第5章 化工過程的能量分析-y化工熱力學.ppt

1、2020/7/8,第五章 化工過程的能量分析,2020/7/8,本章內(nèi)容,5.0 熱力學基本概念復習 5.1 熱力學第一定律與能量平衡方程 5.2 熱功轉換 5.3 熵 5.4 理想功和損失功 5.5 火用及其計算,2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,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,2020/7/8,1、體系與環(huán)境,體系（System）,在科學研究時必須先確定研究對象，把一部分物質與其余分開，這種分離可以是實際的，也可以是想象的。這種被劃定的研究對象稱為體系，亦稱為物系或系統(tǒng)。,環(huán)境（surroundings）,與體系密切相關、有相互作用或影響所能及的部分稱

2、為環(huán)境。,2020/7/8,體系分類,根據(jù)體系與環(huán)境之間的關系，把體系分為三類：,（1）敞開體系 體系與環(huán)境之間既有物質交換，又有能量交換。,（2）封閉體系 體系與環(huán)境之間無物質交換，但有能量交換。,2020/7/8,體系分類,（3）孤立體系（isolated system） 體系與環(huán)境之間既無物質交換，又無能量交換，故又稱為隔離體系。有時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。,2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,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)不隨時間而改變，則稱體系處于熱力學平衡狀態(tài)。 熱

3、平衡，力平衡，相平衡，化學平衡，即溫度差，壓力差，化學位差均為零。 狀態(tài)函數(shù)：由于體系的各種宏觀性質，是所處狀態(tài)的單值函數(shù)，所以熱力學把各種宏觀性質稱為狀態(tài)函數(shù)。 常用的狀態(tài)函數(shù)有P，V，T，U，H，S，A，G,2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,“狀態(tài)一定值一定，殊途同歸值變等，周而復始變化零。” 循環(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（當然 S總0),2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,3、過程 指體系自一平衡狀態(tài)到另一平衡狀態(tài)的轉換 對某一過程的描寫：初態(tài)+終態(tài)+路徑. 不可逆過程：一個單向過程發(fā)生之后一定留下一些痕跡，無論用何種方法也

4、不能將此痕跡完全消除，在熱力學上稱為不可逆過程 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,2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,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，推動力無限小，可以忽略不計。,可逆過程：當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，不僅體系能恢復到原來狀態(tài)，而且而環(huán)境也能恢復到原來狀態(tài)而不留下任何痕跡。（循環(huán)過程是否是可逆過程？）,2020/7/8,2）若

5、是可逆過程，位的梯度即推動力需為無限小；若存在推動力則是實際過程，而非可逆過程。 3）可逆過程是實際過程中只能趨近而永遠不能實現(xiàn)的理想過程，其本質是狀態(tài)變化的推動力與阻力無限接近 ，體系始終無限接近平衡狀態(tài)。 4）但它是熱力學中極為重要的概念，是作為實際過程中能量轉換效果比較的標準。 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。 體系對外做最大功。 體系對外吸收最小功。 6）很多熱力學關系式是在可逆過程的前提下推導出來的。如：,2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,4、熱和功 1）熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，與途徑有關。 2）熱和功只是能量的傳遞形式，而不是貯存形

6、式。當能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。 U+ 熱力學第一定律 3） 按照國際規(guī)定: :體系吸熱為正，0，體系放熱為負,0 ，體系對環(huán)境作功,0,2020/7/8,5.0 熱力學基本概念復習,特別提醒： 過去的教材中習慣用U = Q - W表示，兩種表達式完全等效，只是W的取號不同。用該式表示的W的取號為：環(huán)境對體系作功， W0 。 本新版教材用的是U+，敬請注意！ 4)熱的推動力是溫差。 功的推動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。,2020/7/8,5.1熱力學第一定律與能量平衡方程,5.1.1 熱力學第

7、一定律 5.1.2 穩(wěn)定流動體系的熱力學原理 5.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應用,2020/7/8,5.1.1熱力學第一定律,U+,只適合封閉體系!,熱力學第一定律的數(shù)學表達式：,2020/7/8,5.1.2穩(wěn)定流動體系的熱力學原理,穩(wěn)定流動 敞開體系 穩(wěn)定、連續(xù)、流進、流出，不隨時間變化，沒有能量和物料的積累。 化工過程中最常用,不能用U+來表達!,2020/7/8,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 質的能量、能量傳遞的兩種形式。 1、物質的能量E(以1kg為基準) 動能：Ek= u2/2 內(nèi)能：U=f(T,P, x) 位能： EP= gZ 2、能量傳遞的兩種形式

8、(以1kg為基準) 在各種熱力學過程中，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。,2020/7/8,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。,功W： 1.對流動系統(tǒng)：包括兩部分 (1) 流體通過機械設備的旋轉軸與環(huán)境所交換的能量，稱為軸功Ws。 (2)物料在連續(xù)流動過程中，由于流體內(nèi)部相互推動所交換的功，稱為流動功Wf =PV。,管道截面積A m2,1kg流體,Vm3/kg,P,流動功F.S =（P.A）.(V/A) = PV J/K g,2020/7/8,注意： *熱和功只是在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身

9、具有的能量，故不能說“某物質具有多少熱或功”。 當能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。 如：在換熱設備中，冷熱流體進行熱交換，結果是熱流體內(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.對非流動系統(tǒng)，特定設備（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。,2020/7/8,以1Kg為基準! 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E1 E1 = U1 + gZ1+ u12/2 截面2的能量E2 E2 = U2 + gZ2+ u22/2,5.1.2穩(wěn)定流動體系的熱力學原理,P1,V1,Z1,

10、u1,P2,V2,Z2,u2,2020/7/8,根據(jù)能量守恒原理： 進入體系能量=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)定流動體系的熱力學原理,2020/7/8,穩(wěn)定流動體系的熱力學第一定理：,焓變,位能變化,動能變化,(4)式的計算單位建議用 J/kg；即以1Kg為基準!

11、,5.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應用,2020/7/8,一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置,噴嘴,擴壓管,節(jié)流閥,透平機,壓縮機,混合裝置,換熱裝置,2020/7/8,應用中的簡化 1）流體通過壓縮機、膨脹機 u20，g Z0 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 高壓高溫蒸汽帶動透平產(chǎn)生軸功。,5.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應用,2020/7/8,2）流體通過換熱器、管道、混合器 Ws=0，u2=0，g Z=0 H=Q 如發(fā)生化學反應，相變化，溫度變化時，與環(huán)境交換的熱量（反應熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。,5.1.3 穩(wěn)流體系能量平

12、衡方程及其應用,體系狀態(tài)變化，如,化學反應,相變化,溫度變化,反應熱,相變熱,顯熱,Q,用于精餾、蒸發(fā)、吸收、結晶過程,2020/7/8,3）流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，如節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程。 Ws=0，u2=0，g Z=0 ，Q=0 H=0,5.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應用,2020/7/8,4）流體通過噴嘴獲得高速氣體（超音速） 例：火箭、化工生產(chǎn)中的噴射器。 Q=0，g Z=0 ， Ws=0 H= -u2/2 ； u2 u1,5.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應用,2020/7/8,5）對封閉體系，退化為封閉體系熱力學第一定律 u2=0，g Z=0 。 H= Q + WS 又

13、 H=U+ PV U=Q + W,5.1.3 穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應用,=Q + W- Wf,= Q + W+ P1V1 -P2V2,流動功Wf= P1V1 -P2V2,2020/7/8,熱力學第一定律應用注意事項,1、注意區(qū)別： U=Q + W 封閉體系 H=Q +Ws 穩(wěn)定流動體系 2、注意符號： 熱量：體系吸熱為正（+），體系放熱為負（-） ； 功：外界對體系做功為正（+），體系對外做功為負（-） 。,2020/7/8,例 1 1.5MPa的濕蒸汽在量熱計中被節(jié)流到0.1MPa和403.15K，求濕蒸汽的干度,解,節(jié)流過程無功的傳遞，,忽略散熱、,動能變化,和位能變化,130,H2,

14、例題,2020/7/8,1.5MPa 飽和液體焓值 Hl=844.9 kJ/kg 飽和蒸汽焓值 Hg=2792.2 kJ/kg,2020/7/8,5.2 熱功轉換,5.2.1 熱功轉換的不等價性 5.2.2 熱力學第二定律 5.2.3 熱機工作原理 5.2.4 熱機效率 5.2.5 卡諾循環(huán) 5.2.6 可逆機的效率,2020/7/8,5.2.1 熱功轉換的不等價性,熱功轉換的不等價性 功可以100%轉變?yōu)闊?熱不可能100%轉變?yōu)楣Α?熱、功的不等價性正是熱力學第二定律所表述的一個基本內(nèi)容。,2020/7/8,自然界的現(xiàn)象,水往低處流,氣體由高壓向低壓膨脹,2020/7/8,熱由高溫物體傳向

15、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。,2020/7/8,5.2.2 熱力學第二定律,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?！?開爾文（Kelvin）的說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它的變化?！?2020/7/8,5.2.3 熱機工作原理,熱機工作原理： 工質從高溫T1熱源吸收Q1的熱量，一部分通過熱機用來對外做功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=

16、0 W=Q1-Q2,熱機示意圖,2020/7/8,5.2.4 熱機效率,熱機效率：將熱機所作的功W與所吸的熱Q1之比稱為熱機效率, 用表示。 熱機效率大小與過程的可逆程度有關。 卡諾定理：所有工作于同溫熱源和同溫冷源之間的熱機，其效率都不能超過可逆機，即可逆機的效率最大。,2020/7/8,5.2.5 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）,等溫可逆膨脹,絕熱可逆膨脹,等溫可逆壓縮,絕熱可逆壓縮,2020/7/8,T,S,等溫可逆膨脹,絕熱可逆膨脹,等溫可逆壓縮,絕熱可逆壓縮,5.2.5 卡諾循環(huán)（Carnot cycle）,卡諾定理推論：所有工作于同溫熱源與同溫冷源之間的可逆機，其熱機效率都相

17、等，即與熱機的工作物質無關。,卡諾定理的意義：解決了熱機效率的極限值問題。,2020/7/8,5.2.6 可逆機的效率,Tl高溫熱源的溫度，K。 最高限為鍋爐的使用極限，約450oC。 T2低溫熱源的溫度，K。 最低限為環(huán)境溫度。南京夏天30oC，北極-50oC 南京夏天max =58%；北極 max =79%。 火力發(fā)電廠的熱效率大約為40%,2020/7/8,5.3 熵,5.3.1 熵的定義及應用 5.3.2 熵增原理 5.3.3 熵變的計算 5.3.4 熵平衡,2020/7/8,熱力學第二定律的本質與熵的概念,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為熱轉換為功的不可逆性。

18、,一切不可逆過程都是向混亂度增加的方向進行，而熵函數(shù)可以作為體系混亂度的一種量度。,2020/7/8,5.3.1 熵的定義及應用,1、熵S的定義,P,V,A,B,C(可逆),D (可逆),F (不可逆),任意可逆過程的熱溫商的值決定于始終狀態(tài)，而與可逆途徑無關，這個熱溫商具有狀態(tài)函數(shù)的性質。,2020/7/8,2、不可逆過程的熵變 由于S是狀態(tài)函數(shù)，體系不可逆過程的熵變 ，與可逆過程的熵變相等 3、Clausius 不等式,P,V,A,B,C(可逆),D (可逆),F (不可逆),5.3.1 熵的定義及應用,2020/7/8,總結(1)、(2)式得(3)式,“” 號為不可逆過程；“=” 號為可

19、逆過程,Clausius 不等式,4、對于孤立體系：Q=0,熵增原理：一個孤立體系的熵永不減少。,5.3.1 熵的定義及應用,2020/7/8,“” 號為自發(fā)過程， “=” 號為可逆過程,任何一個體系與它的環(huán)境捆綁在一起均可看作一個孤立體系!,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,5.3.1 熵的定義及應用,2020/7/8,5.3.1 熵的定義及應用,5、對于絕熱體系（Q體系=0 ；Q環(huán)境=0 ）,1）絕熱可逆過程,絕熱體系 Q體系=0,環(huán)境 Q環(huán)境=0,2020/7/8,2）絕熱不可逆過程（Q體系=0 ；Q環(huán)境=0 ）,這是因

20、為不管體系發(fā)生的是否可逆過程，由于環(huán)境的熱源無限大，環(huán)境的變化可視為可逆過程。,5.3.1 熵的定義及應用,2020/7/8,例3：某一鑄鋼（Cp=0.5KJ /Kg K ），重量為40Kg，溫度為4500C，用150Kg，250C的油（Cp=2.5KJ /KgK ）冷卻。假使沒有熱損失，則以下各項熵的變化為多少？1）鑄鋼；2）油；3）兩者一起考慮。并判斷過程是否自發(fā)的。 解：鑄鋼散失的熱為Q1=150*0.5（T-450）；油獲取的熱為Q2=150*2.5（T-25）。Q1=-Q2 解得T=46.520C,答：該過程是自發(fā)過程。,5.3.1 熵的定義及應用,2020/7/8,5.3.2 熵增

21、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則。當總熵值達到最大，也即體系達到了平衡。 應用熵增原理時應注意： 孤立體系 總熵變,2020/7/8,5.3.3 熵變的計算,僅有PVT變化的熵變,有相變過程的熵變,環(huán)境的熵變,2020/7/8,1、有PVT變化的熵變,熵變的計算,用EOS計算 1）理想氣體（物理化學中學過） 2）真實氣體用SRK,PR方程 需要特別指出的是：工程上多數(shù)使用圖表直接得到不同狀態(tài)的S（第三章），繼而得到熵變。,2020/7/8,理想氣體有PVT變化的熵變（物化中學過）,(1)理想氣體等溫變化,(2)物質的量一定的等容變溫過程

22、,(3)物質的量一定的等壓變溫過程,2020/7/8,理想氣體有PVT變化的熵變（物化中學過）,2). 先等溫后等壓,* 3). 先等壓后等容,(4)物質的量一定從 到 的過程。這種情況一步無法計算，要分兩步計算，有三種分步方法：,1.) 先等溫后等容,2020/7/8,熵變的計算,(1)體系可逆變化：,(2)體系是不可逆變化時：,3、環(huán)境的熵變,2、有相變過程的熵變,等溫等壓可逆相變（若是不可逆相變，應設計可逆過程）,2020/7/8,等溫變化的熵變例題,例4：1mol理想氣體在20oC下等溫，由10 atm變化到1atm ： (1)可逆膨脹，(2)不可逆膨脹，(3)真空膨脹，分別求其熵變。

23、 解：,體系，理想氣體 10atm,20oC,體系，理想氣體 1atm,20oC,環(huán)境 1atm,20oC,環(huán)境 1atm,20oC,1）可逆過程,U=Q + W,2020/7/8,等溫變化的熵變例題,2）不可逆過程,U=Q + W,2020/7/8,等溫變化的熵變例題,3)真空膨脹,4)比較,不可逆性越大，總熵變越大！,2020/7/8,相變過程的熵變例題,例5：求1mol過冷水在1atm，-10oC的凝固為冰的熵差。已知H2O在1atm、0oC的凝固熱為-6020J/mol，Cp冰=37.6J/mol.K；Cp水=75.3J/mol.K。,解,2020/7/8,相變過程的熵變例題,該過程是

24、自發(fā)進行的！,2020/7/8,相變過程的熵變例題,例6：有一股壓力為7.0MPa的水蒸汽，經(jīng)穩(wěn)流過程變成250C的飽和水，求體系的熵變。,這些物化的方法太繁！ 怎么辦？,2020/7/8,相變過程的熵變例題,化工熱力學的方法：1）先用公式計算好數(shù)據(jù)畫成圖表（第三章S、H的計算） ；2）應用時查圖表直接得到不同狀態(tài)的S ，繼而得到熵變。 更現(xiàn)代的方法是直接用EOS計算。,S體系=0.3674-5.8133=-5.445 KJ/Kg.K,查水蒸汽表：,該方法簡單，直接！,2020/7/8,熵及熵增原理小結,2020/7/8,5.3.4 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過程

25、熵的變化，它可以精確地衡量過程的能量有效利用,2020/7/8,5.3.4 熵平衡,敞開體系的熵平衡方程,2020/7/8,5.3.4 熵平衡,1、應用于封閉體系,2、應用穩(wěn)定流動過程,2020/7/8,5.3.4 熵平衡,例7：有人有一發(fā)明如下，請判斷它的可行性,高溫儲熱器,冷卻水,2020/7/8,5.3.4 熵平衡,解題思路：是否同時符合熱力學第一、第二定律（能量守恒、總熵變 0 ）,答：不可行,P.111例 5-4,2020/7/8,5.4 理想功和損失功,理想功Wid 損失功WL 熱力學效率,2020/7/8,復習：功與過程,設在定溫下，一定量理想氣體在活塞筒中克服外壓 ,經(jīng)4種不同

26、途徑，體積從V1膨脹到V2所作的功。,體系所作的功如陰影面積所示。,膨脹過程：,1.自由膨脹（free expansion）,2.等外壓膨脹（pe保持不變）,2020/7/8,復習：功與過程,P2， V2,P1， V1,3.多次等外壓膨脹,2020/7/8,復習：功與過程,4.可逆膨脹過程,2020/7/8,在外壓為 P1 下，一次從 V2 壓縮到 V1 ，環(huán)境對體系所作的功為：,復習：功與過程,1.一次等外壓壓縮,壓縮過程,將體積從V2 壓縮到V1 ，有如下三種途徑：,P2， V2,P1， V1,2020/7/8,復習：功與過程,P2， V2,P1， V1,2.多次等外壓壓縮,2020/7/

27、8,復習：功與過程,3.可逆壓縮,2020/7/8,復習：功與過程小結,從以上的膨脹與壓縮過程看出，功與變化的途徑有關。雖然始終態(tài)相同，但途徑不同，所作的功也大不相同。顯然，可逆膨脹，體系對環(huán)境作最大功；可逆壓縮，環(huán)境對體系作最小功。,2020/7/8,在絕熱過程中，體系與環(huán)境間無熱的交換，但可以有功的交換。根據(jù)熱力學第一定律：,這時，若體系對外作功，熱力學能下降，體系溫度必然降低，反之，則體系溫度升高。因此絕熱壓縮，使體系溫度升高，而絕熱膨脹，可獲得低溫。,復習：絕熱可逆過程的功,U=Q + W,2020/7/8,復習：絕熱過程的功,絕熱可逆過程的膨脹功,理想氣體等溫可逆膨脹所作的功顯然會大

28、于絕熱可逆膨脹所作的功，這在P-V-T三維圖上看得更清楚。,在P-V-T三維圖上，黃色的是等壓面；蘭色的是等溫面；紅色的是等容面。,體系從A點等溫可逆膨脹到B點，AB線下的面積就是等溫可逆膨脹所作的功。,2020/7/8,復習：絕熱可逆過程的功,兩種功的投影圖,1、絕熱可逆過程的功（A-C),絕熱過程靠消耗內(nèi)能作功， 要達到相同終態(tài)V ， C點的T和P必低于B點。 問題：若要求兩過程終態(tài)壓力相同，請比較它們終態(tài)的T，V。,2、等溫可逆過程的功（A-B),2020/7/8,5.4 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現(xiàn)時，理論上可能產(chǎn)生的最大功或者必須消耗的最小功

29、。 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)境進行熱交換是可逆的。 理想功是一個理論的極限值，是實際功的比較標準。,2020/7/8,理想功,（1）非流動過程 U=Q + W 過程完全可逆，而且體系所處環(huán)境構成了一個溫度為T0的恒溫熱源。,理想功產(chǎn)生最大功；消耗最小功,2020/7/8,理想功,（2）穩(wěn)定流動過程,環(huán)境的溫度,2020/7/8,理想功,（3）說明 理想功Wid僅與體系狀態(tài)有關，與具體的變化途徑無關。 理想功Wid與環(huán)境的溫度T0有關。,2020/7/8,5.4 理想功和損失功,例8：有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功

30、，經(jīng)穩(wěn)流過程變成250C的水，求Wid(T0=298K),結論：1）高壓蒸汽的作功本領比低壓蒸汽強。 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。,2020/7/8,損失功,2、損失功WL ： 由于實際過程的不可逆性，將導致作功能力的損失。 損失功體系在給定狀態(tài)變化過程中該過程實際功Wac與所計算的理想功Wid的差值：,2020/7/8,損失功,損失功：與1）環(huán)境溫度T0；2）總熵變有關,過程的不可逆性越大，S總越大，WL就越大，因此應盡可能降低過程的不可逆性。,2020/7/8,熱力學效率,實際過程的能量利用情況可通過熱力學效率加以評定,2020/7/8,5.4 理想功

31、和損失功,例9：流動水由900C變?yōu)?00C，CP=1Cal/g.K，忽略壓差，求WL(T0=298K) 。,2020/7/8,例10（p.117例5-8）一臺蒸汽透平機，進入的是壓力為1570KPa和溫度為4840C的過熱蒸汽，排出的蒸汽壓力為68.7KPa。透平機中過程不是可逆也不是絕熱，實際輸出的功等于可逆絕熱時軸功的85%。由于保溫不完善，在環(huán)境溫度200C時，損失于環(huán)境的熱量為7.12kJ/kg，試求該過程的理想功、損失功及熱力學效率。 解：1）查表得蒸汽初態(tài) H1=3428kJ/kg， S1=7.488kJ/kg.K S2=7.488kJ/kg.K 2）68.7KPa下H2=265

32、9kJ/kg 3）可逆絕熱功WS WS= H -Q = H2 -H1 =-769kJ/kg Wac=85%WS=-653.7kJ/kg,T,S,P1= 1570KPa T1 = 4840C,P2=68.7KPa,2,1,2,2020/7/8,4）穩(wěn)流體系，忽略動能和位能差 實際過程Wac= H -Q H2 =H1+ Q+ Wac=3428-7.12-653.7=2767kJ/kg 5） 68.6KPa ，H2下的S2= 7.76kJ/kg.K（過熱蒸汽） S體系=（S2 - S1）=7.76-7.488=0.272kJ/kg.K 6）理想功 Wid= H -T0 S體系=（2767-3428）

33、- 293.15*0.272 =-740.7kJ/kg.K 7）損失功WL=T0S總 S環(huán)境=Q/T0=7.12/293.15=0.02425kJ/kg.K WL=T0S總=293.15（0.272+0.02425）=86.82kJ/kg 或WL=Wac-Wid=-653.7-（-740.7）=87kJ/kg 8）熱力學效率=Wac/ Wid =1- WL/ Wid =（1-86.82/740.6）*100%=88.28%,2020/7/8,5.5 火用,5.5.1 火用和 定義 5.5.2 火用的計算 5.5.3 火用的衡算及火用效率,2020/7/8,基本概念,能量不僅有數(shù)量，而且有質量（

34、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。 熱轉變?yōu)楣Φ男蕿?0%。 高壓蒸汽的做功能力高于低壓蒸汽。 高溫熱源產(chǎn)生的熱的品位比低溫熱源產(chǎn)生的熱的品位高。 大氣中的能量全部不能做功。,2020/7/8,5.5.1 火用和火無的 定義,1、火用( Ex) 做功的本領。 Exergy 中文別稱：有效能、可用能， 英文別稱：Available Energy, Availability、 Utilizable Energy 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

35、狀態(tài)(P0，T0)時所作出的最大有用功（即理想功）。 2、 不能轉變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰俊?2020/7/8,注意定義中： （1）由于是理想功，因此過程完全可逆。 （2）基準態(tài)：體系與環(huán)境處于平衡的狀態(tài)(P0，T0)被稱為基準態(tài)或寂態(tài)、熱力學死態(tài)，基準態(tài)下的Ex為0。 （3） Ex是一種熱力學性質，但它與內(nèi)能、熵和焓不同，除與始終態(tài)有關，還與選定的平衡態(tài)有關 。 （4）平衡：熱平衡，力平衡，化學平衡，相平衡,5.5.1 火用和火無的 定義,2020/7/8,（5）能量是用數(shù)量來衡量的；火用是用質量來衡量的（能級） 能級=火用/總能量 高級能級=1（電能、機械能）；低級能級=01；僵化=0（海水

36、、大氣） 總能量= 火用 + Exergy Axergy （6）能量僅包含熱力學第一定律，火用而包含了熱力學第一、二定律。,5.5.1 火用和火無的 定義,2020/7/8,5.5.2 火用的計算,1、穩(wěn)定流動體系的火用Ex,2020/7/8,1.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）研究對象不同，理想功是對兩個狀態(tài)而言，可正可負，而有效能是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關，只為正值。,穩(wěn)定流動體系的有效能（火用）Ex,比較：,5.5.2火用的 計算,2020/7/8,5.5.2 火用的 計算,2）理想功與有效能的聯(lián)系 當體系從狀態(tài)1到狀態(tài)

37、2時，此過程有效能的變化正好是此過程的理想功。 對狀態(tài)1 對狀態(tài)2 有效能變化為,2020/7/8,火用與理想功的區(qū)別,例11：1)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).,2020/7/8,火用與理想功的區(qū)別,例11：2) 7.0MPa蒸汽作功后變成1.0MPa蒸汽,求此過程的Wid和作功前后蒸汽具有的的有效能Ex(T0=298K）,2020/7/8,1、物理火用： 濃度、組成不變，T，P T0，P0引起的火用變化。 2、化學火用： T0，P0 T0，P0 ，但濃度、組成變化引起的火用變化。

38、3、功的火用即是功 4、動能、位能對火用的貢獻可忽略,擴散：濃度變化 化學反應：組成變化,熱的火用ExQ 壓力火用ExP,5.5.2 火用的 計算,火用,2020/7/8,1）熱的火用ExQ,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的恒溫熱源 按卡諾循環(huán)所轉化的最大功計算,5.5.2 火用的 計算,2020/7/8,2）壓力火用EXP,5.5.2 火用的 計算,2020/7/8,例12(例5-9教材P.120 ）：設有壓力為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0.101

39、3MPa， 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 計算,2020/7/8,5.5.2 火用的 計算,2020/7/8,分析： 1）壓力相同（1.013MPa ），過熱蒸汽的火用比飽和蒸汽大，所以其做功本領也大。 2）溫度相同（573K）高壓蒸汽的作功本領比低壓蒸汽強。 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，并可減少設備費用。 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%。 結論： 1）一般供熱用0.51.0MPa（1501800C）的飽

40、和蒸汽。 2）高壓蒸汽（10MPa）用來做功。溫度在3500C以上的高溫熱能（如煙道氣），用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源，。,5.5.2 火用的 計算,2020/7/8,Ex2,Ex1,Q,WRS,1、火用衡算,一切不可逆過程伴隨著火用的損失, 可逆過程,5.5.3 火用的衡算及火用效率,進入過程或設備的火用總和,離開過程或設備的火用總和,不可逆過程：,2020/7/8,典型過程的有效能損失,傳熱過程 傳熱過程在實際當中我們是經(jīng)常碰到的，當兩種溫度不同的物質接觸時，熱量就會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

41、溫物體放出的熱量的有效能為：,2020/7/8,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，實際工業(yè)生產(chǎn)中，在滿足工藝條件下，要盡量減小溫差。,2020/7/8,穩(wěn)流體系,u20，gZ0，Q=0；Ws=0,對于管道流動，一般情況下，無熱交換無軸功,H= 0,結論：ELdP壓力降 穩(wěn)流過程的有效能損失是由于阻力引起的,2020/7/8,2、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,2020/7/8,2)目的火用效率 -最常用,例題:P126-133,例5-12,5-1

42、3,5-14,5-15,5.5.3 火用的衡算及火用效率,2020/7/8,例題,例13（5-14 ）氨廠的高壓蒸汽系統(tǒng)，每小時產(chǎn)生3.5 t的中壓冷凝水。如通過急速閃蒸，由于壓力驟然下降，可產(chǎn)生低壓蒸汽?，F(xiàn)有兩種回收方案: 方案A是將中壓冷凝水先預熱鍋爐給水，然后在閃蒸中產(chǎn)生較少量的低壓蒸汽，鍋爐給水流量為3.5t/h,預熱前后溫度分別為20，80。 方案B是通過閃蒸氣產(chǎn)生較多的蒸汽，中壓冷凝水為1.908Mpa,210,在閃蒸氣中激素降壓至0.4756Mpa,以產(chǎn)生0.4756Mpa 的低壓蒸汽與冷凝水. 如忽略過程的熱損失,環(huán)境的溫度為20.試計算A,B兩種方案的有效能損失,并比較計算結

43、果.,2020/7/8,閃蒸器,閃蒸器,1,2,3,1,2,3,4,中壓冷凝水 3.5t/h,1.908MPa,210,H1=897.76KJ/kg,S1=2.4248KJ/kg.k,低壓蒸汽，0.4756MPa,150,H2=2746.5,S2=6.8379,低壓冷凝水，0.4756MPa,H3=632.2 S3=1.8418,低壓冷凝水，0.4756MPa,1.908MPa,T4,H4,S4,預熱器,鍋爐給水20,3.5t/h,0.1013MPa,H5=83.96 S5=0.2966,5,6,P6=0.1013MPa H6=334.91 S6=1.0753 80,低壓蒸汽，0.4756MP

44、a,To=20=293K,A方案,B方案,2020/7/8,降低資源消耗 減少環(huán)境破壞,2003年，創(chuàng)造了11.67萬億的國內(nèi)生產(chǎn)總值 （GDP），增長率達9.1%，但投入就有5.7萬億。 2003年，中國消耗了全球總產(chǎn)量30%的主要能源和原材料，創(chuàng)造的GDP僅占世界的4%。 如果按每1美元生產(chǎn)總值能耗，我國比發(fā)達國家能耗高45倍。 目前，美國每萬美元耗水為514M3，日本208M3，中國5045M3，是發(fā)達國家的820倍。 中國很多地區(qū)的經(jīng)濟增長速度是靠高投資、高能耗、高污染換來的。 胡錦濤提出的“科學發(fā)展觀”堅持以人為本，全面、協(xié)調、可持續(xù)的發(fā)展。,2020/7/8,第五章總結,U=Q +

45、W 封閉體系 H=Q +Ws 穩(wěn)定流動體系,1、熱力學第一定律,4、熱功轉換的不等價性,3、最常用的能量平衡方程,5、熱力學第二定律,2、穩(wěn)流體系能量平衡方程及其各種簡化,2020/7/8,第五章總結,6、熱機效率,7、卡諾循環(huán)的可逆機效率,8、熵及熵增原理,熵增原理：孤立體系的自發(fā)過程總是向總熵變增大的方向進行。,熵,“” 號為不可逆過程； “=” 號為可逆過程,2020/7/8,熵及熵增原理小結,2020/7/8,第五章總結,10、熵平衡,11、理想功Wid：,9、熵變的計算,1、有PVT變化的熵變,2、有相變過程的熵變,3、環(huán)境的熵變,2020/7/8,第五章總結,12、損失功WL：,1

46、3、火用,注意與理想功的區(qū)別,14、火用效率,2020/7/8,各種效率小結,2020/7/8,能量有效利用的概念,1）壓力相同，過熱蒸汽的有效能比飽和蒸汽大，所以其做功本領也大。 2）溫度相同，高壓蒸汽的作功本領比低壓蒸汽強。 3）溫度相同，高壓蒸汽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，并可減少設備費用。 4）放出熱相同，高溫高壓蒸汽的火用比低溫低壓蒸汽的高。 5）一般供熱用0.51.0MPa（1501800C）的飽和蒸汽。 6）高壓蒸汽（10MPa）用來做功（推動汽輪機等）。溫度在3500C以上的高溫熱能（如煙道氣），用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源。 問題：10kg/c

47、m2的水蒸氣能否推動汽輪機？ 答：10kg/cm2=1.0MPa，適合供熱。,2020/7/8,降低資源消耗 減少環(huán)境破壞,2003年，創(chuàng)造了11.67萬億的國內(nèi)生產(chǎn)總值 （GDP），增長率達9.1%，但投入就有5.7萬億。 2003年，中國消耗了全球總產(chǎn)量30%的主要能源和原材料，創(chuàng)造的GDP僅占世界的4%。 如果按每1美元生產(chǎn)總值能耗，我國比發(fā)達國家能耗高45倍。 目前，美國每萬美元耗水為514M3，日本208M3，中國5045M3，是發(fā)達國家的820倍。 中國很多地區(qū)的經(jīng)濟增長速度是靠高投資、高能耗、高污染換來的。 胡錦濤提出的“科學發(fā)展觀”堅持以人為本，全面、協(xié)調、可持續(xù)的發(fā)展。,20

48、20/7/8,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70-80%。因此，化工節(jié)能有特殊重要的意義。 我國化工系統(tǒng)的能源消費量約占全國總量的10%。我國的單位產(chǎn)值能源消耗量比世界先進水平高得多，主要原因在于分離過程的能耗大大高于發(fā)達國家。 化工分離過程的能耗是世界總能耗的8%。 我國比國外同類產(chǎn)品能耗高20-30%，有的高出一倍。 日本的能量利用效率達57%,在世界各國中居首位。,2020/7/8,乙腈萃取精餾分離丁二烯,1、原流程 原料 (汽) 一萃 (液) 一蒸 (汽) 冷凝器 (液) 二萃 (汽) 冷凝器 (液) 脫輕

49、(液)脫重 (液) 冷凝 (液) 物料流路程長，相變次數(shù)多，能耗大(每噸丁二烯耗蒸汽8噸)。 2、節(jié)能流程 原料 (汽) 一萃 (汽) 二萃 (汽) 脫重 (液) 脫輕 (液) 產(chǎn)品 相變只有一次，因此能耗很低，每噸丁二烯耗蒸汽2.5噸。 對現(xiàn)有生產(chǎn)過程進行能耗的調研和分析，采用分離過程優(yōu)化節(jié)能，可以大幅度降低能耗,2020/7/8,化工過程能量分析實例,南京塑料廠乙苯脫氫制苯乙烯,2020/7/8,化工過程能量分析實例,水蒸氣,加熱爐,A,B,混合器,第一段脫氫 反應器,第二段脫氫 反應器,中間 加熱器,乙苯+水蒸氣,反應產(chǎn)物去急 冷后處理系統(tǒng),換熱器,圖1 乙苯脫氫反應模擬流程,2020/7/8,化工過程能量分析實例,反應器：燒重油加熱反應物至560620oC，產(chǎn)生高溫煙道氣 第三過熱器：利用高溫煙道氣加熱高溫反應物 第二過熱器：利用高溫產(chǎn)物加熱中溫反應物 蒸發(fā)器：利用中溫煙道氣加熱低溫反應物 廢熱鍋爐：利用中溫產(chǎn)物產(chǎn)生水蒸汽 我的印象：一個反應需要一個車間來完成（三層樓） 我的體會：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。,2020/7/8,180C,60C,