礦大(北京)化工熱力學(xué)06第六章(328)

1、第第6 6章章 化工過(guò)程的能量分析化工過(guò)程的能量分析 化工過(guò)程需要消耗大量能量，化工過(guò)程需要消耗大量能量，提高能量利提高能量利用率、合理地使用能量用率、合理地使用能量已成為人們共同關(guān)心的已成為人們共同關(guān)心的問(wèn)題。從最原始的意義上來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)是研究問(wèn)題。從最原始的意義上來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)是研究能量的科學(xué)，用熱力學(xué)的觀點(diǎn)、方法來(lái)指導(dǎo)能能量的科學(xué)，用熱力學(xué)的觀點(diǎn)、方法來(lái)指導(dǎo)能量的合理使用已成為現(xiàn)代熱力學(xué)一大任務(wù)。量的合理使用已成為現(xiàn)代熱力學(xué)一大任務(wù)。 進(jìn)行化工過(guò)程能量分析的理論基礎(chǔ)是進(jìn)行化工過(guò)程能量分析的理論基礎(chǔ)是 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 在在“物化物化”課程中我們已經(jīng)

2、學(xué)習(xí)過(guò)熱力學(xué)兩大定課程中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)熱力學(xué)兩大定律，利用這兩大定律可以計(jì)算過(guò)程的熱和功，以及判律，利用這兩大定律可以計(jì)算過(guò)程的熱和功，以及判斷過(guò)程的方向和限度。斷過(guò)程的方向和限度。 但但“物化物化”上上著重著重介紹兩大定律在介紹兩大定律在封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)中的中的應(yīng)用，而在實(shí)際化工生產(chǎn)中大量遇到的是應(yīng)用，而在實(shí)際化工生產(chǎn)中大量遇到的是敞開(kāi)體系敞開(kāi)體系，這類體系中進(jìn)行的是這類體系中進(jìn)行的是流動(dòng)過(guò)程流動(dòng)過(guò)程，因此在化工熱力學(xué)，因此在化工熱力學(xué)課程中進(jìn)一步討論課程中進(jìn)一步討論兩大定律對(duì)流動(dòng)過(guò)程兩大定律對(duì)流動(dòng)過(guò)程的應(yīng)用。的應(yīng)用。6.1 6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.1.1 能量守恒與轉(zhuǎn)化能量守恒

3、與轉(zhuǎn)化 自然界的物質(zhì)是千變?nèi)f化的，但就其自然界的物質(zhì)是千變?nèi)f化的，但就其數(shù)量數(shù)量來(lái)說(shuō)是來(lái)說(shuō)是不變的，不變的，能量能量也是守恒的，熱力學(xué)第一定律明確表也是守恒的，熱力學(xué)第一定律明確表明了自然界中能量的多種形式之間是可以相互轉(zhuǎn)換明了自然界中能量的多種形式之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，但只能是等量相互轉(zhuǎn)換，這就說(shuō)明能量既不能的，但只能是等量相互轉(zhuǎn)換，這就說(shuō)明能量既不能被消滅，也不能憑空產(chǎn)生，必須遵循守恒規(guī)律。被消滅，也不能憑空產(chǎn)生，必須遵循守恒規(guī)律。用數(shù)學(xué)式來(lái)表示就是用數(shù)學(xué)式來(lái)表示就是（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）6

4、.1.1 能量守恒與轉(zhuǎn)化能量守恒與轉(zhuǎn)化體系的概念體系的概念1 1、封閉體系（限定質(zhì)量體系）、封閉體系（限定質(zhì)量體系） 與環(huán)境僅有能量交換，而無(wú)質(zhì)量交換，體系內(nèi)部是固定的。2 2、敞開(kāi)體系（限定容積體系）、敞開(kāi)體系（限定容積體系） 與環(huán)境既有能量交換也有質(zhì)量交換。由于敞開(kāi)體系與環(huán)境有物質(zhì)交換，因此，體系內(nèi)部的物質(zhì)是不斷更新的，敞開(kāi)體系實(shí)際是以一定一定空間范圍空間范圍為研究對(duì)象的。3 3、穩(wěn)流過(guò)程、穩(wěn)流過(guò)程 敞開(kāi)體系中發(fā)生的過(guò)程為流動(dòng)過(guò)程，如果流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行時(shí)，限定容積體系內(nèi)任一點(diǎn)的狀態(tài)都不隨時(shí)間而變（但各點(diǎn)狀態(tài)可以不同），則此過(guò)程稱為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，簡(jiǎn)稱穩(wěn)流過(guò)程。化工生產(chǎn)中大都為穩(wěn)定流動(dòng)體系化工生產(chǎn)

5、中大都為穩(wěn)定流動(dòng)體系4 4、均流過(guò)程、均流過(guò)程 如果在流動(dòng)過(guò)程中的任何時(shí)刻，整個(gè)限定容積內(nèi)物質(zhì)的狀態(tài)是均勻的，限定容積內(nèi)任一點(diǎn)都處于相同的狀態(tài)（但整個(gè)限定容積內(nèi)的狀態(tài)隨時(shí)間而變），則此過(guò)程稱為均勻流動(dòng)過(guò)程，簡(jiǎn)稱均流過(guò)程。如：鋼瓶充氣或排氣的過(guò)程如：鋼瓶充氣或排氣的過(guò)程6.1.2 能量平衡方程能量平衡方程“物化物化”中我們已經(jīng)討論了中我們已經(jīng)討論了封閉體系封閉體系的能量平衡的能量平衡方程，形式為方程，形式為： 體系吸熱為正值，放熱為負(fù)值；體系得功為體系吸熱為正值，放熱為負(fù)值；體系得功為正值，對(duì)環(huán)境做功為負(fù)值。正值，對(duì)環(huán)境做功為負(fù)值。21VVRpdVW體積膨脹功體積膨脹功能量通常有以下幾種能量通常

6、有以下幾種（儲(chǔ)存能和傳遞能）（儲(chǔ)存能和傳遞能）p(1) 內(nèi)能U 系統(tǒng)內(nèi)部所有粒子除整體勢(shì)能和整體動(dòng)能外，全部能量的總和。n分子內(nèi)動(dòng)能：分子內(nèi)動(dòng)能：分子不是靜止，在任一時(shí)刻做平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。n分子內(nèi)勢(shì)能：分子內(nèi)勢(shì)能：分子間具有相互作用力，同時(shí)分子間存在相互間的距離。n分子內(nèi)部的能量：分子內(nèi)部的能量：分子由原子構(gòu)成，原子由原子核和核外高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成，它們會(huì)帶來(lái)一定能量。p(2) 動(dòng)能EK 物質(zhì)具有質(zhì)量m，并且以速度u 運(yùn)動(dòng)，物系動(dòng)能EK = 1/2 mu2 。p(3) 重力勢(shì)能Ep 物質(zhì)具有質(zhì)量m，并且與勢(shì)能基準(zhǔn)面的垂直距離為z，物系就具有勢(shì)能EK =mgz 。p(4) 熱Q 由于溫差而引起

7、的能量傳遞叫做熱。規(guī)定物系得到熱時(shí)Q 為正值，物系向環(huán)境放熱時(shí)Q 為負(fù)值。p(5) 功W 除熱Q 之外的能量傳遞均叫做功。物系得到功作用，記為正值；而物系向環(huán)境做功，記為負(fù)值。能量通常有以下幾種：能量通常有以下幾種：容量性質(zhì)的數(shù)量衡算：容量性質(zhì)的數(shù)量衡算：進(jìn)入體系的量進(jìn)入體系的量- 離開(kāi)體系的量離開(kāi)體系的量= 體系積累的量體系積累的量可得到體系的物料平衡和能量平衡方程式可得到體系的物料平衡和能量平衡方程式物料平衡方程：物料平衡方程：6.1.2 能量平衡方程能量平衡方程體系dmmm21能量平衡方程：能量平衡方程：進(jìn)入體系的能量進(jìn)入體系的能量= 微元體本身具有的能量微元體本身具有的能量 + 環(huán)境對(duì)

8、微元體所作的環(huán)境對(duì)微元體所作的流動(dòng)功流動(dòng)功 + 環(huán)境傳入的熱量環(huán)境傳入的熱量11mE111mVpQ進(jìn)入體系的能量進(jìn)入體系的能量- -離開(kāi)體系的能量離開(kāi)體系的能量= =體系積累的能量體系積累的能量能量平衡方程：能量平衡方程：離開(kāi)體系的能量離開(kāi)體系的能量= 微元體帶出的能量微元體帶出的能量 + 流體對(duì)環(huán)境所作的流體對(duì)環(huán)境所作的流動(dòng)功流動(dòng)功 + 體系對(duì)環(huán)境所作的軸功體系對(duì)環(huán)境所作的軸功體系積累的能量體系積累的能量=22mE222mVpSW體系mEd能量平衡方程：能量平衡方程：注意：注意： E 單位質(zhì)量單位質(zhì)量流體的流體的總能量總能量，它包含有內(nèi)能、動(dòng)，它包含有內(nèi)能、動(dòng)能和位能。能和位能。gZuUEE

9、UEpk22體系mEdWmVpmEQmVpmES2212221111能量平衡方程：能量平衡方程： pV 流動(dòng)功流動(dòng)功，表示單位質(zhì)量流體對(duì)環(huán)境或環(huán)境，表示單位質(zhì)量流體對(duì)環(huán)境或環(huán)境對(duì)流體所作的功。對(duì)流體所作的功。pApVdlW流流 =力距離力距離= pA dl = pV1111111VpAVApW如：由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一由于工質(zhì)的進(jìn)出，外界與系統(tǒng)之間所傳遞的一種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的種機(jī)械功，表現(xiàn)為流動(dòng)工質(zhì)進(jìn)出系統(tǒng)使所攜帶和所傳遞的一種能量。一種能量。p1V1輸入流動(dòng)功，環(huán)境對(duì)體系做功輸入流動(dòng)功，環(huán)境對(duì)體系做功p2V2輸出流動(dòng)功，體系對(duì)環(huán)境做功輸出流動(dòng)

10、功，體系對(duì)環(huán)境做功對(duì)流動(dòng)功的說(shuō)明對(duì)流動(dòng)功的說(shuō)明1、與宏觀、與宏觀流動(dòng)流動(dòng)有關(guān)，流動(dòng)停止，有關(guān)，流動(dòng)停止，流動(dòng)流動(dòng)功不存在。功不存在。2、作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生、作用過(guò)程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置位置變化，變化，無(wú)狀態(tài)無(wú)狀態(tài)變化。變化。3、W流流pV與所處狀態(tài)有關(guān)，是與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量狀態(tài)量。4、并非工質(zhì)、并非工質(zhì)本身的能量本身的能量（動(dòng)能、位能）變化引起，（動(dòng)能、位能）變化引起， 而由外界做出，而由外界做出，流動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)工質(zhì)所攜帶的能量。所攜帶的能量。 Ws 單位流體通過(guò)單位流體通過(guò)設(shè)備的設(shè)備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，由時(shí)，由軸傳遞軸傳遞的流體對(duì)環(huán)境或環(huán)境對(duì)流體所作的功的流體對(duì)環(huán)境或環(huán)境對(duì)流體所作的

11、功?？赡婀Γ嚎赡婀Γ嚎赡婵赡孑S軸功功為為RSVVRWVpVppdVW11222121212211)(ppVVVpVpVdppdVpVd21ppRSVdpW對(duì)于液體，在積分時(shí)一般可將對(duì)于液體，在積分時(shí)一般可將V當(dāng)作常數(shù)。當(dāng)作常數(shù)。對(duì)于氣體怎么辦？對(duì)于氣體怎么辦？ 能量平衡方程的一般形式：能量平衡方程的一般形式：gZuUEEUEpk22pVUHsWQmgZupVUmgZupVUmEd體系）（）（22)(2112sWQmgZuHmgZuHmEd體系）（）（22)(2112普遍化的能量平衡方程：普遍化的能量平衡方程：不受流體屬性的限制，也不受其過(guò)程的限制。不受流體屬性的限制，也不受其過(guò)程的限制。6.1

12、.3 能量平衡方程的應(yīng)用能量平衡方程的應(yīng)用1 1）封閉體系）封閉體系：限定質(zhì)量體系，無(wú)質(zhì)量交換：限定質(zhì)量體系，無(wú)質(zhì)量交換sWQmEd體系)(mmm21021dmmmsWQmdE 封閉體系過(guò)程封閉體系過(guò)程通常都不能引起外部的勢(shì)能或動(dòng)能通常都不能引起外部的勢(shì)能或動(dòng)能變化，只能引起內(nèi)能的變化。變化，只能引起內(nèi)能的變化。gZuUE22sWQdU單位質(zhì)量的封閉體系單位質(zhì)量的封閉體系：sWQmgZuHmgZuHmEd體系）（）（22)(21122 2）穩(wěn)定流動(dòng)體系）穩(wěn)定流動(dòng)體系sWQmgZuHmgZuHmEd體系）（）（22)(2112mmm21mmm21穩(wěn)定流動(dòng)體系沒(méi)有物質(zhì)及能量的積累穩(wěn)定流動(dòng)體系沒(méi)有物

13、質(zhì)及能量的積累0)(體系mEd0222112sWQmgZuHmgZuH）（）（sWQZguH22單位質(zhì)量穩(wěn)流體系的能量方程：?jiǎn)挝毁|(zhì)量穩(wěn)流體系的能量方程：注意：注意： 單位要一致，且用單位要一致，且用國(guó)際單位制國(guó)際單位制，若用工程單位制，所，若用工程單位制，所得公式與此式不同；得公式與此式不同； 式中式中Q和和WS為代數(shù)值，即：為代數(shù)值，即：Q以體系吸熱為正，以體系吸熱為正，WS以以體系得功體系得功(環(huán)境對(duì)體系做功）為正；環(huán)境對(duì)體系做功）為正； 應(yīng)用條件是應(yīng)用條件是穩(wěn)定流動(dòng)體系穩(wěn)定流動(dòng)體系，不受過(guò)程是否可逆或流體，不受過(guò)程是否可逆或流體性質(zhì)的影響。性質(zhì)的影響。kgJkgmNskgmkgsm222

14、2sWQZguH22一些常見(jiàn)的屬于穩(wěn)流體系的裝置一些常見(jiàn)的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴噴嘴擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管節(jié)流閥節(jié)流閥透平機(jī)透平機(jī)壓縮機(jī)壓縮機(jī)混合裝置混合裝置換熱裝置換熱裝置流體輸送、增壓或減壓設(shè)備流體輸送、增壓或減壓設(shè)備提高流體壓力：泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等（消耗功消耗功）降低流體壓力：膨脹機(jī)（透平）（產(chǎn)出功產(chǎn)出功）能量平衡方程的應(yīng)用與簡(jiǎn)化能量平衡方程的應(yīng)用與簡(jiǎn)化sWQZguH22透平機(jī)透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫是借助流體的減壓和降溫過(guò)程來(lái)產(chǎn)出功過(guò)程來(lái)產(chǎn)出功。壓縮機(jī)壓縮機(jī)可以提高流體的壓力，但可以提高流體的壓力，但是要消耗功。是要消耗功。 單級(jí)透平結(jié)構(gòu)圖（單級(jí)透平結(jié)構(gòu)圖（Turbine）是否存在軸功?是是

15、! !是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否變化?不變化或者可以忽略不變化或者可以忽略動(dòng)能是否變化？通?？梢院雎酝ǔ？梢院雎粤黧w輸送、增壓或減壓設(shè)備流體輸送、增壓或減壓設(shè)備sWQzguH22絕熱壓縮或膨脹過(guò)程：絕熱壓縮或膨脹過(guò)程： 整個(gè)換熱設(shè)備與環(huán)境交換的熱量可以忽略不計(jì)，換熱設(shè)備內(nèi)部?jī)晒晌锪鞔嬖跓崃拷粨Q。0jjiiHxHxH入出4231HxHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmx mA和mB分別為流體A和流體B的質(zhì)量流量 換熱設(shè)備換熱設(shè)備換熱設(shè)備換熱設(shè)備熱交換器（蒸發(fā)器、冷凝器）、反應(yīng)器、加熱爐和傳質(zhì)設(shè)備（吸收器、蒸餾塔和增/減濕器） Ek=0；Ep=0 ；WS=0

16、 體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、體系狀態(tài)變化，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）的熱量（反應(yīng)熱、相變熱、顯熱）等于體系的焓差。等于體系的焓差。sWQZguH22例例解sWQzguH22 30 的空氣，以5m/s的流速流過(guò)一垂直安裝的熱交換器，被加熱到150 ，若換熱器進(jìn)出口管直徑相等，忽略空氣流過(guò)換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣Cp=1.005kJ(kgK)，求50kg空氣從換熱器吸收的熱量。kJ.TTCmHmP603030342300515012dpTVTVdTCdHpp將空氣當(dāng)作理想氣體，并將空氣當(dāng)作理想氣體，并忽略壓

17、降時(shí)忽略壓降時(shí)1122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212kJ.J.um5930593259865021222換熱器的動(dòng)能變化和位能變化可以忽略不計(jì)換熱器的動(dòng)能變化和位能變化可以忽略不計(jì)kJ.J.zmg47211472381950kJ.Q6032472159306030 對(duì)化工機(jī)器的絕熱過(guò)程對(duì)化工機(jī)器的絕熱過(guò)程Ek=0；Ep=0 ；在絕熱情況下，當(dāng)動(dòng)能和位能的變化相對(duì)很小時(shí)，在絕熱情況下，當(dāng)動(dòng)能和位能的變化相對(duì)很小時(shí)，體體系對(duì)環(huán)境所做的功等于體系焓的減少系對(duì)環(huán)境所做的功等于體系焓的減少，功和熱都是過(guò)，功和熱都是過(guò)程的函數(shù)，但焓是狀態(tài)函數(shù)，在特定條件下就可以利

18、程的函數(shù)，但焓是狀態(tài)函數(shù)，在特定條件下就可以利用流體經(jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)出口的焓差計(jì)算功，不論是什用流體經(jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)出口的焓差計(jì)算功，不論是什么工質(zhì)，也不論過(guò)程是否可逆，這個(gè)式子總是成立。么工質(zhì)，也不論過(guò)程是否可逆，這個(gè)式子總是成立。sWQZguH22閥門的節(jié)流閥門的節(jié)流將流體通過(guò)閥門前后所發(fā)生的狀態(tài)變化。節(jié)流過(guò)程節(jié)流過(guò)程 throttling process Ek=0；Ep=0 ；Ws=0；sWQZguH22理想氣體通過(guò)節(jié)流閥溫度不變理想氣體通過(guò)節(jié)流閥溫度不變混合設(shè)備混合設(shè)備 混合兩種或多種流體是很常見(jiàn)。混合兩種或多種流體是很常見(jiàn)?；旌掀骰旌掀鱯WQzguH22混合設(shè)備混合設(shè)備是否存在軸功?否否

19、是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否否動(dòng)能是否變化?否否0H當(dāng)不止一個(gè)輸入物流或（和）輸出物流時(shí) 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(gè)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(gè)輸入物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。jjiiHxHxH入出mmxmmxjjii為一股物流的質(zhì)量流量。jimmmmmji入出m 為總質(zhì)量流量。混合設(shè)備混合設(shè)備 1 3 2 混合器混合器0jjiiHxHxH入出32211HHxHx121 xx例例 1.5MPa的濕蒸汽在量熱計(jì)中被節(jié)流到的濕蒸汽在量熱計(jì)中被節(jié)流到0.1MPa和和403.15K，求濕蒸汽

20、的干度。，求濕蒸汽的干度。解sWQzguH22節(jié)流過(guò)程無(wú)功的傳遞， 忽略散熱、動(dòng)能變化 和位能變化12HHT H kJ/kg1202716.6130H21602796.26271622796627161201601201302.Hkg/kJ.H5273621.5MPa 飽和液體焓值 Hl=844.9 飽和蒸汽焓值 Hg=2792.2xHxHHgl115273612.HH970909844227929844527361.HHHHxlgl 噴嘴與擴(kuò)壓管噴嘴與擴(kuò)壓管 進(jìn)出口的截面積變化很大進(jìn)出口的截面積變化很大噴嘴：流體流動(dòng)時(shí)沿著流動(dòng)方向噴嘴：流體流動(dòng)時(shí)沿著流動(dòng)方向壓力降低壓力降低，流速加快流速加快

21、。擴(kuò)壓管：流體流動(dòng)時(shí)沿著流動(dòng)方向擴(kuò)壓管：流體流動(dòng)時(shí)沿著流動(dòng)方向壓力升高壓力升高，流速減緩流速減緩。噴嘴噴嘴擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管 Ep=0 ；Ws=0；Hu22Venturi 喉管喉管sWQZguH22 機(jī)械能平衡方程機(jī)械能平衡方程 Bernoulli方程方程管路及流體輸送管路及流體輸送 Ws=0；SSWQZgupVUWQZguH2)(222流體不可壓縮ppVpV)(022ZgupBernoulli方程方程泵水例：例：現(xiàn)利用功率為現(xiàn)利用功率為2.0kW的泵將的泵將95、流、流量為量為3.5kgS-1的熱水從的熱水從低位貯水槽抽出，經(jīng)過(guò)低位貯水槽抽出，經(jīng)過(guò)熱交換器以熱交換器以698kJ S-1的速率冷卻，

22、送入高出的速率冷卻，送入高出15m的高位貯水槽，試的高位貯水槽，試求高位貯水槽的水溫。求高位貯水槽的水溫。sWQZguH22解：體系的輸入與輸出相等，m1=m2，故以1kg水為計(jì)算基準(zhǔn)，有輸入功1571. 05 . 30 . 2kgkJWS輸出熱14 .1995 . 3698kgkJQ位能變化11472. 01581. 9kgkJZg11991472. 05714. 0)4 .199(kgkJZgWQHs由飽和蒸汽表知，95的飽和熱水的焓值為H1=397.96kJkg-1，故1120 .19996.198)0 .199(96.397kgkJHHH再查飽和蒸汽表，反推出高位貯槽的水溫為47.5s

23、WQZguH22 熱力學(xué)第一定律是從熱力學(xué)第一定律是從能量傳遞或轉(zhuǎn)換過(guò)程能量傳遞或轉(zhuǎn)換過(guò)程中總中總結(jié)出來(lái)的一條客觀規(guī)律。凡違背熱力學(xué)第一定律結(jié)出來(lái)的一條客觀規(guī)律。凡違背熱力學(xué)第一定律的過(guò)程一定不會(huì)發(fā)生，但不違背熱力學(xué)第一定律的過(guò)程一定不會(huì)發(fā)生，但不違背熱力學(xué)第一定律的過(guò)程是否一定會(huì)的過(guò)程是否一定會(huì)自發(fā)發(fā)生自發(fā)發(fā)生呢？這個(gè)問(wèn)題熱力學(xué)呢？這個(gè)問(wèn)題熱力學(xué)第一定律是回答不了的，必須用熱力學(xué)第二定律。第一定律是回答不了的，必須用熱力學(xué)第二定律。6.2 6.2 功熱間的轉(zhuǎn)化功熱間的轉(zhuǎn)化6.2 6.2 功熱間的轉(zhuǎn)化功熱間的轉(zhuǎn)化熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 克勞修斯說(shuō)法：克勞修斯說(shuō)法：熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳

24、給高溫?zé)岵豢赡茏詣?dòng)從低溫物體傳給高溫物體。物體。開(kāi)爾文說(shuō)法：開(kāi)爾文說(shuō)法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)椴豢赡軓膯我粺嵩次鼰崾怪耆優(yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?。有用的功而不引起其他變化?熱力學(xué)第二定律說(shuō)明過(guò)程按照熱力學(xué)第二定律說(shuō)明過(guò)程按照特定方向特定方向，而不是按照，而不是按照任意方向任意方向進(jìn)行。進(jìn)行。 自然界中的物理過(guò)程能夠自然界中的物理過(guò)程能夠自發(fā)地向平衡方向自發(fā)地向平衡方向進(jìn)行。進(jìn)行。6.2 6.2 功熱間的轉(zhuǎn)化功熱間的轉(zhuǎn)化由物化知道，熱力學(xué)第一定律主要解決由物化知道，熱力學(xué)第一定律主要解決自然自然界能量守恒問(wèn)題界能量守恒問(wèn)題，而熱力學(xué)第二定律主要解，而熱力學(xué)第二定律主要解決決方向

25、和限度問(wèn)題方向和限度問(wèn)題。0孤立S0 0 可逆時(shí)可逆時(shí)=0 =0 不可逆時(shí)不可逆時(shí)對(duì)孤立體系對(duì)孤立體系 1）基本概念）基本概念自發(fā)過(guò)程自發(fā)過(guò)程是不消耗功即可進(jìn)行的過(guò)程；是不消耗功即可進(jìn)行的過(guò)程；非自發(fā)過(guò)程非自發(fā)過(guò)程需要消耗功才可進(jìn)行。需要消耗功才可進(jìn)行。如：夏天水變成冰就是非自發(fā)過(guò)程，如：夏天水變成冰就是非自發(fā)過(guò)程， 冬天水變成冰就是自發(fā)過(guò)程。冬天水變成冰就是自發(fā)過(guò)程?？赡孢^(guò)程：可逆過(guò)程：沒(méi)有摩擦，推動(dòng)力無(wú)限小，因此過(guò)程進(jìn)行無(wú)沒(méi)有摩擦，推動(dòng)力無(wú)限小，因此過(guò)程進(jìn)行無(wú)限慢，體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學(xué)平衡；限慢，體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學(xué)平衡；對(duì)產(chǎn)功的對(duì)產(chǎn)功的可逆過(guò)程，產(chǎn)功最大可逆過(guò)程，產(chǎn)功最大

26、；對(duì)耗功的可逆過(guò)程，耗功最小對(duì)耗功的可逆過(guò)程，耗功最?。荒嫦蜻M(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡，也逆向進(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡，也就是沒(méi)有功熱得失及狀態(tài)變化。就是沒(méi)有功熱得失及狀態(tài)變化。 1 1）基本概念）基本概念pdVWRTdSQR VdPWSR不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程：有摩擦，過(guò)程進(jìn)行有一定速度，體系內(nèi)部：有摩擦，過(guò)程進(jìn)行有一定速度，體系內(nèi)部不均勻（有擾動(dòng)、渦流等現(xiàn)象），逆向進(jìn)行時(shí)體系恢復(fù)不均勻（有擾動(dòng)、渦流等現(xiàn)象），逆向進(jìn)行時(shí)體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡，如果與相同始、終態(tài)的可逆過(guò)程始態(tài)，環(huán)境留下痕跡，如果與相同始、終態(tài)的可逆過(guò)程相比較，產(chǎn)功小于可逆過(guò)程，耗功大于可逆過(guò)程

27、。相比較，產(chǎn)功小于可逆過(guò)程，耗功大于可逆過(guò)程。 1 1）基本概念）基本概念2 2）熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度）熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度 自然界中的許多過(guò)程，如熱從高溫物體傳遞給低溫物自然界中的許多過(guò)程，如熱從高溫物體傳遞給低溫物體，氣體向真空或低壓膨脹，由高處流向低處這些過(guò)程都體，氣體向真空或低壓膨脹，由高處流向低處這些過(guò)程都不需要借助外力不需要借助外力即可進(jìn)行。自然界中類似的自發(fā)過(guò)程的進(jìn)即可進(jìn)行。自然界中類似的自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行行有一定的方向性有一定的方向性。水往低處流氣體由高壓向低壓膨脹熱由高溫物體傳向低溫物體 熱量傳遞的熱量傳遞的方向性方向性是指高溫物體可自發(fā)向低是指高溫物體可自發(fā)

28、向低溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必須消耗功。熱量傳遞的須消耗功。熱量傳遞的限度限度是溫度達(dá)到一致，是溫度達(dá)到一致，不存在溫差。不存在溫差。熱量傳遞的方向與限度熱量傳遞的方向與限度動(dòng)力機(jī)械：熱動(dòng)力機(jī)械：熱 功功制冷設(shè)備：制冷設(shè)備： 功功 熱熱能量質(zhì)量的差異能量質(zhì)量的差異某種形式能的“品質(zhì)”（quality）取決于其它形式轉(zhuǎn)換的能力。熱量傳遞的方向與限度熱量傳遞的方向與限度（1）可無(wú)限轉(zhuǎn)換的能量可無(wú)限轉(zhuǎn)換的能量：機(jī)械能（水的動(dòng)能和位能）、電磁能和風(fēng)能等。能量的品質(zhì)與數(shù)量完全統(tǒng)一，可認(rèn)為是品質(zhì)完美的能量。（2）有限轉(zhuǎn)換的能量有限轉(zhuǎn)換的能量：各種熱過(guò)程

29、釋放的熱。不能單純用它的數(shù)量來(lái)度量它的品質(zhì)，可認(rèn)為是品質(zhì)有限的能量。（3）不可轉(zhuǎn)換的能量不可轉(zhuǎn)換的能量：環(huán)境介質(zhì)的內(nèi)能。在環(huán)境條件下已無(wú)法無(wú)限制地轉(zhuǎn)換為其它形式的能量。能量質(zhì)量的差異能量質(zhì)量的差異熱功轉(zhuǎn)換的方向性是指熱功轉(zhuǎn)換的方向性是指功可以完全轉(zhuǎn)化為熱，而功可以完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱只能部分轉(zhuǎn)化為功熱只能部分轉(zhuǎn)化為功。 由于由于熱熱是是無(wú)序無(wú)序能量，而能量，而功功是是有序有序能量，自然界都遵能量，自然界都遵循這樣一個(gè)規(guī)律：有序運(yùn)動(dòng)可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序運(yùn)動(dòng)，循這樣一個(gè)規(guī)律：有序運(yùn)動(dòng)可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序運(yùn)動(dòng)，而無(wú)序運(yùn)動(dòng)不能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)。而無(wú)序運(yùn)動(dòng)不能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\(yùn)動(dòng)。熱功轉(zhuǎn)換的方向熱功轉(zhuǎn)換的方向

30、正卡諾循環(huán)正卡諾循環(huán)和和逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)。正卡諾循環(huán)正卡諾循環(huán)是指工質(zhì)吸熱溫是指工質(zhì)吸熱溫度高于排熱溫度，是產(chǎn)功過(guò)度高于排熱溫度，是產(chǎn)功過(guò)程；（熱電廠、蒸汽機(jī)）程；（熱電廠、蒸汽機(jī)）逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)是指吸熱溫度低是指吸熱溫度低于排熱溫度，是耗功過(guò)程。于排熱溫度，是耗功過(guò)程。（空調(diào)、冰機(jī)、熱泵）（空調(diào)、冰機(jī)、熱泵）熱功轉(zhuǎn)換的限度熱功轉(zhuǎn)換的限度卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)是熱力學(xué)的基卡諾循環(huán)是熱力學(xué)的基本循環(huán)，它由本循環(huán)，它由四個(gè)可逆過(guò)四個(gè)可逆過(guò)程程完成一個(gè)工作循環(huán)，卡完成一個(gè)工作循環(huán)，卡諾循環(huán)解決了工質(zhì)從高溫諾循環(huán)解決了工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)換為功熱源吸收的熱量轉(zhuǎn)換為功的的最大限度最大

31、限度。熱功轉(zhuǎn)換的限度熱功轉(zhuǎn)換的限度卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)高溫?zé)嵩?TH低溫?zé)嵩?TLCarnotCarnot循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）4個(gè)過(guò)程個(gè)過(guò)程可逆等溫膨脹可逆等溫膨脹12 工作介質(zhì)蒸發(fā)，吸熱工作介質(zhì)蒸發(fā)，吸熱QH可逆絕熱膨脹可逆絕熱膨脹23 做功做功WC可逆等溫壓縮可逆等溫壓縮34 工作介質(zhì)冷凝放熱工作介質(zhì)冷凝放熱QL可逆絕熱壓縮可逆絕熱壓縮41 對(duì)液體做功（可忽略）對(duì)液體做功（可忽略）sWQZguH22卡諾循環(huán)的熱效率最大卡諾循環(huán)的熱效率最大, ,可以根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以根據(jù)熱力學(xué)第一定律推出卡諾循環(huán)的熱效率。推出卡諾循環(huán)的熱效率。 H 為狀態(tài)函數(shù)，工質(zhì)通過(guò)一個(gè)循環(huán)為

32、狀態(tài)函數(shù)，工質(zhì)通過(guò)一個(gè)循環(huán)H= 0 CarnotCarnot循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功） 卡諾循環(huán)的結(jié)果是熱部分地轉(zhuǎn)化為功，其經(jīng)濟(jì)性用卡諾循環(huán)的結(jié)果是熱部分地轉(zhuǎn)化為功，其經(jīng)濟(jì)性用熱熱效率效率來(lái)評(píng)價(jià)。熱效率的物理意義為工質(zhì)從高溫?zé)嵩次諄?lái)評(píng)價(jià)。熱效率的物理意義為工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)化為凈功的比率。的熱量轉(zhuǎn)化為凈功的比率。CarnotCarnot循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）CarnotCarnot循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）)()()(123412SSTSSTQSSTQLLLHHHLHLHHLHcTTTTTSSTSSTSST1)()

33、()(121212 TdSQRHLcTT1注意注意: : 0=00時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程不可逆或自發(fā)時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程不可逆或自發(fā)v當(dāng)當(dāng) S產(chǎn)生產(chǎn)生=0時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程可逆或平衡；時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程可逆或平衡；v當(dāng)當(dāng) S產(chǎn)生產(chǎn)生T2TQdSTQdS11TTTTQTQTQdSdSdS1111TTTTQTdEl110因溫差傳熱過(guò)程而引起因溫差傳熱過(guò)程而引起的有效能的損失的有效能的損失傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程 傳熱過(guò)程有效能損失是存在的，當(dāng)冷熱流體的溫度傳熱過(guò)程有效能損失是存在的，當(dāng)冷熱流體的溫度一定時(shí)，一定時(shí)，傳熱溫差愈大傳熱溫差愈大，有效能的損失愈多；當(dāng)冷熱，有效能的損失愈多；當(dāng)冷熱流體的溫差一定時(shí)，則流

34、體的溫差一定時(shí)，則有效能與冷熱流體溫度的乘積有效能與冷熱流體溫度的乘積成反比成反比。 在在低溫工程低溫工程中，為了減少有效能的損失，采用中，為了減少有效能的損失，采用較小較小的傳熱溫差的傳熱溫差；在；在高溫傳熱高溫傳熱下，下，溫差可取得較大一些溫差可取得較大一些，使換熱面積不至于過(guò)大。使換熱面積不至于過(guò)大。傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程TTTTQTdEl110 流體輸送過(guò)程流體輸送過(guò)程VdpTdSdH封閉體系：封閉體系：穩(wěn)流體系：穩(wěn)流體系：SWQdH0dHdpTVdS總假設(shè)體系與環(huán)境之間既無(wú)熱也功的交換，一般管道中的輸送假設(shè)體系與環(huán)境之間既無(wú)熱也功的交換，一般管道中的輸送dpTVTdEl0有效能的損失：有效

35、能的損失： El p 壓力降壓力降穩(wěn)流過(guò)程的有效能損失是由于阻力引起的穩(wěn)流過(guò)程的有效能損失是由于阻力引起的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程要減少有效能損失，首先要考慮穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程要減少有效能損失，首先要考慮減少壓減少壓力降力降，但欲使壓力降減少，必然使，但欲使壓力降減少，必然使流速降低流速降低，使，使設(shè)備設(shè)備費(fèi)用增加費(fèi)用增加。因此考慮能量的合理利用的同時(shí)，還要考。因此考慮能量的合理利用的同時(shí)，還要考慮慮設(shè)備材料費(fèi)用設(shè)備材料費(fèi)用的問(wèn)題。的問(wèn)題。 流體輸送過(guò)程流體輸送過(guò)程dpTVTdEl0 對(duì)于敞開(kāi)體系，體系與環(huán)境既有能量交換，又有質(zhì)量對(duì)于敞開(kāi)體系，體系與環(huán)境既有能量交換，又有質(zhì)量傳遞。發(fā)生傳質(zhì)的原因是傳遞。發(fā)生傳質(zhì)

36、的原因是兩相的化學(xué)位兩相的化學(xué)位不等。不等。 傳質(zhì)過(guò)程傳質(zhì)過(guò)程ikiiiidnTnSddndpnVnSTdnHdi1)()()()()(TT 略去壓力變化略去壓力變化傳質(zhì)過(guò)程中有效能損失為傳質(zhì)過(guò)程中有效能損失為iiiaRTln0iiiaaRTilnikiiidnaaRnSd1ln)(ikiiildnaaRTnSdTE100ln)(傳質(zhì)過(guò)程傳質(zhì)過(guò)程注意注意 有效能損失在有效能損失在任何不可逆過(guò)程任何不可逆過(guò)程中都是存在的；中都是存在的； 有效能損失的大小與過(guò)程的有效能損失的大小與過(guò)程的推動(dòng)力推動(dòng)力有關(guān)，推動(dòng)力有關(guān)，推動(dòng)力增大，則有效能損失增大。增大，則有效能損失增大。例例 裂解氣在中冷塔中分離，

37、塔的操作裂解氣在中冷塔中分離，塔的操作壓力為壓力為3.444MPa，液態(tài)烴（由液態(tài)烴（由C2、C3、C4等組成）由塔底進(jìn)入再沸器，其溫等組成）由塔底進(jìn)入再沸器，其溫度為度為45；經(jīng)；經(jīng)0.1965MP的飽和蒸汽加的飽和蒸汽加熱蒸發(fā)回到塔內(nèi)。已知再沸器中冷凝熱蒸發(fā)回到塔內(nèi)。已知再沸器中冷凝水為水為40 ，大氣溫度大氣溫度0為為20 ，液液態(tài)烴在態(tài)烴在45 ，3.444MPa下汽化熱為下汽化熱為293kJ/kg。汽化熵為汽化熵為0.921kJ/(kg.K)。求算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效求算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效能變化及損失功。能變化及損失功。 T0=293K,3.444MP,318K下下

38、 烴烴 Hv=293kJ/kg Sv=0.921kJ/(kg.K) 0.1965MP的飽和蒸汽的飽和蒸汽，查表查表T=392.6KH氣氣=2706kJ/kg,S氣氣=7.133kJ/(kg.K)40飽和水飽和水 查表查表H水水=167.4kJ/kg, S水水=0.572kJ/(kg.K) 解：解：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mmHv=H水氣水氣-H水水（熱量衡算）（熱量衡算）m=( H水氣水氣-H水水)/Hv=(2706-167.4)/293=8.66kg烴烴液態(tài)烴有效能變化液態(tài)烴有效能變化Ex1=m To(S0-S1)-(H0-H1)Ex2=m To(S0-S2

39、)-(H0-H2)Ex=Ex2-Ex1=m (Hv- ToSv)=8.66(293-293*0.921)=201kJ)()(0SSTHHEx氣水氣水蒸氣 水蒸氣有效能變化水蒸氣有效能變化=(167.4-2706)-293(0.572-7.133)=-616KJ ) (293)(SSSSSTSTWvotoLm氣水水烴KJ415)1337.7572.0(921.066.8293（4）求）求WLKJEl4156.6 6.6 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率6.6.1 6.6.1 有效能衡算方程有效能衡算方程穩(wěn)流體系穩(wěn)流體系熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律: :熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律:

40、:TQSTQS0TQTQSS0S0STQSmSmoutoutinininoutinoutggoutiiiniiout, soutoutin, sininWQHWQHout, sout0out0out00outin, sin0in0in00in000out, sout0outout0outin, sin0inin0inWTT1QSSTHHWTT1QSSTHHSTHWTT1QSTHWTT1QSTH兩邊都減去outoutininW,xQ,xout,xW,xQ,xin,xEEEEEElW,xQ,xout,xW,xQ,xin,xEEEEEEEoutoutininloutxinxEEE有效能衡算有效能衡算有效能的損失有效能的損失有效能衡算法有效能衡算法總STEl06