化工熱力學(xué)第五章化工過程的能量分析2023/4/27第1頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一本章內(nèi)容§5.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)§5.1熱力學(xué)第一定律與能量平衡方程§5.2熱功轉(zhuǎn)換§5.3熵§5.4理想功和損失功§5.5火用及其計(jì)算2023/4/27第2頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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2023/4/27第3頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一1、體系與環(huán)境體系（System）

在科學(xué)研究時(shí)必須先確定研究對(duì)象，把一部分物質(zhì)與其余分開，這種分離可以是實(shí)際的，也可以是想象的。這種被劃定的研究對(duì)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。2023/4/27第4頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一體系分類

根據(jù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：（1）敞開體系體系與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。（2）封閉體系體系與環(huán)境之間無物質(zhì)交換，但有能量交換。2023/4/27第5頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一體系分類（3）孤立體系（isolatedsystem）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(shí)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慮。2023/4/27第6頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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(shí)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，G2023/4/27第7頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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)3

△H=0,△U=0,△V=0,△S體系=0（當(dāng)然△S總≠0)2023/4/27第8頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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(duì)某一過程的描寫：初態(tài)+終態(tài)+路徑.不可逆過程：一個(gè)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2023/4/27第9頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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(dòng)力無限小，可以忽略不計(jì)?？赡孢^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？）2023/4/27第10頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一2）若是可逆過程，位的梯度即推動(dòng)力需為無限?。蝗舸嬖谕苿?dòng)力則是實(shí)際過程，而非可逆過程。3）可逆過程是實(shí)際過程中只能趨近而永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)的理想過程，其本質(zhì)是狀態(tài)變化的推動(dòng)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(shí)際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)。若說某體系效率為80%，是指與可逆過程比。5）可逆過程是效率最高的過程。體系對(duì)外做最大功。體系對(duì)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：2023/4/27第11頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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。

ΔU＝Ｑ+Ｗ熱力學(xué)第一定律3）

按照國(guó)際規(guī)定:Ｑ:體系吸熱為正，Ｑ>0，體系放熱為負(fù),Ｑ<0

；Ｗ:環(huán)境對(duì)體系作功,Ｗ>0

，體系對(duì)環(huán)境作功,Ｗ<02023/4/27第12頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.0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(hào)不同。用該式表示的W的取號(hào)為：環(huán)境對(duì)體系作功，W<0

；體系對(duì)環(huán)境作功，W>0。本新版教材用的是ΔU＝Ｑ+Ｗ，敬請(qǐng)注意！

4)熱的推動(dòng)力是溫差。

功的推動(dòng)力是除溫差以外的位的梯度。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。2023/4/27第13頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一降低資源消耗減少環(huán)境破壞在化工產(chǎn)品成本中，能源所占的比重很大，一般產(chǎn)品約占20-30%，能耗高的產(chǎn)品可達(dá)70-80%。因此，化工節(jié)能有特殊重要的意義。我國(guó)化工系統(tǒng)的能源消費(fèi)量約占全國(guó)總量的10%。我國(guó)的單位產(chǎn)值能源消耗量比世界先進(jìn)水平高得多，主要原因在于分離過程的能耗大大高于發(fā)達(dá)國(guó)家?；し蛛x過程的能耗是世界總能耗的8%。我國(guó)比國(guó)外同類產(chǎn)品能耗高20-30%，有的高出一倍。日本的能量利用效率達(dá)57%,在世界各國(guó)中居首位。2023/4/27第14頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一化工過程能量分析實(shí)例南京塑料廠乙苯脫氫制苯乙烯2023/4/27第15頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一化工過程能量分析實(shí)例水蒸氣加熱爐AB混合器第一段脫氫反應(yīng)器第二段脫氫反應(yīng)器中間加熱器乙苯+水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)物去急冷后處理系統(tǒng)換熱器圖1乙苯脫氫反應(yīng)模擬流程2023/4/27第16頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一化工過程能量分析實(shí)例反應(yīng)器：燒重油加熱反應(yīng)物至560~620oC，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)生水蒸汽我的印象：一個(gè)反應(yīng)需要一個(gè)車間來完成（三層樓）我的體會(huì)：目的是能源的最大化利用（不是僅總能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加熱。2023/4/27第17頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一各章之間的聯(lián)系第3章純流體的熱力學(xué)性質(zhì)(H,S,U，難測(cè)；由EOS,Cp,Cv得到）第5章化工過程的能量分析:H,S,U,W(3)第7章相平衡:f(2,4),γ(4)第10章化學(xué)平衡:μ(4)給出物質(zhì)有效利用極限第6章蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán):H,S,W(3)給出能量有效利用極限化工熱力學(xué)的任務(wù)第4章流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)第2章熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(PVT,Cp,Cv,EOS)2023/4/27第18頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一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(jí)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(jí)能量：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。2023/4/27第19頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一化工過程的熱力學(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(gè)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。化工熱力學(xué)的任務(wù)2023/4/27第20頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.1熱力學(xué)第一定律與能量平衡方程§5.1.1熱力學(xué)第一定律§5.1.2穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理§5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用2023/4/27第21頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1熱力學(xué)第一定律ΔU＝Ｑ+Ｗ只適合封閉體系!!!熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：2023/4/27第22頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.2穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理穩(wěn)定流動(dòng)敞開體系穩(wěn)定、連續(xù)、流進(jìn)、流出，不隨時(shí)間變化，沒有能量和物料的積累?；み^程中最常用不能用ΔU＝Ｑ+Ｗ來表達(dá)!!!2023/4/27第23頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一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(dòng)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。2023/4/27第24頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一熱: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(duì)流動(dòng)系統(tǒng)：包括兩部分(1)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(dòng)過程中，由于流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功，稱為流動(dòng)功Wf=PV。管道截面積A[m2]

1kg流體

V[m3/kg]

P

流動(dòng)功＝F.S=（P.A）.(V/A)=PV[J/Kg]2023/4/27第25頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一注意：*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(duì)非流動(dòng)系統(tǒng)，特定設(shè)備（如帶活塞的氣缸）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)。2023/4/27第26頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一以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+u22/2§5.1.2穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u22023/4/27第27頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一根據(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(dòng)體系無能量的積累∴E1+Q=E2

-W（1）體系與環(huán)境交換的功W包括與環(huán)境交換的軸功Ws

和流動(dòng)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§5.1.2穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)原理2023/4/27第28頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱力學(xué)第一定理：焓變位能變化動(dòng)能變化(4)式的計(jì)算單位建議用J/kg；即以1Kg為基準(zhǔn)!!!§5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用2023/4/27第29頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一一些常見的屬于穩(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)混合裝置換熱裝置2023/4/27第30頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用中的簡(jiǎn)化1）流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī)

∵

u2≈0，gZ≈0

∴

H=Q+Ws——穩(wěn)流過程中最常用的公式若絕熱過程Q=0，

Ws=H=H2-H1高壓高溫蒸汽帶動(dòng)透平產(chǎn)生軸功。§5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用2023/4/27第31頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一2）流體通過換熱器、管道、混合器

∵Ws=0，u2=0，gZ=0

∴

H=Q如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相變化，溫度變化時(shí)，與環(huán)境交換的熱量（反應(yīng)熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。

§5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用體系狀態(tài)變化，如化學(xué)反應(yīng)

相變化

溫度變化

反應(yīng)熱

相變熱

顯熱

Q

——用于精餾、蒸發(fā)、吸收、結(jié)晶過程2023/4/27第32頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一3）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹過程?！遅s=0，u2=0，gZ=0，Q=0

∴H=0冷凍過程是節(jié)流過程，焓未變但溫度降低§5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用2023/4/27第33頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一4）對(duì)封閉體系，退化為封閉體系熱力學(xué)第一定律∵u2=0，gZ=0?！郒=Q+WS

又∵H=U+PV

∴U=Q+W§5.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用=Q+W-Wf=Q+W-P1V1+P2V2流動(dòng)功Wf=P1V1-P2V22023/4/27第34頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一熱力學(xué)第一定律應(yīng)用注意事項(xiàng)1、注意區(qū)別：U=Q+W封閉體系H=Q+Ws穩(wěn)定流動(dòng)體系2、注意符號(hào)：熱量：體系吸熱為正（+），體系放熱為負(fù)（-）；功：外界對(duì)體系做功為正（+），體系對(duì)外做功為負(fù)（-）。2023/4/27第35頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一例題例1：功率為2.0kw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20m的第二貯水罐．求送入第二貯水罐的水溫.解：以lkg的水為計(jì)算基準(zhǔn)。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(duì)水做功W為正。1)Q=-697.3

kJ/s

=-697.3/3.2kJ/kg2)Ws=2kw=2kJ/s=2/3.2kJ/kg注意：計(jì)算單位為kJ/kg2023/4/27第36頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.2熱功轉(zhuǎn)換§5.2.1熱功轉(zhuǎn)換的不等價(jià)性§5.2.2熱力學(xué)第二定律§5.2.3熱機(jī)工作原理§5.2.4熱機(jī)效率§5.2.5卡諾循環(huán)§5.2.6

可逆機(jī)的效率2023/4/27第37頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.2.1熱功轉(zhuǎn)換的不等價(jià)性熱功轉(zhuǎn)換的不等價(jià)性功可以100%轉(zhuǎn)變?yōu)闊釤岵豢赡?00%轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。熱、功的不等價(jià)性正是熱力學(xué)第二定律所表述的一個(gè)基本內(nèi)容。2023/4/27第38頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一自然界的現(xiàn)象水往低處流氣體由高壓向低壓膨脹2023/4/27第39頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一熱由高溫物體傳向低溫物體自然界的現(xiàn)象我們可以使這些過程按照相反方向進(jìn)行，但是需要消耗功。第一定律沒有說明過程發(fā)生的方向，它告訴我們能量必須守衡。第二定律告訴我們過程發(fā)生的方向。2023/4/27第40頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.2.2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?！遍_爾文（Kelvin）的說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Γ话l(fā)生其它的變化。”不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化2023/4/27第41頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.2.3

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，一部分通過熱機(jī)用來對(duì)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=0∴W=Q1-Q2熱機(jī)示意圖2023/4/27第42頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.2.4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η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。2023/4/27第43頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一TS①等溫可逆膨脹②絕熱可逆膨脹③等溫可逆壓縮④絕熱可逆壓縮§5.2.5卡諾循環(huán)（Carnotcycle）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)。卡諾定理的意義：解決了熱機(jī)效率的極限值問題。2023/4/27第44頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.2.6可逆機(jī)的效率可逆機(jī)的效率：Tl——高溫?zé)嵩吹臏囟?，K。最高限為鍋爐的使用極限，約450oC。棲化800oCT2——低溫?zé)嵩吹臏囟?，K。最低限為環(huán)境溫度。常州夏天30oC，北極-50oC常州夏天ηmax

=58%；北極ηmax

=79%?；鹆Πl(fā)電廠的熱效率大約為40%2023/4/27第45頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一熱力學(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。2023/4/27第46頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一“>”號(hào)為自發(fā)過程，“=”號(hào)為可逆過程任何一個(gè)體系與它的環(huán)境捆綁在一起均可看作一個(gè)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)境孤立體系體系熵的定義及應(yīng)用2023/4/27第47頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一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(shí)應(yīng)注意：孤立體系總熵變2023/4/27第48頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.4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(yàn)過程熵的變化，它可以精確地衡量過程的能量有效利用．2023/4/27第49頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.4熵平衡敞開體系的熵平衡方程2023/4/27第50頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.4熵平衡1、應(yīng)用于封閉體系2、應(yīng)用穩(wěn)定流動(dòng)過程2023/4/27第51頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.4熵平衡例7：有人有一發(fā)明如下，請(qǐng)判斷它的可行性T=450K環(huán)境1T=273K環(huán)境2高溫儲(chǔ)熱器冷卻水2023/4/27第52頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.4熵平衡解題思路：是否同時(shí)符合熱力學(xué)第一、第二定律（能量守恒、總熵變

≥0）答：不可行P.111例5-42023/4/27第53頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.4理想功和損失功理想功Wid損失功WL

熱力學(xué)效率η2023/4/27第54頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.4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(shí)現(xiàn)時(shí)，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(gè)理論的極限值，是實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。2023/4/27第55頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一理想功（1）非流動(dòng)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(gè)溫度為T0的恒溫?zé)嵩础＠硐牍Αa(chǎn)生最大功；消耗最小功2023/4/27第56頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一理想功（2）穩(wěn)定流動(dòng)過程環(huán)境的溫度2023/4/27第57頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一理想功（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)。2023/4/27第58頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.4理想功和損失功P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)蒸汽7.00285.92772.15.8133-1044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.90.00816925(水)104.890.3674例6：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)。

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)。2023/4/27第59頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一損失功2、損失功WL

：由于實(shí)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(shí)際功Wac與所計(jì)算的理想功Wid的差值：2023/4/27第60頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一損失功損失功：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。2023/4/27第61頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一熱力學(xué)效率η實(shí)際過程的能量利用情況可通過熱力學(xué)效率η加以評(píng)定．2023/4/27第62頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.4理想功和損失功例7：流動(dòng)水由900C變?yōu)?00C，CP=1Cal/g.K，若大氣溫度為250C忽略壓差，求WL(T0=298K)

。2023/4/27第63頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5火用和火無§5.5.1火用和定義§5.5.2火用的計(jì)算§5.5.3火用的衡算及火用效率2023/4/27第64頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一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。2023/4/27第65頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5.1火用和火無的定義1、火用(Ex)——做功的本領(lǐng)。

Exergy

中文別稱：有效能、可用能，英文別稱：AvailableEnergy,Availability、定義

：任何形式在一定狀態(tài)下的火用Ex是該體系由所處的狀態(tài)(P，T)以完全可逆的方式變換為與環(huán)境處于平衡的狀態(tài)(P0，T0)時(shí)所作出的最大有用功（即理想功）。

2、——不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰俊?023/4/27第66頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一注意定義中：（1）由于是理想功，因此過程完全可逆。（2）基準(zhǔn)態(tài)：體系與環(huán)境處于平衡的狀態(tài)(P0，T0)被稱為基準(zhǔn)態(tài)或寂態(tài)、熱力學(xué)死態(tài)，基準(zhǔn)態(tài)下的Ex為0。

（3）Ex是一種熱力學(xué)性質(zhì)，但它與內(nèi)能、熵和焓不同，除與始終態(tài)有關(guān)，還與選定的平衡態(tài)有關(guān)。（4）平衡：熱平衡，力平衡，化學(xué)平衡，相平衡§5.5.1火用和火無的定義2023/4/27第67頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一（5）能量是用數(shù)量來衡量的；火用是用質(zhì)量來衡量的（能級(jí)Ω）能級(jí)Ω=火用/總能量高級(jí)能級(jí)Ω=1（電能、機(jī)械能）；低級(jí)能級(jí)Ω=0~1；僵化Ω=0（海水、大氣）總能量=火用

+ExergyAxergy（6）能量?jī)H包含熱力學(xué)第一定律，火用包含了熱力學(xué)第一、二定律?！?.5.1火用和火無的定義2023/4/27第68頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5.2火用的計(jì)算1、穩(wěn)定流動(dòng)體系的火用Ex2023/4/27第69頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一1.理想功與有效能的區(qū)別（1）終態(tài)不一定相同，理想功的終態(tài)不確定，而有效能的終態(tài)為環(huán)境狀態(tài)；（2）研究對(duì)象不同，理想功是對(duì)兩個(gè)狀態(tài)而言，可正可負(fù)，而有效能是對(duì)某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。穩(wěn)定流動(dòng)體系的有效能（火用）Ex比較：§5.5.2火用的計(jì)算2023/4/27第70頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5.2火用的計(jì)算2）理想功與有效能的聯(lián)系

當(dāng)體系從狀態(tài)1到狀態(tài)2時(shí)，此過程有效能的變化正好是此過程的理想功。對(duì)狀態(tài)1對(duì)狀態(tài)2有效能變化為2023/4/27第71頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一火用與理想功的區(qū)別P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133蒸汽1.0179.92778.16.58650.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.3674例8：1)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).P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.3674P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.367402023/4/27第72頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一1、物理火用：濃度、組成不變，T，PT0，P0引起的火用變化。2、化學(xué)火用：

T0，P0T0，P0，但濃度、組成變化引起的火用變化。3、功的火用即是功4、動(dòng)能、位能對(duì)火用的貢獻(xiàn)可忽略擴(kuò)散：濃度變化化學(xué)反應(yīng)：組成變化熱的火用ExQ壓力火用ExP§5.5.2火用的計(jì)算火用2023/4/27第73頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一1）熱的火用ExQ熱物體P，T自然環(huán)境P0,T0Q0EWQ可見溫度T越接近T0，火用越小。B.熱量傳遞為變溫過程A.溫度為T的恒溫?zé)嵩窗纯ㄖZ循環(huán)所轉(zhuǎn)化的最大功計(jì)算§5.5.2火用的計(jì)算2023/4/27第74頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一2）壓力火用EXP§5.5.2火用的計(jì)算2023/4/27第75頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一例9(例5-9教材P.120）：設(shè)有壓力為1.013、6.868、8.611MPa的飽和蒸汽和1.013MPa，573K的過熱蒸汽，若這四種蒸汽經(jīng)充分利用后，最后排出0.1013MPa，298K的水。試比較它們的火用和放出的熱，并討論蒸汽的合理利用。

§5.5.2火用的計(jì)算2023/4/27第76頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一P,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)EX/(H-H0)水0.10132980.3674104.89飽和蒸汽1.0134536.5822772.1-2671814過熱蒸汽1.0135737.133053-2948934飽和蒸汽6.868557.25.8262775-26701043飽和蒸汽8.6115735.7872783-26781092§5.5.2火用的計(jì)算P,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1.0134536.5822772.1-267181430.66過熱蒸汽1.0135737.133053-294893431.68飽和蒸汽6.868557.25.8262775-2670104339.06飽和蒸汽8.6115735.7872783-2678109240.782023/4/27第77頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一分析：1）壓力相同（1.013MPa），過熱蒸汽的火用比飽和蒸汽大，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(fèi)用。4）放出的熱相同（557.5K和453K的飽和蒸汽），高溫高壓蒸汽的火用比低溫低壓蒸汽的高28.13%。結(jié)論：1）一般供熱用0.5~1.0MPa（150~1800C）的飽和蒸汽。2）高壓蒸汽（10MPa）用來做功。溫度在3500C以上的高溫?zé)崮埽ㄈ鐭煹罋猓?，用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動(dòng)力能源，。§5.5.2火用的計(jì)算2023/4/27第78頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一不可逆性和有效能損失不可逆性熱力學(xué)第二定律認(rèn)為自然界中一切過程都是具有方向性和不可逆性的。即ΔS總（ΔS產(chǎn)生）≥02023/4/27第79頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一不可逆性和有效能損失有效能的方向和不可逆性表現(xiàn)在：①當(dāng)過程是可逆時(shí)，有效能不會(huì)向無效能轉(zhuǎn)化，有效能的總量保持不變。②當(dāng)過程是不可逆時(shí)，有效能向無效能轉(zhuǎn)變，使有效能的總量減少。

2023/4/27第80頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一有效能損失EL⑴定義：不可逆過程中有效能的減少量，稱之有效能損失EL。⑵計(jì)算式：EL＝理想功－實(shí)際功對(duì)于穩(wěn)流體系：若忽略動(dòng)能、勢(shì)能的影響實(shí)際功Ws=Q-ΔH理想功Wid＝T0ΔS-ΔH∴EL＝T0ΔS-ΔH-Q＋T0ΔS-ΔH＝T0ΔS-Q2023/4/27第81頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一有效能損失EL

∴El=T0ΔSsys+T0ΔSsur=T0ΔSt

或El=T0ΔS產(chǎn)生又∵ΔS環(huán)境=-Q/T0-Q=T0ΔS環(huán)境2023/4/27第82頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一典型過程的有效能損失①傳熱過程傳熱過程在實(shí)際當(dāng)中我們是經(jīng)常碰到的，當(dāng)兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時(shí)，熱量就會(huì)從高溫物體向低溫物體傳遞，傳熱過程中有效能的損失是存在的，它是由于存在溫差而造成的。低溫物體吸收的熱量的有效能為：高溫物體放出的熱量的有效能為：2023/4/27第83頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一典型過程的有效能損失有效能損失為由此可以看出：傳熱過程有效能損失是存在的，溫差越大，則有效能損失越大。欲使有效能損失減少，需減小溫差，因此，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，在滿足工藝條件下，要盡量減小溫差。2023/4/27第84頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一②穩(wěn)流體系u2≈0，gZ≈0，Q=0；Ws=0對(duì)于管道流動(dòng)，一般情況下，無熱交換無軸功H=0結(jié)論：⑴EL∝dP壓力降⑵穩(wěn)流過程的有效能損失是由于阻力引起的2023/4/27第85頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5.3火用的衡算及火用效率

通過火用衡算可確定過程的火用損失和火用效率，其主要包括：確定出入體系的各種物流量，熱流量和功流量，以及各物流的狀態(tài)參數(shù)；求出物流火用和熱流火用；由火用平衡方程確定過程的火用損失；確定火用效率。2023/4/27第86頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一Ex2Ex1δQWRS1、火用衡算一切不可逆過程伴隨著火用的損失①

可逆過程

§5.5.3火用的衡算及火用效率進(jìn)入過程或設(shè)備的火用總和離開過程或設(shè)備的火用總和②不可逆過程：2023/4/27第87頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5.3火用的衡算及火用效率

火用衡算式形式上與普通能量衡算式相似，但存在以下實(shí)質(zhì)區(qū)別：(1)火用衡算是相同品位能量的數(shù)量衡算，它反映能量質(zhì)量的利用情況（熱二）；普通能量衡算是不同品位能量的數(shù)量衡算，只反映能量數(shù)量的利用情況；2023/4/27第88頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一§5.5.3火用的衡算及火用效率(2)能量是守恒的；但一切實(shí)際過程由于存在不可逆性，火用并不守恒。一部分火用轉(zhuǎn)化為火無損失掉，計(jì)算ΣEl的目的是改進(jìn)過程，揭示節(jié)火用環(huán)節(jié)。

2023/4/27第89頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一2、火用效率1)總火用效率注意區(qū)別

§5.5.3火用的衡算及火用效率2023/4/27第90頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一2)目的火用效率----最常用例題:P126-133,例5-12,5-13,5-14,5-15

§5.5.3火用的衡算及火用效率2023/4/27第91頁，共101頁，2023年，2月20日，星期一某金屬重75kg，加熱到427℃后放入油箱內(nèi)，箱內(nèi)油重300kg，初溫T0=21.5℃，油箱器壁緣良好，求達(dá)到平衡過程的火用損失及火用效率（兩種）。已知

2023/4/27第92頁，共101頁，2