐每小時產(chǎn)高壓蒸汽63.5t，高壓蒸汽再經(jīng)一段轉(zhuǎn)換爐對流段過熱到510℃，230t/h的過熱蒸汽首先全部送入合成氣透平，此透平為背壓式，蒸汽出口壓力為3.95MPa，溫度為390℃，蒸汽送入中壓蒸汽管網(wǎng)，其中抽出85t/h作為工藝原料送入一段轉(zhuǎn)化爐，其余送入中壓透平用來驅(qū)動泵，中壓透平大部分為凝汽式的，也有0.46MPa的背壓透平，出來的低壓蒸汽供脫炭再生用。對流段一段轉(zhuǎn)化爐二段轉(zhuǎn)化爐費熱鍋爐高溫變換低溫變換鍋爐給水加熱器氨合成塔鍋爐給水加熱器鍋爐給水加熱器高壓蒸汽包輔助鍋爐高壓蒸汽包水處理系統(tǒng)合成氣壓縮機透平煙道氣引風機透平天然氣壓縮機透平工藝空氣壓縮機透平冷凍機脫炭液泵鍋爐給水內(nèi)部發(fā)電機1000℃以上10.2MPa510℃3.2MPa800℃3MPa1000℃370℃420-440℃220℃240℃400-500℃10MPa飽和蒸汽3.95MPa蒸汽0.46MPa蒸汽供尿素和工藝用汽脫炭塔再生用汽日產(chǎn)1000噸氨蒸汽與動力消耗汽動設(shè)備單位用量占總動力消耗的％合成壓縮機功率/KW2075052耗汽/t·h-1230.5壓力/MPa10.1溫度/℃510工藝空氣壓縮機功率/KW558017耗汽/t·h-135天然氣壓縮機功率/KW37107.9耗汽/t·h-112.5氨壓縮機功率/KW26106.5耗汽/t·h-115.8脫炭溶液泵功率/KW13403.3耗汽/t·h-119.3煙道氣引風機功率/KW10402.6耗汽/t·h-18.3鍋爐給水泵功率/KW2×8104.5耗汽/t·h-1/KW12.4/7.7發(fā)電機功率/KW25006.2耗汽/t·h-114.9合計400701004.8氣體的壓縮為什么要對氣體進行壓縮？（1）對氣液反應、氣固反應為了增加反應速率，必須在較高壓下進行，而有些反應要進行必須在高壓才能反應。（2）氣體的輸送，如天然氣西氣東輸。（3）氣體的液化（4）利用氣體帶著液體進行輸送，流化床（5）自控儀表壓縮機的分類廣義上講，凡能升高氣體壓力的設(shè)備均可稱為壓縮機實際上根據(jù)壓縮比r=P2/P1的數(shù)值把壓縮機分為三類：

r＝1.0——1.1通風機

r＝1.1——4.0鼓風機

r>4.0壓縮機（狹義）按體積的變化情況：容積式和速度型容積式壓縮機——是將一定量的連續(xù)氣流限制于一個封閉的空間里，使壓力升高。

包括：往復式壓縮機，回轉(zhuǎn)式壓縮機，滑片式壓縮機，羅茨雙轉(zhuǎn)子式壓

縮機，螺桿壓縮機速度型壓縮機——是回轉(zhuǎn)式連續(xù)氣流壓縮機，在其中高速旋轉(zhuǎn)的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉(zhuǎn)為壓力。包括：離心式壓縮機，軸流式壓縮機按運動方式：往復式和回轉(zhuǎn)式活塞往復式壓縮機壓縮機的特點特點：外界供給動力（電動機、汽輪機、內(nèi)燃機）使氣體壓力升高。為什么要研究壓縮機？因為氣體的壓縮要消耗大量的功

壓縮功研究壓縮機我們關(guān)心進氣溫度對壓縮功的影響氣體壓縮氣溫如何變化單級往復式壓縮機壓縮過程（1）吸氣

（2)壓縮

（3）排氣（4）再吸氣氣體壓縮分類：一般有等溫、絕熱、多變?nèi)N過程，

沒有余隙（理想壓縮）單級有余隙的壓縮從壓縮級數(shù)分類：

多級壓縮

三種壓縮過程的p-V圖及T-S圖

從圖中得到有余隙的壓縮過程2.壓縮功計算對于可逆軸功（1）理想氣體等溫壓縮功：（2）絕熱壓縮：（3）多變壓縮：對于非理想氣體壓縮功的計算等溫壓縮

絕熱壓縮

多變壓縮

多級壓縮中間冷卻三級壓縮機流程示意圖1.氣缸；2.中間冷卻器；3.油水分離器pV絕熱等溫第一級第二級思考：1.汽車發(fā)動機的原理是什么？2.為什么要進行多級壓縮？3.在級間為什么要加冷卻器？4.9膨脹過程4.9.1節(jié)流膨脹

流體在管道流動時，有時流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備，由于局部阻力，使流體壓力顯著降低，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象

節(jié)流過程的特征

根據(jù)穩(wěn)流過程的熱力學第一定律因節(jié)流過程進行得很快，可以認為是絕熱的，即，該過程不對外作功，，故節(jié)流膨脹屬絕熱而不作功的膨脹?？梢姡?jié)流前后流體的焓值不變，這是節(jié)流過程的重要特征

節(jié)流效應或Joule-Thomson效應

節(jié)流時的溫度變化稱為節(jié)流效應或Joule-Thomson效應。節(jié)流中溫度隨壓力的變化率稱為微分節(jié)流效應系數(shù)或Joule-Thomson效應系數(shù)，即利用熱力學關(guān)系式

節(jié)流過程壓力下降節(jié)流過程的溫度變化節(jié)流后溫度降低若若節(jié)流后溫度不變?nèi)艄?jié)流后溫度升高氮和氫的轉(zhuǎn)化曲線

積分節(jié)流效應氣體節(jié)流膨脹時，壓力變化為一定值時，所引起的溫度變化量稱積分節(jié)流效應氣體節(jié)流效應在溫熵圖上的表示4.9.2絕熱作功膨脹

絕熱膨脹的設(shè)備：活塞式膨脹機透平式膨脹機絕熱可逆膨脹的特點：等熵膨張4.9.2絕熱作功膨脹

等熵膨脹效應

氣體進行絕熱可逆膨脹時壓力隨溫度的變化，稱為“等熵膨脹效應”或稱“等熵膨脹系數(shù)”用表示

所以永遠為正值

積分等熵膨脹效應氣體等熵膨脹時，壓力變化為一定值時，所引起的溫度變化稱積分等熵膨脹效應積分等熵膨脹效應溫熵圖上的表示節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比較優(yōu)點：節(jié)流膨脹所需的設(shè)備僅是一個節(jié)流閥，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可用于汽、液兩相區(qū)的工作，甚至可直接用于液體的節(jié)流缺點：節(jié)流膨脹是有條件的，對少數(shù)臨界溫度極低的氣體（如H2

、He和CH4），必須預冷到一定的低溫進行節(jié)流，才能獲得冷效應；節(jié)流膨脹的溫降比絕熱膨脹小。即使在采用了膨脹機的深冷循環(huán)中，由于膨脹機不適用于溫度過低和有液體的場合，還是要和節(jié)流閥結(jié)合并用。優(yōu)點：在相同的條件下，絕熱作功膨脹比節(jié)流膨脹產(chǎn)生的溫度降大，且制冷量也大；絕熱作功膨脹適用于任何氣體。缺點：但膨脹機設(shè)備投資大，運行中不能產(chǎn)生液體，因此絕熱作功的膨脹主要用于大、中型設(shè)備，特別是用于深冷循環(huán)中，此時能耗很大，用等熵膨脹節(jié)能效果突出。4.10蒸汽動力循環(huán)

一、為什么要講蒸汽動力循環(huán)二、效率最高的熱力循環(huán)三、最簡單的蒸汽動力循環(huán)——Rankine循環(huán)四、如何提高蒸汽動力循環(huán)的效率1、熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ淖罡咝实难h(huán)

——Carnot循環(huán)卡諾設(shè)計了一種理想的可逆循環(huán)，由于是可逆過程，對外作最大功。Carnot

循環(huán)的效率卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個等熵過程組成，在高溫TH過程中吸熱，有QH的熱量被工作介質(zhì)吸收，在低溫的TL過程中有QL的熱量被循環(huán)工質(zhì)排放除去，循環(huán)過程作的凈功為工作介質(zhì)膨脹對外作的功和壓縮過程作的功的代數(shù)和。根據(jù)熱力學第一定律可以推導出效率為：對于工作在25℃和400℃之間的熱機，其最高效率為：考慮到透平的機械效率和機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男剩壳皣鴥?nèi)的平均熱機效率30％左右卡諾循環(huán)在實際操作中遇到的問題卡諾循環(huán)是效率最高的循環(huán)，但它卻不能付之實踐。兩個原因（1）在飽和水在透平的膨脹過程中，會發(fā)生侵蝕現(xiàn)象，實踐表明，透平帶水不能超過10％。（2）汽液混合物不能由泵送入鍋爐，因為壓縮氣體消耗的功非常大。第一個有實踐意義的循環(huán)為Rankine(朗肯)循環(huán)三、朗肯循環(huán)Rankine

循環(huán)由四個步驟組成（1）高溫吸熱；（2）膨脹作功；（3）低溫放熱；（4）泵輸送升壓Rankine循環(huán)的熱效率的計算（1）高溫吸熱：

（2）膨脹作功：（3）低溫放熱：（4）泵輸送升壓：由于水的壓縮性很小，則水泵消耗的壓縮功亦可按下式計算

整個循環(huán)的總功為其數(shù)值相當于圖中的曲線1-2-3-4-5-6-1所包圍的面積，即蒸汽動力循環(huán)對外所作的理論凈功。

熱效率評價動力循環(huán)的主要指標熱效率由于水泵的功耗遠小于透平機的做功量，所以可以忽略不計，熱效率可以近似表示為：反映機械制造水平的等熵膨脹效率實際的蒸汽動力循環(huán)是不可逆的：（1）蒸汽通過透平機的絕熱膨脹實際上不是等熵的，而是向著熵增加的方向偏移，實際作出的功應為H4-H7，顯然它小于等熵膨脹的功H4-H5。兩者之比稱為等熵膨脹效率，即等熵膨脹效率也稱為相對內(nèi)部效率，反映的是透平機內(nèi)部的損失，它與透平機的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，一般可達到80-90%.(2)水泵所消耗功的不可逆性水泵所耗的功本來就小，不可逆性的影響也可以忽略

4.11制冷循環(huán)

7.4.1理想制冷循環(huán)制冷的定義：制冷過程是使物系的溫度降到低于周圍環(huán)境溫度的過程。習慣上，制冷溫度在–100℃以上者稱為普通制冷，低于–100℃者稱為深度制冷。

制冷循環(huán)的本質(zhì)：連續(xù)地從低溫吸熱，然后將熱量連續(xù)地排放到高溫環(huán)境的過程，因此制冷循環(huán)是熱機的逆向循環(huán)。

7.4.1理想制冷循環(huán)——逆向Carnot循環(huán)圖4-26逆Carnot循環(huán)示意圖及T-S圖

逆Carnot循環(huán)的具體過程（1）絕熱可逆壓縮過程

（2）等溫可逆放熱過程

（3）絕熱可逆膨脹過程

（4）等溫可逆吸熱過程

循環(huán)吸收的熱量循環(huán)放出的熱量循環(huán)消耗的功制冷系數(shù)定義為制冷量與其所消耗的功量之比。對于逆向Carnot循環(huán)

4.11.2蒸氣壓縮制冷循環(huán)

單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成

圖4-27單級蒸氣壓縮制冷的示意圖、T-S圖、p-H圖制冷計算在已知制冷劑的種類、制冷溫度、冷凝溫度后，求：(1)

單位制冷量。是指1kg制冷劑在一次循環(huán)中所制取的冷量。

(2)

制冷劑每小時的循環(huán)量。式中

為制冷裝置的制冷能力，是指制冷劑每小時從低溫系統(tǒng)制取的冷量。(3)

冷凝器的單位放熱量。(4)壓縮機消耗的單位理論功。而制冷劑所消耗的