化工熱力學(xué)課程第3次輔導(dǎo)熱力學(xué)第一、第二定律及其工程應(yīng)用含蓋教材內(nèi)容：第6章熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第7章熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用第8章蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)約占教學(xué)內(nèi)容的35%份量}各章的知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容分述如下：?知識(shí)點(diǎn)：敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律軸功的計(jì)算可逆過(guò)程及等熵膨脹氣體壓縮與膨脹過(guò)程熱力學(xué)分析重要內(nèi)容第6章熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

?敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)換一切物質(zhì)都具有能量，能量是物質(zhì)固有的特性。通常，能量可分為兩大類：一類是系統(tǒng)蓄積的能量，如動(dòng)能、勢(shì)能和熱力學(xué)能，它們都是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。另一類是過(guò)程中系統(tǒng)和環(huán)境傳遞的能量，常見有功和熱量，它們就不是狀態(tài)函數(shù)，而與過(guò)程有關(guān)。熱量是因?yàn)闇囟炔顒e引起的能量傳遞，而做功是由勢(shì)差引起的能量傳遞。因此，熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過(guò)程傳遞方式有關(guān)的能量形式。能量的形式不同，但是可以相互轉(zhuǎn)化或傳遞，在轉(zhuǎn)化或傳遞的過(guò)程中，能量的數(shù)量是守桓的，這就是熱力學(xué)第一定律，即能量轉(zhuǎn)化和守恒原理。?系統(tǒng)在過(guò)程前后的能量變換ΔE應(yīng)與系統(tǒng)在該過(guò)程中傳遞的熱量Q與功W相等。Q：系統(tǒng)吸熱為正值，放熱為負(fù)值；W：系統(tǒng)得功為負(fù)值正值，對(duì)環(huán)境做功為。在閉系非流動(dòng)過(guò)程中的熱力學(xué)第一定律：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系的能量平衡方程流動(dòng)功包含在焓中軸功?使用上式時(shí)要注意單位必須一致。按照SI單位制，每一項(xiàng)的單位為J·kg-1。動(dòng)能和位能的單位為：可逆條件下的軸功對(duì)于液體，在積分時(shí)一般可將V當(dāng)作常數(shù)。對(duì)于氣體怎么辦？對(duì)于理想氣體的等溫過(guò)程左式只適用于理想氣體等溫過(guò)程?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?噴嘴與擴(kuò)壓管或透平機(jī)和壓縮機(jī)節(jié)流閥混合器換熱器管路和流體輸送?Bernóulli方程實(shí)際流體的流動(dòng)過(guò)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，則：對(duì)于無(wú)熱、無(wú)軸功交換、無(wú)摩擦粘性力的不可壓縮流體的穩(wěn)流過(guò)程則：?知識(shí)點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律的定性表述敞開系統(tǒng)的熵衡算方程熵衡算在化工單元過(guò)程分析中的應(yīng)用理想功、損失功和過(guò)程的不可逆性重要內(nèi)容第7章熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用

有效能的計(jì)算有效能在化工能量分析中的應(yīng)用及合理用能準(zhǔn)則?熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律說(shuō)明過(guò)程按照特定方向，而不是按照任意方向進(jìn)行。自然界中的物理過(guò)程能夠自發(fā)地向平衡方向進(jìn)行Clausius說(shuō)法：熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳給高溫物體。熱傳導(dǎo)過(guò)程的不可逆性—熱流方向。Kelvin說(shuō)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?。功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬牟豢赡嫘浴h(huán)過(guò)程。熵表述法—熵增原理

孤立系統(tǒng)的熵只能增加，或達(dá)到極限時(shí)保持不變。

數(shù)學(xué)描述：?幾個(gè)基本概念熱源：具有很大熱容量的物系。特征是溫度T不變，發(fā)生的過(guò)程視為可逆過(guò)程，如大氣、天然水源。功源：一種可以接受功或作出功的裝置。特征是只有功的交換，無(wú)熱量、物質(zhì)的交換，可設(shè)想為可逆過(guò)程。熱機(jī)：一種產(chǎn)生功并將高溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f給低溫?zé)嵩吹囊环N機(jī)械裝置。熱效率：熱轉(zhuǎn)化為功的效率。?火力發(fā)電廠的熱效率大約為40%高溫?zé)嵩碩H低溫?zé)嵩碩LCarnot熱機(jī)效率：SCarnot循環(huán)——可逆過(guò)程?可逆(Reverse)過(guò)程——理想化概念類似于IdealGas和IdealSolution可逆?zhèn)鳠岣拍睿红刈?)：由系統(tǒng)由于溫度、壓力變化引起，可通過(guò)pVT(x)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算熵流()：由于傳熱過(guò)程而引起的熵變可正、可負(fù)或零熵產(chǎn)()：系統(tǒng)經(jīng)歷不可逆過(guò)程，就有熵的產(chǎn)生。熵產(chǎn)生僅僅與過(guò)程的不可逆程度聯(lián)系在一起。?敞開系統(tǒng)的通用衡算方程在dt時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)M累計(jì)量 =進(jìn)入系統(tǒng)的M量-流出系統(tǒng)的M量 +系統(tǒng)中產(chǎn)生的M量熵平衡方程?穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)絕熱節(jié)流過(guò)程，只有單股流體，mi＝mj＝m可逆絕熱過(guò)程單股流體：封閉系統(tǒng)或?系統(tǒng)在變化過(guò)程中，由于途徑的不同，所產(chǎn)生(或消耗)的功是不一樣的。理想功就是系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)生最大功或者消耗最小功。因此理想功是一個(gè)理想的極限值,可作為實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。所謂的完全可逆，指的是不僅系統(tǒng)內(nèi)的所有變化是完全可逆的，而且系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換，例如傳熱過(guò)程也是可逆的。環(huán)境通常是指大氣溫度TΘ、壓力pΘ

=0.1013MPa的狀態(tài)。理想功(IdealWork)理想功、損失功及熱力學(xué)效率?穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：假定過(guò)程是完全可逆的，而且系統(tǒng)所處的環(huán)境可認(rèn)為是—個(gè)溫度為TΘ的恒溫?zé)嵩?。根?jù)熱力學(xué)第二定律,系統(tǒng)與環(huán)境之間的可逆?zhèn)鳠崃繛镼rev=TΘΔS忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化損耗功系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過(guò)程中，不可逆過(guò)程的實(shí)際功與完全可逆過(guò)程的理想功之差為損失功。?對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程Q是系統(tǒng)與溫度為TΘ的環(huán)境所交換的熱量，ΔS是系統(tǒng)的熵變。由于環(huán)境可視為恒溫?zé)嵩?，Q相對(duì)環(huán)境而言，是可逆熱量，但是用于環(huán)境時(shí)為負(fù)號(hào)，即：-Q＝TΘΔSsur。?根據(jù)熱力學(xué)第二定律(熵增原理)，ΔSt≥0，等號(hào)表示可逆過(guò)程；不等號(hào)表示不可逆過(guò)程。實(shí)際過(guò)程總是有損失功的，過(guò)程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大。損失的功轉(zhuǎn)化為熱，使系統(tǒng)作功本領(lǐng)下降，因此，不可逆過(guò)程都是有代價(jià)的。熱力學(xué)效率?以平衡的環(huán)境狀態(tài)為基準(zhǔn)，理論上能夠最大限度地轉(zhuǎn)化為功的能量稱為有效能，理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量稱為無(wú)效能。有效能有效能的概念有效能的計(jì)算系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基態(tài)(環(huán)境狀態(tài))過(guò)程所作的理想功。?有效能的組成與計(jì)算方法有效能的組成：考慮無(wú)核、磁、電及表面功的過(guò)程。

動(dòng)能有位能有物理有化學(xué)有

效能效能效能效能

系統(tǒng)與系統(tǒng)與環(huán)境呈環(huán)境呈約束平非約束衡時(shí)提平衡時(shí)供的提供的?穩(wěn)流過(guò)程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過(guò)程的理想功為：當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)(p,T)變到基態(tài)(TΘ,pΘ)時(shí)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的有效能EX為:機(jī)械能、電能的有效能機(jī)械能和電能全部是有效能，即：動(dòng)能和位能也全部是有效能。EX=W?物理有效能物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的有效能。化工生產(chǎn)中與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過(guò)程，以及與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過(guò)程，只考慮物理有效能。溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒崃縌,有效能按Carnot熱機(jī)所能做的最大功計(jì)算：熱量有效能?變溫過(guò)程的熱量有效能壓力有效能?對(duì)于理想氣體則每mol氣體的壓力有效能為：化學(xué)有效能在計(jì)算化學(xué)有效能時(shí)不但要確定環(huán)境的溫度和壓力，而且要指定基準(zhǔn)物和濃度。?處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)交換(物理擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng))，最后達(dá)到與環(huán)境平衡，此過(guò)程所能做的最大功為化學(xué)有效能。?第6章蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)知識(shí)點(diǎn)：蒸汽動(dòng)力循環(huán)節(jié)流膨脹與絕熱膨脹制冷循環(huán)重點(diǎn)內(nèi)容：熱泵?蒸汽動(dòng)力循環(huán)汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐蒸汽動(dòng)力循環(huán)示意圖T-S圖?1→2表示過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)(Turbine)中的可逆絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外做功。所做軸功可由膨脹前后水蒸汽的焓值求出。2→3表示乏汽在冷凝器(Condensor)中的等溫等壓冷凝過(guò)程，放出熱量。3→4表示冷凝水通過(guò)水泵(Pump)由p3升壓至p4的可逆絕熱壓縮過(guò)程，需要消耗的軸功把水看作是不可壓縮流體，則：?4→1表示液體水在鍋爐(Boiler)中被等壓加熱汽化成為過(guò)熱蒸汽的過(guò)程。工質(zhì)在鍋爐中吸收的熱量理想Rankine循環(huán)的熱效率蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量，則：熱效率的高低可反映出不同裝置輸出相同功量時(shí)所消耗的能量的多少，它是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。?汽耗率作出單位量?jī)艄λ牡恼羝糠Q為汽耗率，用SSC(SpecificSteamConsumption)表示。當(dāng)對(duì)外做出的凈功相同時(shí)，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。所以汽耗率的高低可用來(lái)比較裝置的相對(duì)尺寸大小和過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。工質(zhì)為水蒸氣水蒸氣的性質(zhì)不能用理想氣體方程計(jì)算，需要通過(guò)熱力學(xué)圖表或?qū)嶋H流體的狀態(tài)方程求得。?計(jì)算方法狀態(tài)點(diǎn)1,根據(jù)p1、t1值可查得H1、S1值；狀態(tài)點(diǎn)2,S2=S1，根據(jù)p2、S2值可查得H2、t2值；狀態(tài)點(diǎn)3,p3=p2，查p3下的飽和液體可得H3、V3、S3值;狀態(tài)點(diǎn)4,p4=p1，S4=S3，根據(jù)p4、S4可查得H4值；或H4=H3+V(p4-p3)。?蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)的絕熱膨脹實(shí)際上不是等熵過(guò)程，而是向著墑增加方向偏移，用1→2′線表示水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)膨脹，實(shí)際做出的功應(yīng)為H1–H2′，它小于等熵膨脹的功H1–H2。兩者之比稱為透平機(jī)的等熵效率。實(shí)際Rankine循環(huán)的熱效率?通過(guò)改變蒸汽參數(shù)提高Rankine循環(huán)的熱效率提高蒸汽的過(guò)熱溫度提高平均吸熱溫度受到金屬材料性能的限制一般過(guò)熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜提高蒸汽的壓力壓力的提高，乏汽的干度下降乏汽的干度一般不應(yīng)低于0.88蒸汽壓力的提高，不能超過(guò)水的臨界壓力?節(jié)流膨脹與對(duì)做外功的絕熱膨脹節(jié)流膨脹ΔH=0

流體進(jìn)行節(jié)流膨脹是：由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)或Joule-thomson效應(yīng)。μJ﹥0，節(jié)流后溫度降低μJ=0，節(jié)流后溫度不變?chǔ)蘆﹤0，節(jié)流后溫度升高理想氣體μJ=0實(shí)際氣體μJ值可為正值、負(fù)值或零。?對(duì)外做功的絕熱膨脹等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)μs必為正值。氣體進(jìn)行等熵膨脹時(shí)，對(duì)外做功，膨脹后氣體溫度總是下降。?制冷循環(huán)高溫環(huán)境低溫環(huán)境?蒸發(fā)器冷凝器膨脹機(jī)q0q2壓縮機(jī)1234T1T2TS1234蒸汽壓縮制冷循環(huán)逆向Carnot循環(huán)逆Carnot循環(huán)示意圖逆Carnot循環(huán)T-S圖?TLTHTS1234循環(huán)的吸熱量q0=TL(S1-S4)循環(huán)的放熱量q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)△H＝q＋WN制冷系數(shù)：制冷劑完成一個(gè)循環(huán)△H＝0，凈功為?逆Carnot循環(huán)逆Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，以逆Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)為最大。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。?單級(jí)蒸汽壓縮制冷蒸發(fā)盤管冷凍室冷凝盤管壓縮機(jī)毛細(xì)管廚房空氣冰箱溫度分布示意圖?高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器蒸汽壓縮制冷過(guò)程示意圖T-S圖?T0TTS12345各點(diǎn)焓值：查圖、表來(lái)計(jì)算1→2可逆絕熱壓縮過(guò)程2→4等壓冷卻、冷凝過(guò)程4→5節(jié)流膨脹過(guò)程5→1等壓、等溫蒸發(fā)過(guò)程制冷系數(shù)制冷過(guò)程T-S圖?若制冷劑的“制冷能力”為Q0(kJ·h-1)，那么，制冷劑的循環(huán)量為壓縮機(jī)消耗的功率?制冷劑Refrigerants制冷劑的選擇原則：潛熱要大操作壓力要合適。即冷凝壓力(高壓)不要過(guò)高，蒸發(fā)壓力(低壓)不要過(guò)低化學(xué)穩(wěn)定性。不易燃、不分解、無(wú)腐蝕性價(jià)格低冷凍劑對(duì)環(huán)境應(yīng)該無(wú)公害Conventionalrefrigerants:NH3、CH3Cl、CO2、C3H8?ChloroFluoroCarbonsCFC’sCFCl3(R-11)、CF2Cl2(R-12)HydroChloroFluoroCarbonsHCFC’sCHCl2F(R-22)、CHCl2CF3(R-123)(Hydro)FluoroCarbonsHFC’sCF4(R-14)、CHF3(R-23)、CF3F3(R-116)、CHF2CHF2(R-134a)大氣臭氧層破壞元兇：氯氟烴類物質(zhì)新型制冷劑替代品?熱泵技術(shù)熱泵是從自然環(huán)境介質(zhì)中或生產(chǎn)排放中余熱中吸取熱量，并將它輸送到人們所需要的較高溫度的物質(zhì)系統(tǒng)中去。熱泵：工作原理與制冷過(guò)程相同，但應(yīng)用目的不同。制冷的目的是獲得冷量，而熱泵的目的是獲得熱量(即制熱)。制熱系數(shù)：對(duì)于逆卡諾循環(huán)而言：?生活中的辛苦阻撓不了我對(duì)生活的熱愛。7月-237月-23Wednesday,July26,202