工程熱力學(xué)Ⅱ教學(xué)課件

工程熱力學(xué)Ⅱ教學(xué)課件主講：徐桂轉(zhuǎn)2009年9月授課內(nèi)容：1.熱力學(xué)第一定律在開(kāi)口系統(tǒng)中的應(yīng)用（2學(xué)時(shí)）2.理想混合氣體熱力過(guò)程分析（2學(xué)時(shí)）3.熱力學(xué)第二定律，熵火用方程（4學(xué)時(shí)）4.火用方程（2學(xué)時(shí)）5.熱力學(xué)微分關(guān)系式（4學(xué)時(shí)）6.實(shí)際氣體的熱力學(xué)性質(zhì)（4學(xué)時(shí)）7.氣體流動(dòng)、壓氣機(jī)過(guò)程（2學(xué)時(shí)）8.動(dòng)力循環(huán)分析（4學(xué)時(shí)）9.制冷循環(huán)、濕空氣熱力過(guò)程（2學(xué)時(shí)）10.化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)（4學(xué)時(shí)）1.熱力學(xué)第一定律在開(kāi)口系統(tǒng)中的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律輸入的能量＝輸出的能量＋儲(chǔ)存的能量開(kāi)口系統(tǒng)：流入δmin;uin;pin;vin;cin;zinδWδQdE流出δ

mout;uout;pout;vout;cout;zout能量分析：

流入的能量：流入流體攜帶的熱力學(xué)能、宏觀動(dòng)能及位能、流體流入時(shí)得到的流動(dòng)能、流體從外界獲得的熱能。流出的能量：流出流體攜帶的熱力學(xué)能、宏觀動(dòng)能及位能、流體流出時(shí)得到的流動(dòng)能、流體通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)部件對(duì)外界傳出的機(jī)械能。

δQdEδW流入δmin;uin;pin;vin;cin;zin流出δ

mout;uout;pout;vout;cout;zout流入的能量具體為：微觀能即熱力學(xué)能：宏觀動(dòng)能：宏觀位能流體流動(dòng)能從外界吸收的熱能流出的能量具體為：微觀能即熱力學(xué)能：宏觀動(dòng)能：宏觀位能流體流動(dòng)能從外界吸收的熱能根據(jù)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：由于：其中：即：熱力學(xué)第一定律在開(kāi)口系統(tǒng)中的應(yīng)用：某輸氣管道內(nèi)氣體壓力為4MPa，溫度為30℃，焓為303KJ/Kg。設(shè)該氣體為理想氣體，它的熱力學(xué)能與溫度間的關(guān)系為u=0.72TKJ/Kg，氣體常數(shù)為287J/Kgk。現(xiàn)將1m3的真空容器與輸氣管連接，打開(kāi)閥門(mén)對(duì)容器充氣，直至容器內(nèi)壓力達(dá)4MPa為止。充氣時(shí)輸氣管內(nèi)氣體參數(shù)保持不變，問(wèn)充入容器的氣體量為多少Kg？（氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程式）分析：輸氣過(guò)程中，將真空容器作為一個(gè)開(kāi)口系統(tǒng)考慮，則滿足開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式，在該過(guò)程中，與外界無(wú)熱量和功量交換。熱力學(xué)第一定律的具體應(yīng)用則相應(yīng)的能量方程為：即：△U=U2-U1=m2u2-m1u1=m2u2熱力學(xué)第一定律在開(kāi)口系統(tǒng)中的應(yīng)用：一可自由伸縮不計(jì)張力的容器內(nèi)有壓力為0.8MPa，溫度為27℃的空氣74.33Kg，由于泄露，壓力降為0.75MPa，溫度不變。稱重后發(fā)現(xiàn)少了10Kg，不計(jì)容器熱阻，求過(guò)程中通過(guò)容器的換熱量。（已知，大氣壓力為0.1MPa，溫度為27℃，且空氣的焓和熱力學(xué)能分別可表示為：h=1005TJ/kg;u=718J/kg)分析：空氣泄露過(guò)程中，將容器看作為開(kāi)口系統(tǒng)，則滿足開(kāi)口系統(tǒng)能量方程式，在該過(guò)程中，系統(tǒng)與外界有熱量和功量及質(zhì)量的交換。熱力學(xué)第一定律在開(kāi)口系統(tǒng)中的應(yīng)用則此時(shí)熱力學(xué)第一定律的具體表達(dá)式為：

dE=dU=m2u2-m1u1做功量為氣體在泄露過(guò)程中，抵抗外界大氣壓力而做功，在泄露過(guò)程中，微功的積分為：W=P0(V2-V1)泄露過(guò)程中，引起的質(zhì)量變化為m1-m2；可以認(rèn)為在泄露時(shí)，從容器中出去的氣體具有初始時(shí)的焓和熱力性能。上式可具體積分為：根據(jù)題意，初態(tài)時(shí)的質(zhì)量為74.33Kg，泄露了10Kg，則m1，m2均為已知；關(guān)鍵是求取體積，初態(tài)和終態(tài)時(shí)的體積如何求取呢？課堂練習(xí)：2-12一剛性絕熱容器，容積為0.028m3，原先裝有壓力為0.1MPa，溫度為21℃的空氣，現(xiàn)將連接此容器與輸氣管道的閥門(mén)打開(kāi)，向容器內(nèi)快速充氣。設(shè)輸氣管道內(nèi)氣體的狀態(tài)參數(shù)不變，壓力為0.7MPa，溫度為21℃。當(dāng)容器內(nèi)壓力達(dá)到0.2Mpa時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，求容器內(nèi)氣體可能達(dá)到的最高溫度。（設(shè)空氣可視為理想氣體，h=1005TJ/kg;u=720J/kg)2.理想混合氣體性質(zhì)及其熱力過(guò)程混合氣體滿足的道爾頓分壓定律和阿美加分體積定律道爾頓分壓定律：組成混合氣體的各組分，具有有混合氣體相同的體積時(shí)，各組分的壓力成為分壓力，混合氣體的分壓力即為各組分分壓力之和。

阿美加分體積定律：當(dāng)理想混合氣體各組分具有與混合氣體相同的壓力時(shí)，各組分具有的體積為分體積，分體積之和為理想混合氣體的總體積。

混合氣體成分：質(zhì)量分?jǐn)?shù)：摩爾分?jǐn)?shù)：體積分?jǐn)?shù)：有：混合物的密度、摩爾質(zhì)量及折合氣體常數(shù)密度為：摩爾質(zhì)量為：折合氣體常數(shù)按氣體常數(shù)的定義可表示為：其中的M為：理想混合氣體的熱力學(xué)能理想混合氣體的熱力學(xué)能等于組成混合物的各組分熱力學(xué)能之和混合氣體比熱力學(xué)能為：理想混合氣體的焓理想混合氣體的焓等于組成混合物的各組分焓之和混合氣體比焓為：理想混合氣體的熵理想混合氣體的熵等于組成混合物的各組分熵之和混合氣體比熵為：例題3-6燃燒1kg重油產(chǎn)生煙氣20kg，其中CO2有3.16kg、O21.15kg、水蒸汽1.24kg，其余為氮?dú)?。煙氣中的水蒸汽可以作為理想氣體，對(duì)于煙氣，試求：1.各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；2.折合氣體常數(shù)；3.折合摩爾質(zhì)量；4.摩爾分?jǐn)?shù)；5.燃燒1kg重油所產(chǎn)生的煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積；6.煙氣在0.1MPa、200℃下的體積。分析：各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為各組分質(zhì)量與總質(zhì)量之比；折合摩爾質(zhì)量：；折合氣體常數(shù)為：其中用到各種組分的摩爾分?jǐn)?shù)，而摩爾分?jǐn)?shù)為各組分的摩爾數(shù)與總摩爾數(shù)之比，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積：由于理想氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積為22.4L/moL，燃燒1kg重油產(chǎn)生的煙氣的總摩爾數(shù)可以由m/M計(jì)算得到，因此，煙氣的體積為22.4nL。在0.1MPa，200℃下的體積，則根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式可以計(jì)算，3-7剛性絕熱容器被隔板一分為二，如圖所示，左側(cè)A裝有氧氣，體積為0.3m3，壓力為0.4MPa，溫度為288k；右側(cè)B裝有氮?dú)?，體積為0.6m3，壓力為0.505MPa，溫度為328k。抽去隔板氧和氮相互混合，重新達(dá)到平衡后，試求：1.混合氣體的溫度和壓力；2.混合氣體中氧和氮各自的分壓力；3.混合前后的熵變量，按定值比熱容計(jì)算。分析：容器剛性絕熱，因此，抽去隔板的混合過(guò)程為一絕熱、且與外界無(wú)體積功交換的過(guò)程，因此，以A、B兩部分氣體組成的閉口熱力系統(tǒng)，在抽去隔板前后應(yīng)滿足能量守恒方程，即總熱力性能保持不變。UA＋UB＝UA+B，即：△UA＋△UB＝0AO2BN2A+B課堂練習(xí)；習(xí)題3-19，剛性絕熱容器中放置一個(gè)只能透過(guò)氧氣、不能透過(guò)氮?dú)獾陌霛B透膜，兩側(cè)體積各為VA＝0.15m3和VB＝1m3。滲透開(kāi)始前左側(cè)氧氣的壓力為0.4MPa、溫度為300k，右側(cè)為空氣，其壓力為0.1MPa、溫度為300k。若空氣中的氧和氮的摩爾分?jǐn)?shù)各為0.22和0.78，通過(guò)半滲透膜氧氣將均勻占據(jù)整個(gè)容器。試計(jì)算：1.滲透終了A中氧氣的物質(zhì)的量；2.B中氧氮混合物的壓力以及各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；3.滲透前后系統(tǒng)的熵變。A氧氣B空氣例題4-6有一氣缸和活塞組成的系統(tǒng)，汽缸壁和活塞均由絕熱材料制成，活塞可在氣缸中無(wú)摩擦地自由移動(dòng)。初始時(shí)活塞位于氣缸中央，A/B兩側(cè)各有1kg空氣，壓力均為0.45MPa，溫度同為900k。現(xiàn)對(duì)A側(cè)冷卻水管中通水冷卻，A側(cè)壓力逐漸降低，求壓力降低到0.3MPa時(shí)兩側(cè)的體積以及冷卻水從系統(tǒng)中帶走的熱量，將上述過(guò)程在p-v，T－s圖上示意出。按定值比熱容計(jì)算，k＝1.4，定容比熱容為0.717KJ/kgkAB上海交大1999年碩士入學(xué)試題1kg某雙原子理想氣體經(jīng)歷一可逆循環(huán)1-2-3-4-1，其中1-2為可逆等溫吸熱；2-3為可逆多變膨脹；3-4為可逆等溫放熱；4-1為可逆等熵壓縮。1.畫(huà)出循環(huán)的T-s圖；2.完成下表；3.求循環(huán)熱效率；4.求過(guò)程2-3的多變指數(shù)n。假定氣體定容比熱容為常數(shù)，大小為718J/Kgk。過(guò)程1-22-33-44-1Q/kJ10010△U/kJW/kJ△S/KJ/K0.1-48-0.16浙江大學(xué)1998年碩士入學(xué)試題兩級(jí)活塞式氮?dú)鈮嚎s機(jī)，第一級(jí)低壓缸的進(jìn)氣壓力為0.1MPa，溫度為27℃。兩級(jí)間有用水冷卻的中間冷卻器，并假定氮?dú)饬鹘?jīng)冷卻器的壓力不變。第二級(jí)高壓缸的進(jìn)氣溫度也為27℃，出氣壓力為6.4MPa。兩級(jí)壓縮過(guò)程均為=1.3的多變過(guò)程，每小時(shí)生產(chǎn)2160Kg的氮?dú)?。氮?dú)獾臍怏w常數(shù)為297J/Kgk，定壓比熱容為1.04KJ/Kgk，水的比熱容為4.18KJ/Kgk。求：1.在最佳增壓比條件下，兩級(jí)壓縮機(jī)的總耗功率；2.若中間冷卻器的冷卻水進(jìn)口溫度為24℃，流量為1.2Kg/s，計(jì)算每秒中間冷卻器由于不可逆?zhèn)鳠嵋鸬目捎媚艿膿p失（環(huán)境溫度為24℃）浙江大學(xué)1999年碩士入學(xué)試題在一個(gè)剛性絕熱容器中，0.75Kmol的氮?dú)馀c0.25Kmol的氧氣混合，混合前，氮?dú)獾臏囟葹?00k，壓力為1Mpa；氧氣的溫度為300k，壓力為0.1Mpa。若取氮?dú)夂脱鯕獾哪柖ㄈ荼葻崛菥鶠?1J/molk，定壓比熱容為29.34J/molk，試求：1.混合前后系統(tǒng)的溫度和壓力；2.混合前后系統(tǒng)的熵變化量；3.如環(huán)境溫度為300k，混合過(guò)程引起的可用能的損失為多少？上海交大1999年碩士入學(xué)試題某次對(duì)可以認(rèn)為在絕熱條件下運(yùn)行的空氣壓縮機(jī)測(cè)試的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下：壓氣機(jī)進(jìn)口處的溫度為17℃、壓力為0.1MPa；出口處溫度為207℃，壓力為0.4MPa；壓氣機(jī)生產(chǎn)量為1kg/s，耗功率為185kW。試計(jì)算說(shuō)明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否可靠？空氣比熱容取為定值，氣體常數(shù)為287J/kgk、定壓比熱容為1.005KJ/kgk。第五章實(shí)際氣體的性質(zhì)及熱力學(xué)一般關(guān)系教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生了解實(shí)際氣體模型與理想氣體模型的差別，實(shí)際氣體狀態(tài)的描述方法，掌握熱力學(xué)一般關(guān)系式及其物理意義。知識(shí)點(diǎn)：理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體的偏差；范德瓦爾方程和R—K方程；對(duì)應(yīng)態(tài)原理與通用壓縮因子圖；麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)；熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式。重點(diǎn)：壓縮因子圖及其應(yīng)用；麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)的物理意義；熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式及其在工程中的應(yīng)用。難點(diǎn)：麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)的物理意義；熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式及其在工程中的應(yīng)用。5.1理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體的偏差但是對(duì)氣體做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻不是一條值為1的水平線，尤其是在高壓下，誤差更大。這種偏差通常用壓縮因子Z表示。5.1

理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體的偏差

Z值的大小不僅與氣體種類(lèi)有關(guān)，而且同種氣體的Z值還隨壓力和溫度而變化。5.2

范德瓦爾方程和R-K方程一、范德瓦爾方程（1873年） 范德瓦爾考慮到兩點(diǎn)：

1.氣體分子有一定的體積，所以分子可自由活動(dòng)的空間為（Vm-b) 2.氣體分子間的引力作用，氣體對(duì)容器壁面所施加的壓力要比理想氣體的小，用內(nèi)壓修正壓力項(xiàng)。5.2范德瓦爾方程和R-K方程范德瓦爾方程:問(wèn)題:在p-V圖中,范德瓦爾方程的等溫曲線是什么形狀?與理想氣體等溫曲線有什么差異?5.2范德瓦爾方程和R-K方程（范德瓦爾方程理論曲線）。vpFFT

cT2GcABDMNHvpT

1T2T

3（理想氣體等溫曲線）5.2

范德瓦爾方程和R-K方程求解范德瓦爾方程: 給定一個(gè)T值，可得出三個(gè)不等的實(shí)根，或三個(gè)相等的實(shí)根或一個(gè)實(shí)根兩個(gè)虛根。。。vpT1ABDMNcT=常量（實(shí)驗(yàn)曲線）。vpFFT

cT2GcABDMNH（理論曲線）。范德瓦爾方程的理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線5.2

范德瓦爾方程和R-K方程5.2

范德瓦爾方程和R-K方程下界線：各凝結(jié)過(guò)程終了點(diǎn)的連線。上界線：開(kāi)始凝結(jié)的各點(diǎn)的連線。臨界點(diǎn)：上界線與下界線的交點(diǎn)。通過(guò)臨界點(diǎn)的等溫線為臨界等溫線。在上界線與下界線之間的等溫線為水平線。范德瓦爾方程的3個(gè)根，對(duì)應(yīng)圖中的3個(gè)點(diǎn)（如E，P，H）。中間的根無(wú)意義。由臨界狀態(tài)：得：Pcr=a/27b2Tcr=8a/27RbVm,cr=3b或a

=27(RTcr)2/64Pcr

b=RTcr/8Pcr

R=8PcrVm,cr/3Tcr

對(duì)所有物質(zhì)都有:Zcr=PcrVm,cr/RTcr=3/8=0.375。事實(shí)上不同物質(zhì)的Z值不同，一般在0.23～0.29間，(如表6-1)。各種物質(zhì)的臨界參數(shù)見(jiàn)附表2。二、R-K方程與范德瓦爾方程相比，進(jìn)一步作了修正。（對(duì)內(nèi)壓力項(xiàng)作進(jìn)一步修正，精度更高）5.3對(duì)應(yīng)態(tài)原理與通用壓縮因子圖一、對(duì)應(yīng)態(tài)原理

對(duì)多種流體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，接近各自的臨界點(diǎn)時(shí)所有流體都顯示出相似的性質(zhì)，這說(shuō)明各種流體在對(duì)應(yīng)狀態(tài)下有相同的對(duì)比性質(zhì),即:

如范德瓦爾方程可改寫(xiě)為：為什么？范德瓦爾方程為：(a)(c)(b)將代入(a),得:將代入(c),即可得。(d)5.3對(duì)應(yīng)態(tài)原理與通用壓縮因子圖二、通用壓縮因子圖

5.3對(duì)應(yīng)態(tài)原理與通用壓縮因子圖5.4維里方程(自學(xué))

1901年，奧里斯(Onnes)提出維里方程：

式中B、C、D為溫度函數(shù)，稱為第二、第三、第四維里系數(shù)等5.5麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)一、全微分條件和循環(huán)關(guān)系(準(zhǔn)備知識(shí))5.5麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)一、全微分條件和循環(huán)關(guān)系(準(zhǔn)備知識(shí))設(shè)有狀態(tài)參數(shù)x、y、z、w，獨(dú)立變量為2個(gè)，則對(duì)于函數(shù)：有：(a)(b)二、亥姆霍茲函數(shù)和吉布斯函數(shù)微分形式：2、吉布斯函數(shù)：1、亥姆霍茲函數(shù)：微分形式：5.5麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)

由

得：

三、麥克斯韋關(guān)系

由得：由得：由得：上述邁克斯韋關(guān)系給出了不可測(cè)參數(shù)熵與常用可測(cè)參數(shù)之間的關(guān)系。5.5麥克斯韋關(guān)系和熱系數(shù)三、麥克斯韋關(guān)系

還可以導(dǎo)出如下8個(gè)有用的關(guān)系：上述關(guān)系將狀態(tài)參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)與常用狀態(tài)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。四、熱系數(shù)

表示物質(zhì)在定壓下比體積隨溫度的變化率。等溫壓縮率：

表示物質(zhì)在定溫下比體積隨壓力的變化率。定容壓力溫度系數(shù)：

表示物質(zhì)在定比體積下壓力隨溫度的變化率。體膨脹系數(shù)：5.6熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式一、熵的一般表達(dá)式

根據(jù)麥克斯韋關(guān)系：

如果T、v為獨(dú)立變量，即s=s(T,v),則：5.6熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式理想氣體：5.6熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式同樣：理想氣體：理想氣體：5.6熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式二、熱力學(xué)能的一般表達(dá)式同樣得到第二、第三du方程。取T、v為獨(dú)立變量，即u=u(T,v),則：將第一ds方程代入可得：5.6熱力學(xué)能、焓和熵的一般關(guān)系式三、焓的一般關(guān)系式 與導(dǎo)得du方程相同，通過(guò)把ds方程代入：可以得到相應(yīng)的dh方程：同樣得到另兩個(gè)dh方程。5.7 比熱容的一般關(guān)系式一、比熱容與壓力及比體積的關(guān)系5.7 比熱容的一般關(guān)系式一、比熱容與壓力及比體積的關(guān)系§5.7 比熱容的一般關(guān)系式二、比定壓熱容cp與比定容熱容cv關(guān)系§5.7 比熱容的一般關(guān)系式二、比定壓熱容cp與比定容熱容cv關(guān)系比較兩個(gè)dT表達(dá)式，有：§5.7 比熱容的一般關(guān)系式二、比定壓熱容cp與比定容熱容cv關(guān)系所以有：§5.7 比熱容的一般關(guān)系式二、比定壓熱容cp與比定容熱容cv關(guān)系（1）取決于狀態(tài)方程，因而可由狀態(tài)方程或熱系數(shù)求得。（2）恒大于零。（3）對(duì)于液體和固體，很小。噴管例題浙江大學(xué)1997年入學(xué)試題有一股質(zhì)量流量為0.5kg/s的高溫空氣流，溫度為350℃，壓力為0.1MPa，為了調(diào)節(jié)空氣溫度，由環(huán)境引入一股溫度為20℃，壓力為0.1MPa的冷空氣流，使絕熱混合氣流溫度達(dá)到300℃，壓力仍為0.1MPa，然后該混合氣體進(jìn)入一漸縮噴管絕熱膨脹到背壓0.06MPa。據(jù)測(cè)量，噴管出口空氣流溫度為250℃，試求：1.若噴管進(jìn)口流速可以忽略，則出口流速為多少？2.整個(gè)過(guò)程每秒鐘的熵產(chǎn)和可用能損失為多少？（空氣的定壓比熱容為1.005KJ/kgk，氣體常數(shù)為0.287KJ/kgk）噴管例題空氣流經(jīng)縮放噴管作穩(wěn)定流動(dòng)。已知進(jìn)口截面上空氣的滯止參數(shù)為0.69MPa，溫度為93℃，最小截面積為6.45cm2，出口面積與最小截面積之比為2，空氣的定壓比熱容為1.004KJ/kgk，氣體常數(shù)為0.287，k＝1.4，試按下列兩種情況計(jì)算噴管出口流速和出口截面處質(zhì)量流量：1.出口截面馬赫數(shù)為2.197，溫度為186.26k，壓力為0.06479MPa；2.出口截面馬赫數(shù)為0.306，溫度為359.28k，壓力為0.6466MPa，最小截面處于臨界狀態(tài)。噴管例題西安交通大學(xué)1995年碩士入學(xué)試題質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%的空氣和18%的某種氣體組成壓力為0.6MPa，溫度為800℃的混合氣體，混合氣體流經(jīng)一漸縮噴管進(jìn)入壓力為0.2Mpa的空間。已知噴管的出口截面積為2400mm2，流入噴管氣流的初速度為100m/s，試求：1.定熵流動(dòng)時(shí)，噴管出口流速和流量；2.當(dāng)噴管的速度系數(shù)為0.92時(shí)，噴管內(nèi)氣體流量及由于摩擦引起的不可逆做功能力的損失，并將其表達(dá)到T-S圖上。環(huán)境溫度為27℃，空氣按理想氣體定值比熱容計(jì)算，某氣體為雙原子氣體，摩爾質(zhì)量為18kg/kmol，定壓比熱容為1.867KJ/kgk，氣體常數(shù)為0.461KJ/kgk；空氣的定壓比熱容為1.004KJ/kgk，氣體常數(shù)為0.287KJ/kgk。噴管速度系數(shù)為實(shí)際出口流速與理想出口流速之比。噴管例題活塞式壓氣機(jī)從大氣吸入壓力為0.1MPa、溫度為27℃的空氣，經(jīng)n＝1.3的多變過(guò)程壓縮到0.7MPa后進(jìn)入一儲(chǔ)氣筒，再經(jīng)儲(chǔ)氣筒上的漸縮噴管排入大氣。由于儲(chǔ)氣筒的散熱，進(jìn)入噴管時(shí)空氣壓力為0.7MPa，溫度為60℃。已知噴管出口截面處面積為4cm2，試求：（1）流經(jīng)噴管的空氣流量；（2）將此過(guò)程表示到T-s圖上；（3）壓氣機(jī)的耗功率；（4）要使噴管中氣體充分膨脹到大氣壓力，應(yīng)采取何種措施，為什么？（15分）壓縮機(jī)例題浙江大學(xué)1998年入學(xué)試題兩級(jí)活塞式氮?dú)鈮嚎s機(jī)，低壓氣缸進(jìn)氣壓力為0.1MPa，溫度為27℃，兩級(jí)間有水冷的中間冷卻器，并假定在中間冷卻器中冷卻過(guò)程為定壓過(guò)程。第二級(jí)高壓缸的進(jìn)氣溫度也為27℃，出口壓力為6.4MPa。兩級(jí)壓縮過(guò)程均為n＝1.3的多變過(guò)程，每小時(shí)生產(chǎn)2160kg的氮?dú)?。氮?dú)獾臍怏w常數(shù)為0.297KJ/kgk，比定壓熱容為1.04KJ/kgk，水的比熱容4.18KJ/kgk。求：1.在最佳增壓比條件下，兩級(jí)壓縮機(jī)的總耗功率；2.若中間冷卻器采用進(jìn)口溫度為24℃，流量為1.2kg/s的冷水換熱，試計(jì)算每秒鐘中間冷卻器因不可逆?zhèn)鳠徇^(guò)程引起的可用能的損失。（環(huán)境溫度為24℃）化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)

許多能源、動(dòng)力、化工、環(huán)保及人體和生物體內(nèi)的熱、質(zhì)傳遞和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程都涉及到化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題，因此現(xiàn)代工程熱力學(xué)也包括了化學(xué)熱力學(xué)的一些基本原理。本章將運(yùn)用熱力學(xué)第一定律與第二定律研究化學(xué)反應(yīng)，特別是燃燒反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)的方向、化學(xué)平衡等問(wèn)題?！?概述

一、化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)與物理反應(yīng)系統(tǒng)研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換也需選擇系統(tǒng)，也可以把它們分成閉口系、開(kāi)口系等，除了系統(tǒng)中包含有化學(xué)反應(yīng)，其它概念與以前章節(jié)中的一樣。

1）獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮系的物理變化過(guò)程，確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)數(shù)只有兩個(gè)對(duì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物系，參與反應(yīng)的物質(zhì)的成分或濃度也可變化，故確定其平衡狀態(tài)往往需要兩個(gè)以上的獨(dú)立參數(shù)，因而化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可以在定溫定壓及定溫定容等條件下進(jìn)行。2）反應(yīng)熱和功反應(yīng)熱(heatofreaction)——化學(xué)反應(yīng)中物系與外界交換的熱量。向外界放出熱量的反應(yīng)過(guò)程稱放熱反應(yīng)，吸熱為正；從外界吸熱的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，放熱為負(fù)。例：氫氣燃燒生成水的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，乙炔的生成反應(yīng)是吸熱反應(yīng)：2H2+O2=2H2O2C+H2=C2H2式中的系數(shù)是根據(jù)質(zhì)量守衡按反應(yīng)前后原子數(shù)不變確定，稱為化學(xué)計(jì)量系數(shù)—stoichiometriccoefficients

二.可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程在完成某含有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程后，當(dāng)使過(guò)程沿相反方向進(jìn)行時(shí)，能夠使物系和外界完全恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，不留下任何變化的理想過(guò)程就是可逆過(guò)程。一切含有化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際過(guò)程都是不可逆的，可逆過(guò)程是一種理想的極限。少數(shù)特殊條件下的化學(xué)反應(yīng)，如蓄電池的放電和充電，接近可逆，而燃燒反應(yīng)則是強(qiáng)烈的不可逆過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中，若正向反應(yīng)能作出有用功，則在逆向反應(yīng)中必須由外界對(duì)反應(yīng)物系作功?？赡鏁r(shí)正向反應(yīng)作出的有用功與逆向反應(yīng)時(shí)所需加入的功絕對(duì)值相同，符號(hào)相反。可逆正向反應(yīng)作出的有用功最大，其逆向反應(yīng)時(shí)所需輸入的有用功的絕對(duì)值最小。§2熱力學(xué)第一定律在化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用

熱力學(xué)第一定律是普遍的定律，對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程也適用，是對(duì)化學(xué)過(guò)程進(jìn)行能量平衡分析的理論基礎(chǔ)。一.熱力學(xué)第一定律解析式反應(yīng)熱Q體積功W有用功WU實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程大量地是在溫度和體積或溫度和壓力近似保持不變的條件下進(jìn)行的。定溫定容反應(yīng)定溫定壓反應(yīng)

上述這些公式稱作熱力學(xué)第一定律的解析式，它們是根據(jù)第一定律得出的，不論化學(xué)反應(yīng)是可逆或不可逆的,均可適用。二、反應(yīng)的熱效應(yīng)(thermaleffect)和反應(yīng)焓(enthalpyofreaction)若反應(yīng)在定溫定容或定溫定壓下不可逆地進(jìn)行，且沒(méi)有作出有用功（因而這時(shí)反應(yīng)的不可逆程度最大），則這時(shí)的反應(yīng)熱稱為反應(yīng)的熱效應(yīng).反應(yīng)焓--定溫定壓反應(yīng)的熱效應(yīng)，等于反應(yīng)前后物系的焓差，以H表示。QV與Qp的關(guān)系：若物系從同一初態(tài)分別經(jīng)定溫定壓和定溫定容過(guò)程完成同一化學(xué)反應(yīng)，且其反應(yīng)物和生成物均可按理想氣體計(jì)，則定容熱效應(yīng)和定壓熱效應(yīng)的大小與反應(yīng)前后物質(zhì)的總摩爾數(shù)的變化有關(guān)，若總摩爾數(shù)增大，則定壓熱效應(yīng)大于定容熱效應(yīng)；若總摩爾數(shù)減小，則定壓熱效應(yīng)小于定容熱效應(yīng)；若摩爾數(shù)相同，則兩個(gè)熱效應(yīng)值相同。若反應(yīng)前后均無(wú)氣相物質(zhì)出現(xiàn)，由于可以忽略固相及液相的體積變化，則兩種情況下的熱效應(yīng)相同。熱效應(yīng)與反應(yīng)熱有所不同，反應(yīng)熱是過(guò)程量，與反應(yīng)過(guò)程有關(guān)，而熱效應(yīng)是專指定溫反應(yīng)過(guò)程中不作有用功時(shí)的反應(yīng)熱，是狀態(tài)量。三、標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng)—standardthermaleffect通常規(guī)定p=101325Pa，t=298.15K為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，這狀態(tài)下的熱效應(yīng)稱標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng)，用和分別表示標(biāo)準(zhǔn)定容熱效應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)定壓熱效應(yīng)。四、燃燒熱和熱值--heatingvalue;caloricvalue燃燒熱—1mol燃料完全燃燒時(shí)的熱效應(yīng)常稱為燃料的熱值—燃燒熱的絕對(duì)值高熱值—產(chǎn)物H2O為液態(tài)低熱值—產(chǎn)物H2O為氣態(tài)生成熱(thermaleffectofformation)—由單質(zhì)（或元素）化合成1mol化合物時(shí)的熱效應(yīng)，定溫定壓下的熱效應(yīng)等于焓差，故定溫定壓下的生成熱又稱為“生成焓”;分解熱—1mol化合物分解成單質(zhì)時(shí)的熱效應(yīng)。生成熱與分解熱的絕對(duì)值相等，符號(hào)相反標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的燃燒熱和生成熱分別稱為“標(biāo)準(zhǔn)燃燒焓”—standardenthalpyofcombustion和“標(biāo)準(zhǔn)生成焓”–standardenthalpyofformation。穩(wěn)定單質(zhì)或元素的標(biāo)準(zhǔn)生成焓規(guī)定為零。五、蓋斯定律當(dāng)反應(yīng)前后物質(zhì)的種類(lèi)給定時(shí)，熱效應(yīng)只取決于反應(yīng)前后狀態(tài)，與中間的反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)—蓋斯定律(Hesslaw)1）利用蓋斯定律或熱效應(yīng)是狀態(tài)量，可以根據(jù)一些已知反應(yīng)的熱效應(yīng)計(jì)算那些難以直接測(cè)量的反應(yīng)的熱效應(yīng)如因?yàn)樘既紵龝r(shí)必然還有CO2生成，所以上述反應(yīng)的熱效應(yīng)就不能直接測(cè)定，但根據(jù)蓋斯定律它可通過(guò)下列兩個(gè)反應(yīng)的熱效應(yīng)間接求得：據(jù)蓋斯定律據(jù)熱力學(xué)第一定律，反應(yīng)的熱效應(yīng)式中腳標(biāo)P和R分別表示反應(yīng)生成物和反應(yīng)物。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下則有如果不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，則反應(yīng)物和產(chǎn)物應(yīng)代入的是物質(zhì)的摩爾焓，物質(zhì)的摩爾焓可以根據(jù)公式：其中△H是物理過(guò)程焓差，取決于狀態(tài)變化。2）蓋斯定律也用來(lái)根據(jù)生成焓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算某些反應(yīng)的熱效應(yīng)，例如燃料的燃燒熱效應(yīng)。以定溫定壓反應(yīng)為例討論利用生成焓的數(shù)據(jù)計(jì)算燃燒反應(yīng)的熱效應(yīng)，即燃燒熱的方法。燃料熱值計(jì)算計(jì)算CH4在101.325kPa，25℃下完全燃燒時(shí)的低熱值。CH4+2O2=2H2O(g)+CO21mol燃料完全燃燒時(shí)熱效應(yīng)的絕對(duì)值常稱為燃料的熱值.若反應(yīng)在定溫定容或定溫定壓下不可逆地進(jìn)行，且沒(méi)有作出有用功（因而這時(shí)反應(yīng)的不可逆程度最大），則這時(shí)的反應(yīng)熱稱為反應(yīng)的熱效應(yīng).現(xiàn)在的燃燒是在定溫定壓下進(jìn)行，而且是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱效應(yīng)。燃料的低熱值就等于該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)定壓熱效應(yīng)，即Qp＝△H＝Hp－HRHp：水蒸汽和二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)生成焓HR：甲烷的標(biāo)準(zhǔn)生成焓水蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：hf0=-241827kJ/kmol;二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：hf0＝－393522kJ/kmol；甲烷的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：hf0＝－74873kJ/kmol；Qp＝△H＝Hp－HR＝2×（－241827)＋（－393522)－（－74873)＝－802303kJ/kmol甲烷的低熱值即為：802303kJ/kmol按下面幾種情況分別計(jì)算1kmol和1kg丙烷（C3H8)在101.325kpa，25℃時(shí)的熱值（已知丙烷氣化潛熱為370kJ/kg）1.液態(tài)丙烷和液態(tài)水（液態(tài)丙烷的高熱值）2.液態(tài)丙烷和氣態(tài)水（液態(tài)丙烷的低熱值）3.氣態(tài)丙烷和液態(tài)水（氣態(tài)丙烷的高熱值）4.氣態(tài)丙烷和氣態(tài)水（氣態(tài)丙烷的低熱值）分析：該題目求的依然是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱值，所以熱值即為生成物的標(biāo)準(zhǔn)生成焓與反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)生成焓之差的絕對(duì)值。反應(yīng)式：C3H8+5O2=3CO2+4H2O氣態(tài)丙烷的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：－103847kJ/kmol水蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：-241827kJ/kmol;二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：－393522kJ/kmol；液態(tài)丙烷的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：氣態(tài)丙烷到液態(tài)丙烷為一放熱過(guò)程，因此，液態(tài)丙烷的標(biāo)準(zhǔn)生成焓應(yīng)等于氣態(tài)丙烷標(biāo)準(zhǔn)生成焓－氣化潛熱液態(tài)水的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：水蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)生成焓－氣化潛熱液態(tài)丙烷的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：－120163kJ/kmol；液態(tài)水的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為：－285838kJ/kmol計(jì)算氣態(tài)丙烷在500k，0.1MPa時(shí)的熱值。已知25℃到500k間丙烷平均定壓比熱容為2.1kJ/kgk，氧氣的焓差為6088kJ/kmol；二氧化碳的焓差為8314kJ/kmol；水蒸汽的焓差為6920kJ/kmol。分析：在該狀態(tài)下進(jìn)行燃燒，水一定呈現(xiàn)水蒸汽的形式，因此，要求的是丙烷的低熱值。低熱值即為此溫度下的熱效應(yīng)，即此溫度下生成物的焓－反應(yīng)物的焓。由于不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，因此，此時(shí)的焓為標(biāo)準(zhǔn)生成焓與焓差之和。標(biāo)準(zhǔn)生成焓前面都已給出，焓差題目中也已給出，因此，各種物質(zhì)此時(shí)的焓為：丙烷的焓＝－103847kJ/kmol＋2.1×44×（500-278)理論空氣量：完全燃燒理論上所需要的空氣量；

過(guò)量空氣系數(shù)：實(shí)際空氣量與理論空氣量之比；燃燒過(guò)程放熱量計(jì)算：1kmol的乙烯（C2H4)氣體與3kmol的氧氣在25℃的剛性封閉容器中燃燒，通過(guò)向外散熱將燃燒產(chǎn)物冷卻至600k，求系統(tǒng)向外的傳熱量。取封閉容器為研究對(duì)象，為閉口系統(tǒng)。反應(yīng)物溫度為298.15k，生成物溫度為600k，設(shè)參與反應(yīng)的氣體可以按理想氣體處理，經(jīng)歷的定容過(guò)程，則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：C2H4+3O2=2CO2+2H2O則根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有：Q＝△U＝△（H-nRT）＝(H-nRT)產(chǎn)物－(H-nRT)反應(yīng)物產(chǎn)物為：水蒸汽；二氧化碳。水蒸汽600k下的焓值即為水蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)生成焓＋（25℃－600k下水蒸汽的焓差）二氧化碳與水蒸汽相似；反應(yīng)物為：乙烯和氧乙烯的標(biāo)準(zhǔn)生成焓查表即可；氧的標(biāo)準(zhǔn)生成焓即為0。一小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，以C8H18(液態(tài)辛烷）為燃料，進(jìn)入的空氣為400%的理論空氣量，燃料與空氣的溫度均為25℃，燃燒產(chǎn)物的溫度為800k。已知每消耗1kmol辛烷發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功676000kJ，假設(shè)完全燃燒，求發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外傳出的熱量。已知，從25℃到800k各種氣體的焓差：二氧化碳為22815kJ/kmol；水蒸汽為17991kJ/kmol；氧氣的為15841kJ/kmol；氮?dú)獾臑?5046kJ/kmol。分析：發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外傳出的熱量可以利用熱力學(xué)第一定律分析，選擇燃?xì)廨啓C(jī)為開(kāi)口系統(tǒng)，則發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外傳出的熱量根據(jù)熱力學(xué)第一定律應(yīng)該有：Q＝△H＋W其中W已知；△H即為生成物的焓與反應(yīng)物的焓之差，生成物有：二氧化碳、水蒸汽，還有沒(méi)有燃燒完的氧氣和沒(méi)有參與反應(yīng)的氮?dú)猓环磻?yīng)物有：液態(tài)辛烷，氧氣和氮?dú)狻＠碚撊紵郎囟仍跊](méi)有位能和動(dòng)能變化且對(duì)外不做功的系統(tǒng)中進(jìn)行絕熱化學(xué)反應(yīng)，燃燒所產(chǎn)生的熱全部加熱產(chǎn)物，因此燃燒產(chǎn)物高于反應(yīng)物的溫度。如果是在理論空氣量下進(jìn)行完全絕熱燃燒的，則燃燒產(chǎn)物可以達(dá)到最高溫度，該溫度稱為理論燃燒溫度。不完全燃燒或過(guò)量空氣均會(huì)使燃燒產(chǎn)物的溫度低于理論燃燒溫度。一氧化碳與理論空氣量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下分別進(jìn)入燃燒室，在其中經(jīng)歷定壓絕熱燃燒反應(yīng)生成二氧化碳，并和空氣中的氮?dú)庖黄鹋懦觥Ｔ囉?jì)算燃燒產(chǎn)物的理論燃燒溫度。已知氮?dú)夂投趸紡?5℃到Tk的焓差如下：求理論燃燒溫度，即要求此時(shí)產(chǎn)物和反應(yīng)物具有相同的焓值，可以先假設(shè)產(chǎn)物的溫度，然后進(jìn)行計(jì)算2500k，74312;2600k，77973;2700k，81659：N22500k，121926;2600k，128085;2700k，134256：CO2化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱力學(xué)第二定律分析化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的最大有用功穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)輸出功：技術(shù)功；電功；磁功可逆定溫反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)外做最大有用功此時(shí)最大有用功為：W=Q-△H可逆定溫反應(yīng)系統(tǒng)的熵變?yōu)椋骸鱏=Q/T；最大功為：W=T△S-△H=-△(H-TS)=-△G＝G1-G2即：可逆定溫反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)外做出的最大功為該系統(tǒng)吉布斯函數(shù)的減少量，即反應(yīng)物的吉布斯函數(shù)減去產(chǎn)物的吉布斯函數(shù)：W＝GR-GP標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，298.15k,101.325kpa下，單質(zhì)的吉布斯函數(shù)為零；由有關(guān)單質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下生成1kmol化合物時(shí)，生成反應(yīng)的吉布斯函數(shù)變化稱為該化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)，以gf0表示，單位為J/kmol或kJ/kmol。任意狀態(tài)下的吉布斯函數(shù)可由標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)計(jì)算：Gm(T,P)=gf0+[Gm(T,P)-gf0]吉布斯函數(shù)差值的計(jì)算（Gm(T,P)-gf0）由于：G＝H-TS；所以：Gm(T,P)-gf0＝△Gm＝(H-TS)m-(H-TS)b=△H-(TSm(T,P)-298.15Sm(298.15K,101.325KPa))△H即為任意狀態(tài)下的焓與標(biāo)準(zhǔn)生成焓之差；Sm(T,P)為任意狀態(tài)下的絕對(duì)熵；Sm(298.15K,101.325KPa)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)熵；絕對(duì)熵：相對(duì)于同一基準(zhǔn)的熵值，稱為絕對(duì)熵；絕對(duì)熵的基準(zhǔn)：0k時(shí)穩(wěn)定平衡態(tài)物質(zhì)的熵值為零。例題：乙烯氣體與400%理論空氣量的空氣在燃燒室內(nèi)進(jìn)行定溫定壓反應(yīng)，壓力為101.325kpa，溫度為298.15k。離開(kāi)燃燒室的產(chǎn)物為氣態(tài)水、二氧化碳、氧氣和氮?dú)猓嚧_定該反應(yīng)過(guò)程的最大有用功。分析：該反應(yīng)過(guò)程的最大有用功應(yīng)該是在定溫可逆過(guò)程下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)所能做出的功，在該狀態(tài)下，最大功即為反應(yīng)物與生成物的吉布斯函數(shù)之差。由于反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，所以，最大功即為反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)與生成物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)之差。反應(yīng)物包含：乙烯，氧氣，氮?dú)?；只有乙烯有?biāo)準(zhǔn)吉布斯函數(shù)；生成物包含：水蒸汽，二氧化碳，氧氣，氮?dú)猓恢挥兴羝投趸加袠?biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)；查取：乙烯的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)為：68142kJ/kmol；水蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)為：－228583kJ/kmol；二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)為：－394407kJ/kmol。如果，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)，但可以查到標(biāo)準(zhǔn)生成焓和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)熵，就可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，從而得到想要的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯函數(shù)?；瘜W(xué)火用物理火用：工程熱力學(xué)中討論的熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)可逆物理過(guò)程達(dá)到與環(huán)境溫度、壓力相平衡的狀態(tài)（物理死態(tài)）時(shí)所能做出的最大有用功稱為物理火用。當(dāng)熱力系處于環(huán)境死態(tài)時(shí)，其不具備做功能力，所具有的物理火用為零?；瘜W(xué)火用：系統(tǒng)中如果含有化學(xué)物質(zhì)的組成或成分與環(huán)境死態(tài)中化學(xué)物質(zhì)的組成或成分不同時(shí)，系統(tǒng)依然具有做功能力。系統(tǒng)在物理死態(tài)下，經(jīng)歷可逆物理（擴(kuò)散）或化學(xué)（反應(yīng)），使其與環(huán)境達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)所能提供的那部分最大有用功稱為系統(tǒng)的化學(xué)火用。

化學(xué)火用概念分析當(dāng)不考慮化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)組成時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到環(huán)境狀態(tài)即為系統(tǒng)處于死態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)不具備做功能力，此火用值為零。但當(dāng)考慮化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)組成時(shí)，系統(tǒng)雖然處于死態(tài)，但其化學(xué)組成若于環(huán)境不同，則其具備做功能力。例如：環(huán)境狀態(tài)下的純氧，由于只有氧氣，其氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)為1；但環(huán)境中，空氣中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)為0.2034，因此，當(dāng)純氧在空氣中進(jìn)行物理擴(kuò)散，其摩爾分?jǐn)?shù)由1擴(kuò)散到0.2034所能做出的最大有用功即為純氧的化學(xué)火用。純氧的化學(xué)火用為其做出的最大有用功，即為初始純氧與擴(kuò)散終了氧氣的吉布斯函數(shù)之差。純氧從初始的298.15k、101.325kpa，變化到298.15k、20.609kpa（氧氣在空氣中的分壓力）因此，純氧的火用為：EX=H1-H2-298.15(S1-S2)=298.15Rln(101.325/20.609)因?yàn)椋篐1-H2,由于理想氣體的焓只是溫度的單值函數(shù)，因此該值為零；S1-S2＝－Rln(101.325/20.609)燃料化學(xué)火用計(jì)算：試分析乙烯的化學(xué)火用根據(jù)火用方程，應(yīng)該有化學(xué)反應(yīng)物的火用＝產(chǎn)物火用＋反應(yīng)對(duì)外做出的最大有用功根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式：C2H4+3O2＋N2=2CO2+2H2O＋N21mol乙烯反應(yīng)理論空氣量為12mol空氣，9mol氮?dú)?；但現(xiàn)在是理論空氣量的4倍，所以參與反應(yīng)的氧氣為12mol，氮?dú)鉃?6mol。反應(yīng)物有：1mol乙烯、12mol氧、36mol氮；產(chǎn)物有：2mol二氧化碳、2mol水蒸汽、9mol氧氣和36mol氮?dú)?；氧氣、二氧化碳、水蒸汽的化學(xué)火用按照純氧化學(xué)火用的求取方法，即可以得到，將它們代入，可以得到乙烯的化學(xué)火用。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)，乙烯的化學(xué)火用與燃料燃燒時(shí)對(duì)外做出的最大有用功十分接近，因此，可以直接用燃燒反應(yīng)的吉布斯函數(shù)變化量來(lái)表示燃料的化學(xué)火用；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，燃料化學(xué)火用與燃料的高熱值很接近，也經(jīng)常用高熱值來(lái)表示燃料的化學(xué)火用。火用損失（做功能力損失）實(shí)際燃燒反應(yīng)中，燃料的化學(xué)火用并不表現(xiàn)為對(duì)外界做出最大功，而通常是經(jīng)過(guò)燃燒產(chǎn)物的焓火用或熱能加以利用，在這種轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)用火用損，引起做功能力的損失，而這個(gè)火用損，同樣可以利用T0△Siso來(lái)進(jìn)行計(jì)算?！鱏iso為反應(yīng)系統(tǒng)與環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)的熵增，該熵增可以利用開(kāi)口系統(tǒng)熵方程進(jìn)行求解。對(duì)于穩(wěn)定反應(yīng)過(guò)程，該熵增即為物質(zhì)熵流與熱熵流之差。物質(zhì)熵流為流出系統(tǒng)的物質(zhì)熵減去流入系統(tǒng)的物質(zhì)的熵，即為產(chǎn)物熵－反應(yīng)物熵?zé)犰亓?，是指反?yīng)系統(tǒng)與外界交換熱量與環(huán)境溫度的比值例題：乙烯氣體與400%理論空氣量的空氣在燃燒室內(nèi)進(jìn)行定壓絕熱反應(yīng)，對(duì)外不做功，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為燃燒產(chǎn)物的熱能，試確定此反應(yīng)過(guò)程的熵產(chǎn)和燃燒火用損。初始?jí)毫?01.325kpa，溫度為298.15k。離開(kāi)燃燒室的產(chǎn)物為氣態(tài)水、二氧化碳、氧氣和氮?dú)狻2H4+12O2＋36N2=2CO2+2H2O＋36N2＋9O2題目中要求熵產(chǎn)和火用損，應(yīng)該求熵產(chǎn)。熵產(chǎn)根據(jù)表達(dá)式，應(yīng)該為熱熵流與物質(zhì)熵流之和。熱熵流為零，應(yīng)為為絕熱反應(yīng)。物質(zhì)熵流應(yīng)為產(chǎn)物的熵減去反應(yīng)物的熵。反應(yīng)過(guò)程中壓力不變，但溫度變化，若想知道反應(yīng)物和產(chǎn)物的絕對(duì)熵，應(yīng)該知道它們的溫度。反應(yīng)物的溫度已知，但產(chǎn)物溫度未知，所以先求產(chǎn)物的溫度：由于不對(duì)外做功，全部轉(zhuǎn)換為產(chǎn)物的熱能，因此，首先計(jì)算燃燒產(chǎn)物的溫度。由于進(jìn)行的是定壓絕熱反應(yīng)，過(guò)程與外界無(wú)熱量交換，對(duì)外不做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，應(yīng)該有產(chǎn)物的焓等于反應(yīng)物的焓。反應(yīng)物焓：乙烯的標(biāo)準(zhǔn)生成焓；產(chǎn)物焓：二氧化碳、水蒸汽、氮?dú)夂脱鯕獾撵?，為?biāo)準(zhǔn)生成焓與焓差之和。首先假設(shè)產(chǎn)物溫度，然后查取焓差，最后計(jì)算出產(chǎn)物實(shí)際溫度?；瘜W(xué)平衡利用熱力學(xué)第二定律研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的方向、條件和限度系統(tǒng)：理想氣體的簡(jiǎn)單可壓縮反應(yīng)系統(tǒng)一、化學(xué)反應(yīng)方向和限度的判據(jù)1.孤立系統(tǒng)的熵增判據(jù)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)和相關(guān)外界組成孤立系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，該孤立系統(tǒng)熵增應(yīng)該大于等于零。其中，dS為化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的熵變；為化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)從外界吸收的熱量。從上式發(fā)現(xiàn)，孤立系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的一切不可逆或自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)均會(huì)使孤立系統(tǒng)朝熵值增大的方向發(fā)展，直至熵值增大到最大，此時(shí)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡，孤立系統(tǒng)達(dá)到平衡。2.定溫定容反應(yīng)系統(tǒng)的平衡判據(jù)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)發(fā)生定溫定容反應(yīng)過(guò)程時(shí)，對(duì)外界無(wú)任何形式的功輸出，其與環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)的熵增方程應(yīng)該為：簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)發(fā)生自發(fā)的定溫定容反應(yīng)過(guò)程時(shí)，總是使系統(tǒng)的海姆霍茲函數(shù)減小，當(dāng)海姆霍茲函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡，所以，定溫定容簡(jiǎn)單可壓縮反應(yīng)系統(tǒng)的平衡判據(jù)為：3.定溫定壓反應(yīng)系統(tǒng)的平衡判據(jù)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)發(fā)生定溫定壓反應(yīng)過(guò)程時(shí)，對(duì)外界無(wú)技術(shù)功輸出，其與環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)的熵增方程應(yīng)該為：簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)發(fā)生自發(fā)的定溫定壓反應(yīng)過(guò)程時(shí)，總是使系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)減小，當(dāng)吉布斯函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡，所以，定溫定壓簡(jiǎn)單可壓縮反應(yīng)系統(tǒng)的平衡判據(jù)為：