有效能與過(guò)程的熱力學(xué)分析

崔洪友山東理工大學(xué)化工學(xué)院2007-12-09化工熱力學(xué)Chem.Eng.Thermodynamics上節(jié)內(nèi)容回顧熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律第六章流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)基本原理及應(yīng)用§6.4有效能及過(guò)程熱力學(xué)分析主要內(nèi)容：引言有效能、無(wú)效能理想功、損失功及其計(jì)算有效能的計(jì)算有效能與理想功的區(qū)別與聯(lián)系引言能量不僅有數(shù)量、而且有質(zhì)量（品位）。例如，1kJ功和1kJ熱，從熱力學(xué)第一定律來(lái)看，它們?cè)跀?shù)量上是相等，但從熱力學(xué)第二定律來(lái)看，它們的質(zhì)量并不相等，功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，而熱不能全部轉(zhuǎn)化為功。學(xué)習(xí)目的：掌握一些基本的概念，為以后分析化工過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況，改進(jìn)工藝過(guò)程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基礎(chǔ)。思考：（1）在冬天用電爐取暖和制熱空調(diào)取暖，哪種方式的效率更高？（2）試分析以下火力發(fā)電過(guò)程?？偰芰糠治鲇行芊治銎渌?.4.1有效能與無(wú)效能的概念(1)能量的分類按可轉(zhuǎn)化為有用功的能力，分為三類：⑴高(品）質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如電能、機(jī)械能；⑵僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量；⑶低（品）質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如熱量和以熱量形式傳遞的能量。

6.4.1有效能與無(wú)效能的概念為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態(tài)下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。有效能：一定形式的能量,可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí),理論上所能做出的最大有用功。常用B或Ex表示；無(wú)效能：理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量。常用El表示。推論高質(zhì)能量=有效能僵態(tài)能量=無(wú)效能低質(zhì)能量=有效能+無(wú)效能。

(1)機(jī)械能、電能的有效能機(jī)械能和電能全部是有效能，即

EX=W（2）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?；み^(guò)程中主要涉及：與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過(guò)程（熱有效能）；與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過(guò)程（壓力有效能）。6.4.2有效能的形式（3）化學(xué)有效能

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)交換或化學(xué)反應(yīng)，最后達(dá)到與環(huán)境平衡時(shí)，所能做的最大有用功。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。

6.4.3理想功、損失功理想功：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。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T0和壓力P0=0.1013MPa的狀態(tài)。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)。1理想功的定義

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T0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=T0ΔS體系忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化2穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系理想功計(jì)算公式的推導(dǎo)穩(wěn)流過(guò)程的理想功只與狀態(tài)變化有關(guān)，即與初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0有關(guān)，而與變化的途徑無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，只要初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0相同，無(wú)論是否可逆過(guò)程，其理想功相同。理想功與軸功的區(qū)別：理想功是完全可逆過(guò)程所作的功，它在與環(huán)境換熱Q過(guò)程中使用卡諾熱機(jī)作可逆功。若對(duì)外做功，WidWs若對(duì)內(nèi)做功，Wid

Ws3理想功的特點(diǎn)例1例2

4損失功的定義

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)程的理想功之差稱為損失功。5穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程損失功由于環(huán)境可視為恒溫?zé)嵩?，Q相對(duì)環(huán)境而言，是可逆熱，但是用于環(huán)境時(shí)為負(fù)號(hào)，即-Q＝T0ΔS0。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，ΔS總≥0，所以實(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。損失功不是狀態(tài)函數(shù)，與過(guò)程有關(guān)。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。6損失功的特征6.4.4有效能的計(jì)算有效能：在一定狀態(tài)下，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。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)(T0,P0)時(shí)穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能EX為:變溫過(guò)程的熱有效能

A熱有效能溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒崃縌,其有效能按卡諾熱機(jī)所能做的最大功計(jì)算：

B

壓力有效能對(duì)于理想氣體每摩爾理想氣體的壓力有效能為6.4.5理想功與有效能的區(qū)別和聯(lián)系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。小結(jié)本節(jié)主要介紹了有效能、無(wú)效能、理想功和損失功四個(gè)概念；主要學(xué)習(xí)了有效能、理想功和損失功的計(jì)算方法并比較了理想功和有效能之間的區(qū)別和聯(lián)系。作業(yè)1.思考題：在化工生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高能量的利用率，應(yīng)如何利用化工廠的低壓乏汽和熱水？采用什么途徑可以將化石燃料轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，不受卡諾效率的限制？2.P172計(jì)算題的第3小題例1計(jì)算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程中N2從813K、4.052MPa變到373K、1.013MPa時(shí)可做的理想功。（可視N2為理想氣體）

N2的等壓熱容Cp=27.89+4.271×10-3TkJ/(kmol·K),T0=293K。解：例2

求298K，0.1013MPa的水變成273K和同壓力下的冰的過(guò)程的理想功。設(shè)環(huán)境溫度分別為(1)298K；(2)248K。解：忽略壓力的影響。查得有關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)溫度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kg·K))H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)環(huán)境溫度為298K，高于冰點(diǎn)時(shí)表明若使水變成冰，需用冰機(jī)，理論上應(yīng)消耗的最小功為35.04kJ/kg。(2)環(huán)境溫度為248K，低于冰點(diǎn)時(shí)

當(dāng)環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水變成冰，不僅不需要消耗外功，而且理論上可以回收的最大功為44.61kJ/kg。

此例進(jìn)一步表明:理想功不僅與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度有關(guān)。例3比較l.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa，573K的過(guò)熱蒸氣的有效能大小。取環(huán)境狀態(tài)P＝0.1013MPa、T0＝298.15K，并就計(jì)算結(jié)果對(duì)蒸氣的合理利用加以討論。解：

P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kg(S-S0)/kJ/kg/KEx/kJ/kg水

0.1013298.15飽和