第五章化工過(guò)程的能量分析08級(jí)ppt (1)

1、1 5.1 能量平衡方程能量平衡方程 5.2 功熱間的轉(zhuǎn)化功熱間的轉(zhuǎn)化 5.3 熵函數(shù)熵函數(shù) 5.4 理想功、損失功及熱力學(xué)效率理想功、損失功及熱力學(xué)效率 5.5 火用和火無(wú)火用和火無(wú) 5.6 火用衡算及火用效率火用衡算及火用效率 5.7 化工過(guò)程與系統(tǒng)的火用分析化工過(guò)程與系統(tǒng)的火用分析2 本章本章熱力學(xué)的第一與第二定律，應(yīng)用熱力學(xué)的第一與第二定律，應(yīng)用理想功、理想功、 損失功、損失功、 和和 等概念對(duì)化工過(guò)等概念對(duì)化工過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換、傳遞與使用進(jìn)行熱力學(xué)分析，程中能量的轉(zhuǎn)換、傳遞與使用進(jìn)行熱力學(xué)分析，過(guò)程或裝置能量利用的有效程度，確定其過(guò)程或裝置能量利用的有效程度，確定其能量利用的總效率，

2、能量利用的總效率，出能量損失的薄弱環(huán)出能量損失的薄弱環(huán)節(jié)與原因，為分析、改進(jìn)工藝與設(shè)備，提高能節(jié)與原因，為分析、改進(jìn)工藝與設(shè)備，提高能量利用率指明方向。量利用率指明方向。本章是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本章是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。3 能量守恒與轉(zhuǎn)化定律是自然能量守恒與轉(zhuǎn)化定律是自然界的客觀規(guī)律。界的客觀規(guī)律。 自然界的一切物自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)化為的形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但總能量是守恒的。另一種形式，但總能量是守恒的。（能量數(shù)量守恒）（能量數(shù)量守恒）Helmholtz(1821 - 1894) 1847年， 德國(guó)

3、物理學(xué)家和生物學(xué)家 Helmholtz 發(fā)表了 “ 論力的守衡” 一文，全面論證了能量守衡和轉(zhuǎn)化定律。4 在各種熱力學(xué)過(guò)程中，體系和環(huán)境之間往往發(fā)生在各種熱力學(xué)過(guò)程中，體系和環(huán)境之間往往發(fā)生能量的傳遞。能量傳遞的形式有兩種，即熱和功。能量的傳遞。能量傳遞的形式有兩種，即熱和功。 通過(guò)體系的邊界，體系與體系（或體系與環(huán)境）通過(guò)體系的邊界，體系與體系（或體系與環(huán)境）之間由于溫差而傳遞的能量叫做之間由于溫差而傳遞的能量叫做。 由于存在溫差以外的其它勢(shì)差而引起體系與環(huán)境由于存在溫差以外的其它勢(shì)差而引起體系與環(huán)境之間傳遞的能量叫做之間傳遞的能量叫做。 5v 熱和功不是狀態(tài)函數(shù)熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，熱和功是

4、能量的傳遞形，熱和功是能量的傳遞形式。它們的值與過(guò)程進(jìn)行的途徑和方式有關(guān)。不同式。它們的值與過(guò)程進(jìn)行的途徑和方式有關(guān)。不同的途徑傳遞的熱和功是不同的。的途徑傳遞的熱和功是不同的。v 熱和功只有當(dāng)體系由于過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生變化熱和功只有當(dāng)體系由于過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生變化時(shí)才出現(xiàn)。它們只有在過(guò)程發(fā)生時(shí)才有意義，也只時(shí)才出現(xiàn)。它們只有在過(guò)程發(fā)生時(shí)才有意義，也只有聯(lián)系某一具體的變化過(guò)程時(shí)，才能夠計(jì)算出熱和有聯(lián)系某一具體的變化過(guò)程時(shí)，才能夠計(jì)算出熱和功來(lái)。功來(lái)。v 熱和功都是被傳遞的能量熱和功都是被傳遞的能量，當(dāng)能量以熱的形式，當(dāng)能量以熱的形式傳入體系后，不是以熱的形式儲(chǔ)存，而是增加了該傳入體系后，不是以熱的

5、形式儲(chǔ)存，而是增加了該體系的內(nèi)能。體系的內(nèi)能。6 有人形象地把熱比作雨，池中的水比作內(nèi)能，有人形象地把熱比作雨，池中的水比作內(nèi)能，雨落下變成池中的水，就像熱傳遞給體系后，變?yōu)橛曷湎伦兂沙刂械乃?，就像熱傳遞給體系后，變?yōu)閮?nèi)能一樣。內(nèi)能一樣。 就熱力學(xué)的觀點(diǎn)，功和熱是轉(zhuǎn)移中的能量，是就熱力學(xué)的觀點(diǎn)，功和熱是轉(zhuǎn)移中的能量，是不能貯存的，不轉(zhuǎn)移時(shí)能量總是貯存在體系和環(huán)境不能貯存的，不轉(zhuǎn)移時(shí)能量總是貯存在體系和環(huán)境內(nèi)。所以，體系在過(guò)程前后的能量變化內(nèi)。所以，體系在過(guò)程前后的能量變化E 應(yīng)與體應(yīng)與體系在該過(guò)程中傳遞的熱系在該過(guò)程中傳遞的熱Q與功與功W之代數(shù)和相等。如之代數(shù)和相等。如E1、E2分別代表體系始

6、、終態(tài)的總能量，則分別代表體系始、終態(tài)的總能量，則 E = E2E1 = QW (5-1) 式（式（5-1）就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。）就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。規(guī)定規(guī)定體系吸熱為正值，放熱為負(fù)值；體系得功為正體系吸熱為正值，放熱為負(fù)值；體系得功為正值，對(duì)環(huán)境做功為負(fù)值。值，對(duì)環(huán)境做功為負(fù)值。7 從熱力學(xué)第一定律可導(dǎo)出普遍條件下適用的能從熱力學(xué)第一定律可導(dǎo)出普遍條件下適用的能量平衡方程。先對(duì)量平衡方程。先對(duì)，即與環(huán)境既有質(zhì)，即與環(huán)境既有質(zhì)量又有能量交換的體系進(jìn)行分析，分析中必須同量又有能量交換的體系進(jìn)行分析，分析中必須同時(shí)考慮質(zhì)量平衡與能量平衡。時(shí)考慮質(zhì)量平衡與能量平衡。 圖圖5-

7、1所示為一敞開(kāi)體系。虛線所包圍的區(qū)域?yàn)檠兴緸橐怀ㄩ_(kāi)體系。虛線所包圍的區(qū)域?yàn)檠芯康捏w系。流體從截面究的體系。流體從截面1經(jīng)過(guò)設(shè)備流到截面經(jīng)過(guò)設(shè)備流到截面2。在截面。在截面1處流體進(jìn)入設(shè)備所具有的狀況用下標(biāo)處流體進(jìn)入設(shè)備所具有的狀況用下標(biāo)1表示。表示。 81m2m1u1z2u2z1dx1122SWQ1111EUPV2222E UPV 在該點(diǎn)處假設(shè)進(jìn)入體系的物料為一微分量的質(zhì)在該點(diǎn)處假設(shè)進(jìn)入體系的物料為一微分量的質(zhì)量量m1，流體處于距基準(zhǔn)面，流體處于距基準(zhǔn)面z1的高度處，的高度處，圖圖5-1 敞開(kāi)體系示意圖敞開(kāi)體系示意圖其單位質(zhì)量的其單位質(zhì)量的物料所具有的物料所具有的總能量為總能量為E1,平平均速

8、度為均速度為u1，比容為比容為V1，壓，壓力為力為P1,內(nèi)能為內(nèi)能為U1等。同樣在等。同樣在截面截面2處流體流處流體流出設(shè)備時(shí)所具出設(shè)備時(shí)所具有的狀況用下有的狀況用下標(biāo)標(biāo)2表示表示。9 對(duì)對(duì)而言，若體系內(nèi)沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反而言，若體系內(nèi)沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)體系進(jìn)行質(zhì)量恒算，則應(yīng)，對(duì)體系進(jìn)行質(zhì)量恒算，則進(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+體系內(nèi)積累的能量體系內(nèi)積累的能量 體系dmmm21 式中式中dm 體系體系為體系積累的質(zhì)量。為體系積累的質(zhì)量。 再根據(jù)能量守恒原理，則得再根據(jù)能量守恒原理，則得寫(xiě)成微分式則為寫(xiě)成微分式則為 體系)( ) () (21mEdWmEQmE移項(xiàng)

9、后得移項(xiàng)后得 21) () ( )(mEmEWQmEd體系（5-4）（5-3）（5-2）10 式（式（5-4）中）中W 是體系與環(huán)境交換的功，它是體系與環(huán)境交換的功，它包括與環(huán)境交換的軸功包括與環(huán)境交換的軸功Ws 和流動(dòng)功和流動(dòng)功Wf 。界面界面1 流動(dòng)功流動(dòng)功： 同理，界面同理，界面2 2： 111111) ( mpVAVApm2) (mpV 在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中，流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中，流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功稱(chēng)為稱(chēng)為。 流體流動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸在體系與流體流動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸在體系與環(huán)境之間交換的功稱(chēng)為環(huán)境之間交換的功稱(chēng)為。用用Ws表示。表示。s

10、wVdpwp dVwpdV 可逆過(guò)程外11 流動(dòng)功流動(dòng)功W Wf f 是微分量質(zhì)量的流體進(jìn)入體系時(shí)，環(huán)境是微分量質(zhì)量的流體進(jìn)入體系時(shí)，環(huán)境對(duì)流體所作的流動(dòng)功對(duì)流體所作的流動(dòng)功( (pVpVm m) )1 1與微分量質(zhì)量的流體離開(kāi)與微分量質(zhì)量的流體離開(kāi)體系時(shí)，流體對(duì)環(huán)境所作的流動(dòng)功體系時(shí)，流體對(duì)環(huán)境所作的流動(dòng)功( (pVpVm m) )2 2 之差。之差。21)()(mpVmpVWWWWSfS2121)()()()()(mEmEmpVmpVWQmEdS體系所以所以將式（將式（5-5）代入式（）代入式（5-4），得），得 （5-5）（5-6）12單位質(zhì)量的物料的單位質(zhì)量的物料的總能量總能量 E E

11、： 式中，式中，U為單位質(zhì)量流體的為單位質(zhì)量流體的； EK為單位質(zhì)量流體為單位質(zhì)量流體；EK1/2u2； Ep為單位質(zhì)量流體為單位質(zhì)量流體，EpgZ， g為重力加速度，為重力加速度，Z為位高。為位高。 gZuUEEUEpK221（5-7）13將式（將式（5-7）代入式（）代入式（5-6），得），得SWQmgZupVUmgZupVUmEd222112)21()21()(體系（5-8）14因因H H U U pVpV，式（，式（5-85-8）可寫(xiě)成）可寫(xiě)成 式（式（5-9）是一個(gè)普遍化的能量平衡方程。應(yīng)）是一個(gè)普遍化的能量平衡方程。應(yīng)用時(shí)可視具體條件作進(jìn)一步簡(jiǎn)化。用時(shí)可視具體條件作進(jìn)一步簡(jiǎn)化。（5

12、-9）2112221()()21()2Sd mEHugZmHugZmQW體系0mm15 對(duì)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行能量恒算或能量分析時(shí)，應(yīng)該根對(duì)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行能量恒算或能量分析時(shí)，應(yīng)該根據(jù)過(guò)程的特征，正確而靈活地將能量平衡方程式應(yīng)用據(jù)過(guò)程的特征，正確而靈活地將能量平衡方程式應(yīng)用于不同的具體過(guò)程。于不同的具體過(guò)程。 （1 1） 封閉體系是指體系與環(huán)境之間的界面不允許傳遞封閉體系是指體系與環(huán)境之間的界面不允許傳遞物質(zhì)，而只有能量交換，即物質(zhì)，而只有能量交換，即m1=m2=0，于于是能量方是能量方程式（程式（5-95-9）變成）變成sWQmEd體系)(（5-10）16 進(jìn)行的過(guò)程通常都不能引起外部的勢(shì)進(jìn)行的過(guò)程通

13、常都不能引起外部的勢(shì)能或動(dòng)能變化，而只能引起內(nèi)能變化，即能或動(dòng)能變化，而只能引起內(nèi)能變化，即 又因封閉體系流動(dòng)功為零，由式（又因封閉體系流動(dòng)功為零，由式（5-55-5）得）得 W =WW =WS S ，于是有于是有 對(duì)單位質(zhì)量的體系對(duì)單位質(zhì)量的體系 0)(22gZdudsWQmdUWQmdUWQdU（5-12）又又m為常數(shù)，式（為常數(shù)，式（5-10）中）中d(mE)體系體系mdE=mdU，所以，所以 （5-11）第第12 次課結(jié)束次課結(jié)束200917 物料連續(xù)地通過(guò)設(shè)備，進(jìn)入和流出的物料連續(xù)地通過(guò)設(shè)備，進(jìn)入和流出的質(zhì)量流率質(zhì)量流率在在任何時(shí)刻都完全相等；任何時(shí)刻都完全相等； 但摩爾流率或體積流

14、率往往但摩爾流率或體積流率往往不相等。不相等。 體系中任一點(diǎn)的熱力學(xué)性質(zhì)都不隨時(shí)間而變，體體系中任一點(diǎn)的熱力學(xué)性質(zhì)都不隨時(shí)間而變，體系沒(méi)有物質(zhì)及能量的積累，系沒(méi)有物質(zhì)及能量的積累，（2 2） ()0d mE體系即即12mmm18 （5-13）sWQZguH221 積分上式，并以積分上式，并以m m 相除，得到單位質(zhì)量的相除，得到單位質(zhì)量的0)2()2(2212SWQmgZuHmgZuH 于是，將敞開(kāi)體系的能量方程用于穩(wěn)流體系，于是，將敞開(kāi)體系的能量方程用于穩(wěn)流體系，式（式（5-9）簡(jiǎn)化為）簡(jiǎn)化為 此公式是由能量守恒定律推導(dǎo)出來(lái)的。而此公式是由能量守恒定律推導(dǎo)出來(lái)的。而能量守恒能量守恒是自然界的

15、客觀規(guī)律。因而式是自然界的客觀規(guī)律。因而式(5-13)(5-13)對(duì)可逆過(guò)程和實(shí)際對(duì)可逆過(guò)程和實(shí)際過(guò)程均適用。過(guò)程均適用。19 對(duì)于微分流動(dòng)過(guò)程，則對(duì)于微分流動(dòng)過(guò)程，則 （5-15）如：如：221u的單位：的單位：公斤焦秒米2Zg的單位：的單位：2mJmkgSSWQgdZududH 式（式（5-135-13）與式（）與式（5-155-15）是穩(wěn)定流動(dòng)體系的能）是穩(wěn)定流動(dòng)體系的能量平衡方程。量平衡方程。第十一第十一 次課結(jié)束次課結(jié)束2010一些常見(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WsWs21 化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)過(guò)程都屬

16、于穩(wěn)流過(guò)程，化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)過(guò)程都屬于穩(wěn)流過(guò)程，在應(yīng)用能量方程式時(shí)尚可根據(jù)具體情況作進(jìn)一步的在應(yīng)用能量方程式時(shí)尚可根據(jù)具體情況作進(jìn)一步的。現(xiàn)討論幾種常見(jiàn)情況?，F(xiàn)討論幾種常見(jiàn)情況。 體系在設(shè)備，如流體流經(jīng)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)，體系在設(shè)備，如流體流經(jīng)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)，進(jìn)、出口之間的進(jìn)、出口之間的動(dòng)能變化、位能變化與焓變相比較，動(dòng)能變化、位能變化與焓變相比較，其值很小，可忽略不計(jì)。其值很小，可忽略不計(jì)。（動(dòng)能為（動(dòng)能為1 kJ/kg時(shí)，所需速時(shí)，所需速度為度為45m/s。位能為。位能為1 kJ/kg時(shí)，所需高度為時(shí)，所需高度為102米。在米。在許多工業(yè)裝置中，進(jìn)出口物料一般沒(méi)有這樣大的變?cè)S多工業(yè)裝置中，

17、進(jìn)出口物料一般沒(méi)有這樣大的變化。），則式（化。），則式（5-13）可簡(jiǎn)化為）可簡(jiǎn)化為 （5-16）sWQH22透平機(jī)和壓縮機(jī)透平機(jī)和壓縮機(jī)透平機(jī)是借助高壓流透平機(jī)是借助高壓流體的膨脹減壓過(guò)程來(lái)體的膨脹減壓過(guò)程來(lái)產(chǎn)出功產(chǎn)出功 壓縮機(jī)是靠消耗壓縮機(jī)是靠消耗功來(lái)提高流體的壓力功來(lái)提高流體的壓力 蒸汽透平蒸汽透平23動(dòng)能是否變化動(dòng)能是否變化?透平機(jī)和壓縮機(jī)透平機(jī)和壓縮機(jī)sWQZguH221是否存在軸功是否存在軸功?位能是否變化位能是否變化?通常可以忽略通?？梢院雎允?！是！不變化或者可以忽略不變化或者可以忽略是否和環(huán)境交換熱量是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎酝ǔ？梢院雎詓HW24動(dòng)能是否變化動(dòng)能是否變化

18、?（5-17） 當(dāng)流體流經(jīng)管道、閥門(mén)、換熱器與混合器等當(dāng)流體流經(jīng)管道、閥門(mén)、換熱器與混合器等設(shè)備時(shí)，設(shè)備時(shí)，QH sWQZguH221是否存在軸功是否存在軸功?位能是否變化位能是否變化?通?？梢院雎酝ǔ？梢院雎苑穹裢ǔ？梢院雎酝ǔ？梢院雎?5 式（式（5-17）表明體系的焓變等于體系與環(huán)境交換）表明體系的焓變等于體系與環(huán)境交換的熱量。此式是不對(duì)環(huán)境作功的的熱量。此式是不對(duì)環(huán)境作功的穩(wěn)流體系進(jìn)行熱量恒穩(wěn)流體系進(jìn)行熱量恒算的基本關(guān)系式。算的基本關(guān)系式。（5-17）QH 26動(dòng)能是否變化動(dòng)能是否變化?（5-18） 流體經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹、絕熱反應(yīng)、絕熱混合等流體經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹、絕熱反應(yīng)、絕熱混合等絕熱過(guò)程絕

19、熱過(guò)程時(shí)時(shí)sWQZguH221是否存在軸功是否存在軸功?位能是否變化位能是否變化?通常可以忽略通常可以忽略否否否否是否和環(huán)境交換熱量是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通常可以忽略0H270H（5-18） 通過(guò)節(jié)流膨脹，流體的焓值不變。通過(guò)節(jié)流膨脹，流體的焓值不變。根據(jù)此式可方便地求得絕熱過(guò)程中體系的溫度變化。根據(jù)此式可方便地求得絕熱過(guò)程中體系的溫度變化。12HH等焓過(guò)程等焓過(guò)程即即對(duì)節(jié)流膨脹對(duì)節(jié)流膨脹280H（5-18）1324ABABn Hn Hn Hn H換熱設(shè)備換熱設(shè)備0iijjHn Hn H出入即：即：若取整個(gè)換熱器作為體若取整個(gè)換熱器作為體系，忽略與環(huán)境交換的系，忽略與環(huán)境交換的熱量（

20、熱損失為零）：熱量（熱損失為零）：29 對(duì)真實(shí)流體而言，考慮流體摩擦而引起的機(jī)械能對(duì)真實(shí)流體而言，考慮流體摩擦而引起的機(jī)械能損失，需在方程中增加摩擦損失項(xiàng)損失，需在方程中增加摩擦損失項(xiàng)F，由此得到的，由此得到的方程稱(chēng)為機(jī)械能平衡方程方程稱(chēng)為機(jī)械能平衡方程假設(shè)流動(dòng)過(guò)程為可逆，假設(shè)流動(dòng)過(guò)程為可逆，dU=Q - pdV，代入上式，得，代入上式，得 因因H = U + pV，dH = dU + pdV + Vdp 將此式代入將此式代入（5-15）式，得）式，得（5-19）SdUpdVVdpudugdZQWSWgdZuduVdpFgdZuduVdpWS 機(jī)械能平衡方程機(jī)械能平衡方程30 式（式（5-19

21、5-19）在應(yīng)用于無(wú)粘性和不可壓縮流體，）在應(yīng)用于無(wú)粘性和不可壓縮流體，且流體與環(huán)境沒(méi)有軸功交換時(shí)，就得到了著名的且流體與環(huán)境沒(méi)有軸功交換時(shí)，就得到了著名的BernoulliBernoulli方程方程0gdZuduVdp（5-20） 式中式中是流體密度。值得說(shuō)明的是是流體密度。值得說(shuō)明的是Bernoulli方程的方程的提出比熱力學(xué)第一定律被確認(rèn)大約還要早一百年。提出比熱力學(xué)第一定律被確認(rèn)大約還要早一百年。022Zgup此式也可以寫(xiě)成此式也可以寫(xiě)成（5-21）31（5-22） 可壓縮性流體急速變速的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。氣體在絕可壓縮性流體急速變速的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。氣體在絕熱不做外功的流動(dòng)過(guò)程中，如蒸汽噴射泵及高

22、壓蒸汽熱不做外功的流動(dòng)過(guò)程中，如蒸汽噴射泵及高壓蒸汽在汽輪機(jī)在汽輪機(jī)噴嘴噴嘴中的噴射中的噴射sWQZguH221是否存在軸功是否存在軸功?位能是否變化位能是否變化?否否否否是否和環(huán)境交換熱量是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通?？梢院雎訦u22132式（式（5-13）可簡(jiǎn)化得到絕熱穩(wěn)定流動(dòng)方程式）可簡(jiǎn)化得到絕熱穩(wěn)定流動(dòng)方程式 此式表明，氣體在絕熱不做軸功的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)此式表明，氣體在絕熱不做軸功的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能的增加等于其焓值的減小。程中，動(dòng)能的增加等于其焓值的減小。 （5-22）Hu22133可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程 用熱力學(xué)的方法研究體系發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，在用熱力學(xué)的方法研

23、究體系發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)，在怎樣的條件下能作出最大功或者需要最小功，具有怎樣的條件下能作出最大功或者需要最小功，具有重要意義。這里牽扯到一個(gè)熱力學(xué)上的重要概念，重要意義。這里牽扯到一個(gè)熱力學(xué)上的重要概念，可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程與不可逆過(guò)程。 這里重點(diǎn)講講可逆過(guò)程的特點(diǎn)，學(xué)生容易出錯(cuò)這里重點(diǎn)講講可逆過(guò)程的特點(diǎn)，學(xué)生容易出錯(cuò)的地方，換一個(gè)角度闡明這個(gè)概念。的地方，換一個(gè)角度闡明這個(gè)概念。34 可逆過(guò)程的概念：可逆過(guò)程的概念： 某一體系經(jīng)過(guò)某一過(guò)程，由狀態(tài)某一體系經(jīng)過(guò)某一過(guò)程，由狀態(tài)1變到狀態(tài)變到狀態(tài)2之后，之后，如果能使體系和環(huán)境都如果能使體系和環(huán)境都完全復(fù)原完全復(fù)原（即體系回到原來(lái)（即體系回

24、到原來(lái)的狀態(tài)，同時(shí)消除了原來(lái)過(guò)程對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的一切的狀態(tài)，同時(shí)消除了原來(lái)過(guò)程對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的一切影響），則原來(lái)的過(guò)程就稱(chēng)為可逆過(guò)程。影響），則原來(lái)的過(guò)程就稱(chēng)為可逆過(guò)程。 反之，如果用任何方法都不可能使體系和環(huán)境完反之，如果用任何方法都不可能使體系和環(huán)境完全復(fù)原，則稱(chēng)為不可逆過(guò)程。全復(fù)原，則稱(chēng)為不可逆過(guò)程。35 可逆過(guò)程有以下特點(diǎn)：可逆過(guò)程有以下特點(diǎn)：1、可逆過(guò)程是以無(wú)限小的變化進(jìn)行的，整個(gè)過(guò)程是可逆過(guò)程是以無(wú)限小的變化進(jìn)行的，整個(gè)過(guò)程是由一連串非常接近于平衡的狀態(tài)所構(gòu)成，整個(gè)過(guò)由一連串非常接近于平衡的狀態(tài)所構(gòu)成，整個(gè)過(guò)程進(jìn)行的速度是無(wú)限慢的，過(guò)程的推動(dòng)力無(wú)限小。程進(jìn)行的速度是無(wú)限慢的，過(guò)程的推動(dòng)

25、力無(wú)限小。 過(guò)程的進(jìn)行需要推動(dòng)力：過(guò)程的進(jìn)行需要推動(dòng)力：膨脹或壓縮過(guò)膨脹或壓縮過(guò)程程 壓力壓力差差傳傳 熱熱 過(guò)過(guò) 程程 溫度溫度差差擴(kuò)擴(kuò) 散散 過(guò)過(guò) 程程 濃度濃度差差化學(xué)化學(xué) 反應(yīng)反應(yīng) 過(guò)過(guò)程程 化學(xué)化學(xué)位差位差362、在反向的過(guò)程中，用同樣的手續(xù)，循著原來(lái)過(guò)在反向的過(guò)程中，用同樣的手續(xù)，循著原來(lái)過(guò)程的逆過(guò)程，可以使體系和環(huán)境都完全恢復(fù)到原來(lái)程的逆過(guò)程，可以使體系和環(huán)境都完全恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。的狀態(tài)。3、可逆過(guò)程產(chǎn)功最大，需功最小?？赡孢^(guò)程產(chǎn)功最大，需功最小。 可逆過(guò)程是一種理想的過(guò)程，是一種科學(xué)的抽可逆過(guò)程是一種理想的過(guò)程，是一種科學(xué)的抽象?？陀^世界中并不真正存在可逆過(guò)程，實(shí)際過(guò)程象?？?/p>

26、觀世界中并不真正存在可逆過(guò)程，實(shí)際過(guò)程只能無(wú)限地趨近于它。只能無(wú)限地趨近于它。 那么提出可逆過(guò)程的概念有什么意義呢？那么提出可逆過(guò)程的概念有什么意義呢？ 37 可逆過(guò)程的概念非常重要?？赡孢^(guò)程的概念非常重要。 首先首先，可逆過(guò)程將實(shí)際過(guò)程理想化，它忽略摩，可逆過(guò)程將實(shí)際過(guò)程理想化，它忽略摩擦和體系內(nèi)部溫度、壓力、濃度不均等因素，對(duì)擦和體系內(nèi)部溫度、壓力、濃度不均等因素，對(duì)復(fù)雜的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，突出主要矛盾，復(fù)雜的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，突出主要矛盾，以便于掌握過(guò)程的基本規(guī)律，這是熱力學(xué)上對(duì)過(guò)以便于掌握過(guò)程的基本規(guī)律，這是熱力學(xué)上對(duì)過(guò)程進(jìn)行分析的重要方法。程進(jìn)行分析的重要方法。 類(lèi)似于理想氣

27、體的情況。類(lèi)似于理想氣體的情況。38 其次其次，只有在可逆過(guò)程中，過(guò)程進(jìn)行的每一步都，只有在可逆過(guò)程中，過(guò)程進(jìn)行的每一步都極接近平衡狀態(tài)，這時(shí)體系才有確定的狀態(tài)，才可以極接近平衡狀態(tài)，這時(shí)體系才有確定的狀態(tài)，才可以用體系的狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述過(guò)程。用體系的狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述過(guò)程。例如：例如：氣體的體積功氣體的體積功 Wp dVWpdV 可逆程外過(guò) 通過(guò)可逆過(guò)程求狀態(tài)函數(shù)（利用狀態(tài)函數(shù)的變化通過(guò)可逆過(guò)程求狀態(tài)函數(shù)（利用狀態(tài)函數(shù)的變化值只與過(guò)程的始、終態(tài)有關(guān)，而與過(guò)程進(jìn)行的具體值只與過(guò)程的始、終態(tài)有關(guān)，而與過(guò)程進(jìn)行的具體途徑無(wú)關(guān)的特點(diǎn)），如途徑無(wú)關(guān)的特點(diǎn)），如H、S 、G等。等。39 再其次再其次，可逆過(guò)程

28、的概念，對(duì)于分析能量的利用，可逆過(guò)程的概念，對(duì)于分析能量的利用效率，有重要的實(shí)際意義。大家知道，熱和功不是狀效率，有重要的實(shí)際意義。大家知道，熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，它們的值會(huì)因過(guò)程的不同而改變。但是可逆態(tài)函數(shù)，它們的值會(huì)因過(guò)程的不同而改變。但是可逆過(guò)程所作的最大功（或所需的最小功）卻只決定于狀過(guò)程所作的最大功（或所需的最小功）卻只決定于狀態(tài)的變化。態(tài)的變化。 從實(shí)用的觀點(diǎn)看，這種過(guò)程最經(jīng)濟(jì)，效率最高。從實(shí)用的觀點(diǎn)看，這種過(guò)程最經(jīng)濟(jì)，效率最高。因此，可逆過(guò)程為我們衡量實(shí)際過(guò)程的效率提供了一因此，可逆過(guò)程為我們衡量實(shí)際過(guò)程的效率提供了一個(gè)比較的標(biāo)準(zhǔn)，可逆過(guò)程體現(xiàn)了能量利用可能達(dá)到的個(gè)比較的標(biāo)準(zhǔn)，可逆

29、過(guò)程體現(xiàn)了能量利用可能達(dá)到的最高效率。因此如何創(chuàng)造條件，使實(shí)際過(guò)程盡可能地最高效率。因此如何創(chuàng)造條件，使實(shí)際過(guò)程盡可能地趨近可逆過(guò)程，是改進(jìn)生產(chǎn)，提高能量利用效率和經(jīng)趨近可逆過(guò)程，是改進(jìn)生產(chǎn)，提高能量利用效率和經(jīng)濟(jì)效益所要考慮的一個(gè)重要方面。濟(jì)效益所要考慮的一個(gè)重要方面。40 不要把不要把不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程理解為根本不能向相反理解為根本不能向相反的方向進(jìn)行。一個(gè)不可逆過(guò)程發(fā)生后，也可以的方向進(jìn)行。一個(gè)不可逆過(guò)程發(fā)生后，也可以使體系恢復(fù)原態(tài)，但當(dāng)體系恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)使體系恢復(fù)原態(tài)，但當(dāng)體系恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)后，必定會(huì)在環(huán)境中留下某些變化，而且這種后，必定會(huì)在環(huán)境中留下某些變化，而且這種變化一定與

30、環(huán)境作功能力的損失相聯(lián)系。變化一定與環(huán)境作功能力的損失相聯(lián)系。 不可逆過(guò)程由于存在種種不可逆因素（推動(dòng)不可逆過(guò)程由于存在種種不可逆因素（推動(dòng)力不是無(wú)限小、存在摩擦、喘動(dòng)、渦流等），力不是無(wú)限小、存在摩擦、喘動(dòng)、渦流等），會(huì)使體系和環(huán)境總的作功能力下降，產(chǎn)生功的會(huì)使體系和環(huán)境總的作功能力下降，產(chǎn)生功的損耗。損耗。41第一節(jié)完第一節(jié)完42 功可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，而熱要功可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔鵁嵋咳?轉(zhuǎn)變?yōu)楣Ρ仨毾D(zhuǎn)變?yōu)楣Ρ仨毾耐獠康哪芰?，這已為大量實(shí)踐所證明。耗外部的能量，這已為大量實(shí)踐所證明。（功是高質(zhì)量的能量，而熱是低質(zhì)量的能量）是熱（功是高質(zhì)量的能量，而熱是低質(zhì)量的能量）是熱力學(xué)第二定律

31、的一個(gè)基本內(nèi)容。力學(xué)第二定律的一個(gè)基本內(nèi)容。 自然界提供的能源中，約自然界提供的能源中，約90一般要經(jīng)過(guò)熱轉(zhuǎn)化成一般要經(jīng)過(guò)熱轉(zhuǎn)化成各種功（如煤、石油、天然氣、核能、太陽(yáng)能等），因各種功（如煤、石油、天然氣、核能、太陽(yáng)能等），因此，熱成了能量轉(zhuǎn)化中必經(jīng)的此，熱成了能量轉(zhuǎn)化中必經(jīng)的“中間體中間體”，研究熱轉(zhuǎn)化，研究熱轉(zhuǎn)化為功的效率具有特殊重要的意義。為功的效率具有特殊重要的意義。43 熱量可以經(jīng)過(guò)熱機(jī)循環(huán)而轉(zhuǎn)化為功，圖熱量可以經(jīng)過(guò)熱機(jī)循環(huán)而轉(zhuǎn)化為功，圖5-3為一熱機(jī)為一熱機(jī)示意圖。它由高溫?zé)嵩词疽鈭D。它由高溫?zé)嵩?、熱機(jī)和低溫?zé)嵩慈糠纸M成。熱機(jī)和低溫?zé)嵩慈糠纸M成。圖圖5-3熱機(jī)的工質(zhì)從溫度為熱機(jī)

32、的工質(zhì)從溫度為T(mén) T1 1的的吸取熱量吸取熱量Q Q1 1，熱機(jī)向外作功熱機(jī)向外作功W W，然后，然后向溫度為向溫度為T(mén) T2 2 的的放出熱量放出熱量Q Q2 2，從而完，從而完成循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第成循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，并考慮到由于一定律，并考慮到由于完成循環(huán)后工質(zhì)回到原完成循環(huán)后工質(zhì)回到原來(lái)狀態(tài)內(nèi)能沒(méi)有變化，來(lái)狀態(tài)內(nèi)能沒(méi)有變化，44 由此可以看出由此可以看出, ,從高溫?zé)嵩次盏臒崃恐?，沒(méi)有從高溫?zé)嵩次盏臒崃恐?，沒(méi)有完全轉(zhuǎn)化為功，必有一部分能量要排放到低溫?zé)嵩粗型耆D(zhuǎn)化為功，必有一部分能量要排放到低溫?zé)嵩粗腥?。去?U12QQW WQQ21（5-23）1211QQQQW（5-24）

33、0QW45 由熱力學(xué)第二定律知，熱機(jī)的由熱力學(xué)第二定律知，熱機(jī)的實(shí)際效率實(shí)際效率 10SSS總體系環(huán)境0S環(huán)境58 以熱力學(xué)第一定律為指導(dǎo)以熱力學(xué)第一定律為指導(dǎo), ,以能量方程式為依據(jù)以能量方程式為依據(jù)的能量恒算法在分析與解決工程上的問(wèn)題是十分重要的能量恒算法在分析與解決工程上的問(wèn)題是十分重要的的, ,它從它從能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系評(píng)價(jià)過(guò)程和裝置在能量評(píng)價(jià)過(guò)程和裝置在能量利用上的完善性；然而它對(duì)于揭示過(guò)程不可逆引起的利用上的完善性；然而它對(duì)于揭示過(guò)程不可逆引起的能量損耗，則毫無(wú)辦法。能量損耗，則毫無(wú)辦法。 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量的傳遞和轉(zhuǎn)換必須加上根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量的傳遞

34、和轉(zhuǎn)換必須加上一些一些限制限制。熵就是用以計(jì)算這些限制的。熵平衡就是。熵就是用以計(jì)算這些限制的。熵平衡就是用來(lái)檢驗(yàn)過(guò)程中熵的變化，它可以精確地衡量過(guò)程的用來(lái)檢驗(yàn)過(guò)程中熵的變化，它可以精確地衡量過(guò)程的能量利用是否合理。能量利用是否合理。59 體系經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程后，其能量、質(zhì)量和體積體系經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程后，其能量、質(zhì)量和體積可以發(fā)生變化。同樣地，也可以導(dǎo)致熵的變化?？梢园l(fā)生變化。同樣地，也可以導(dǎo)致熵的變化。類(lèi)同能量平衡的處理方法，需要建立熵平衡關(guān)系類(lèi)同能量平衡的處理方法，需要建立熵平衡關(guān)系式，所不同的是必須把式，所不同的是必須把過(guò)程不可逆性而引起的熵過(guò)程不可逆性而引起的熵產(chǎn)生產(chǎn)生作為輸入項(xiàng)考慮進(jìn)去。作為

35、輸入項(xiàng)考慮進(jìn)去。60 敞開(kāi)體系熵平衡方程敞開(kāi)體系熵平衡方程 分析如分析如所示的所示的敞敞開(kāi)開(kāi)體系，得體系，得產(chǎn)生離開(kāi)進(jìn)入積累熵熵熵熵 式中熵式中熵積累積累是指體系的熵變，是體系由于不穩(wěn)定是指體系的熵變，是體系由于不穩(wěn)定流動(dòng)所積累的；熵流動(dòng)所積累的；熵產(chǎn)生產(chǎn)生是體系內(nèi)部不可逆性引起的熵是體系內(nèi)部不可逆性引起的熵變；熵變；熵進(jìn)入進(jìn)入與熵與熵離開(kāi)離開(kāi)是進(jìn)入體系與離開(kāi)體系的熵，分別是進(jìn)入體系與離開(kāi)體系的熵，分別包含由于質(zhì)量進(jìn)、出體系而帶入、帶出的一部分熵包含由于質(zhì)量進(jìn)、出體系而帶入、帶出的一部分熵流動(dòng)（流動(dòng)（mi Si）和隨）和隨Q 的熱流動(dòng)產(chǎn)生的熵流動(dòng)。的熱流動(dòng)產(chǎn)生的熵流動(dòng)。產(chǎn)生SiiSmiiSmT

36、Q/入出61 需要指明的是需要指明的是隨隨Q 的熱流動(dòng)產(chǎn)生的的熱流動(dòng)產(chǎn)生的熵流動(dòng)只同穿熵流動(dòng)只同穿過(guò)界面的能量有關(guān)，而各種能量流動(dòng)中，只有熱量才過(guò)界面的能量有關(guān)，而各種能量流動(dòng)中，只有熱量才能直接聯(lián)系到熵的流動(dòng)，且與能直接聯(lián)系到熵的流動(dòng)，且與物料的物料的質(zhì)量流動(dòng)無(wú)關(guān)；質(zhì)量流動(dòng)無(wú)關(guān)；功的傳遞不會(huì)引起熵的流動(dòng)，但這并不意味著當(dāng)有功功的傳遞不會(huì)引起熵的流動(dòng)，但這并不意味著當(dāng)有功輸入或輸出體系時(shí)，體系均不會(huì)發(fā)生熵變，只是說(shuō)，輸入或輸出體系時(shí)，體系均不會(huì)發(fā)生熵變，只是說(shuō)，這種熵變并不是由于功傳遞的直接結(jié)果。這種熵變并不是由于功傳遞的直接結(jié)果。62產(chǎn)生出入體系STQSmSmSiiii（5-33） 式（式（

37、5-335-33）中）中 為為熱熵流熱熵流，流入體系，流入體系為正，離開(kāi)體系為負(fù)。該式適用于任何熱力學(xué)體系，為正，離開(kāi)體系為負(fù)。該式適用于任何熱力學(xué)體系，對(duì)于不同體系可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。對(duì)于不同體系可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。TQ熵平衡方程式可寫(xiě)成熵平衡方程式可寫(xiě)成63封閉體系熵平衡方程封閉體系熵平衡方程（5-34） 因因 0出入iiiiSmSm產(chǎn)生體系STQS如果是如果是可逆過(guò)程可逆過(guò)程，S產(chǎn)生產(chǎn)生0，則，則TQS體系式（式（5-33）簡(jiǎn)化為）簡(jiǎn)化為熵的定義式熵的定義式64穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系熵平衡方程穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系熵平衡方程 因體系本身狀態(tài)不隨時(shí)間而變，因體系本身狀態(tài)不隨時(shí)間而變， SS體系體系0 0 （即熵（即熵積累

38、積累0 0） 。0產(chǎn)生出入STQSmSmiiii（5-35）式（式（5-335-33）變?yōu)椋┳優(yōu)樽⒁猓捍颂幉皇钦f(shuō)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程中體系的熵變等于零。注意：此處不是說(shuō)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程中體系的熵變等于零。65第第 三節(jié)三節(jié) 完完66 化工生產(chǎn)中，人們希望合理、充分地化工生產(chǎn)中，人們希望合理、充分地利用能量，提高能量利用率，以獲得更多利用能量，提高能量利用率，以獲得更多的功。本節(jié)根據(jù)熱力學(xué)的基本原理，闡述的功。本節(jié)根據(jù)熱力學(xué)的基本原理，闡述理想功和損失功的概念及其計(jì)算，以便評(píng)理想功和損失功的概念及其計(jì)算，以便評(píng)定實(shí)際過(guò)程中能量利用的完善程度，為提定實(shí)際過(guò)程中能量利用的完善程度，為提高能量利用效率，改進(jìn)生產(chǎn)提

39、供一定的理高能量利用效率，改進(jìn)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。論依據(jù)。67 體系從一個(gè)狀態(tài)變到另一狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)各種過(guò)體系從一個(gè)狀態(tài)變到另一狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)各種過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)經(jīng)歷的過(guò)程不同時(shí)，其所能產(chǎn)生（或所消程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)經(jīng)歷的過(guò)程不同時(shí)，其所能產(chǎn)生（或所消耗）的功是不同的，一個(gè)完全可逆的產(chǎn)功過(guò)程可產(chǎn)出最耗）的功是不同的，一個(gè)完全可逆的產(chǎn)功過(guò)程可產(chǎn)出最大功；而一個(gè)完全可逆的需功過(guò)程，僅消耗最小功。大功；而一個(gè)完全可逆的需功過(guò)程，僅消耗最小功。體系的體系的狀態(tài)變化是在一定的環(huán)境條件狀態(tài)變化是在一定的環(huán)境條件下按完全可逆的過(guò)程進(jìn)行時(shí)，理論上可能產(chǎn)生的最大下按完全可逆的過(guò)程進(jìn)行時(shí)，理論上可能產(chǎn)生的最大功或

40、者必須消耗的最小功。功或者必須消耗的最小功。68 體系內(nèi)部一切的變化必須可逆；體系內(nèi)部一切的變化必須可逆； 體系只與溫度為體系只與溫度為T(mén)0 的環(huán)境進(jìn)行可逆的熱交換。的環(huán)境進(jìn)行可逆的熱交換。 環(huán)繞我們四周的大氣環(huán)繞我們四周的大氣 ( (是特別指定的是特別指定的) ) 因而，理想功是一個(gè)理論的極限值，是用來(lái)因而，理想功是一個(gè)理論的極限值，是用來(lái)作為實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。作為實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。T T0 0 大氣的溫度，常溫（大氣的溫度，常溫（298298K或或293K）第十四次課結(jié)束第十四次課結(jié)束69因假定過(guò)程是完全可逆，因假定過(guò)程是完全可逆， 對(duì)于非流動(dòng)過(guò)程，熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為對(duì)于非流動(dòng)過(guò)程，

41、熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為WQU（5-36）Q Q 對(duì)體系為正，則對(duì)環(huán)境為負(fù)，數(shù)值相等，符號(hào)相反。對(duì)體系為正，則對(duì)環(huán)境為負(fù)，數(shù)值相等，符號(hào)相反。0環(huán)體總SSS環(huán)體SS體環(huán)STQS0體系所處的環(huán)境構(gòu)成了一個(gè)溫度為體系所處的環(huán)境構(gòu)成了一個(gè)溫度為T(mén) T0 0 的恒溫?zé)嵩?。的恒溫?zé)嵩础?0將式（將式（5-375-37）代入式（）代入式（5-365-36），即得），即得 （5-37） 式中式中W WR R 為體系對(duì)環(huán)境或環(huán)境對(duì)體系所做的可逆為體系對(duì)環(huán)境或環(huán)境對(duì)體系所做的可逆功。它包括可以利用的功及體系對(duì)抗大氣壓力功。它包括可以利用的功及體系對(duì)抗大氣壓力p p0 0 所所作的膨脹功作的膨脹功p p0 0V

42、V。后者無(wú)法加以利用，沒(méi)有技術(shù)經(jīng)。后者無(wú)法加以利用，沒(méi)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在計(jì)算理想功時(shí)應(yīng)把這部分功除外；相反，濟(jì)價(jià)值，在計(jì)算理想功時(shí)應(yīng)把這部分功除外；相反，在壓縮過(guò)程中，接受大氣所給的功是很自然的，并不在壓縮過(guò)程中，接受大氣所給的功是很自然的，并不需要為此付出任何代價(jià)。需要為此付出任何代價(jià)。則則體STQ0STUWR0（5-38）71 由式可見(jiàn)，非流動(dòng)過(guò)程的理想功僅與體系變由式可見(jiàn)，非流動(dòng)過(guò)程的理想功僅與體系變化前后的狀態(tài)及環(huán)境的溫度化前后的狀態(tài)及環(huán)境的溫度( (T T0 0 ) )和壓力和壓力( (p p0 0 ) )有關(guān)，有關(guān)，而與具體而與具體變化變化途徑無(wú)關(guān)。途徑無(wú)關(guān)。因此，因此，（5-39

43、）VpSTUWid00理想功的符號(hào)與功相同理想功的符號(hào)與功相同 膨脹過(guò)程膨脹過(guò)程: : V 0，p0V 0 ; ; 而而UT0 S 0，加，加p0V 實(shí)為相減實(shí)為相減 壓縮過(guò)程壓縮過(guò)程: : V 0，p0V 0，加，加p0V 實(shí)為相減實(shí)為相減 72熱力學(xué)第一定律用于穩(wěn)流過(guò)程的表達(dá)式為熱力學(xué)第一定律用于穩(wěn)流過(guò)程的表達(dá)式為 （5-13）QZguHWS221 同樣將同樣將Q = TQ = T0 0S S 代入，即得代入，即得STZguHWid0221（5-40） 在化工過(guò)程中，動(dòng)能變化、位能變化不大，往往在化工過(guò)程中，動(dòng)能變化、位能變化不大，往往可以略而不計(jì)，式（可以略而不計(jì)，式（5-405-40）

44、可簡(jiǎn)化為）可簡(jiǎn)化為STHWid0（5-41）73 只要始、終態(tài)一定（只要始、終態(tài)一定（T T0 0 、p p0 0 基本是常數(shù)基本是常數(shù)），則），則過(guò)程的理想功就一定。過(guò)程的理想功就一定。 必須指出，理想功和可逆功并非同一個(gè)概念。理必須指出，理想功和可逆功并非同一個(gè)概念。理想功是可逆有用功，想功是可逆有用功， 但并不等于可逆功的全部。但并不等于可逆功的全部。 由式可知，由式可知，穩(wěn)流過(guò)程的理想功僅決定于體系的初態(tài)穩(wěn)流過(guò)程的理想功僅決定于體系的初態(tài)與終態(tài)以及環(huán)境的溫度與終態(tài)以及環(huán)境的溫度，而與具體的變化途徑無(wú)關(guān)。，而與具體的變化途徑無(wú)關(guān)。74而而STZguHWid0221QZguHWWSac22

45、1（5-13）（5-40） 狀態(tài)變化相同時(shí)，實(shí)際過(guò)程比完全可逆狀態(tài)變化相同時(shí)，實(shí)際過(guò)程比完全可逆過(guò)程少產(chǎn)生的功或多消耗的功。過(guò)程少產(chǎn)生的功或多消耗的功。idacLWWW（5-42）7522001122LacidWWWHug ZQHug ZTSTSQ 代入式（代入式（5-425-42），因?yàn)椋?，因?yàn)镼STWL體0（5-43） 式中，式中，Q Q 為體系在實(shí)際過(guò)程中與溫度為為體系在實(shí)際過(guò)程中與溫度為T(mén) T0 0 的環(huán)的環(huán)境所交換的熱量境所交換的熱量。76 由于環(huán)境可以視為熱容量極大的恒溫?zé)嵩?，它并不由于環(huán)境可以視為熱容量極大的恒溫?zé)嵩?，它并不因?yàn)槲牖蚍懦鲇邢薜臒崃慷l(fā)生變化，所以因?yàn)槲牖蚍懦鲇?/p>

46、限的熱量而發(fā)生變化，所以Q Q 雖是實(shí)雖是實(shí)際過(guò)程中所交換的熱量，對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)，可視為可逆熱量，際過(guò)程中所交換的熱量，對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)，可視為可逆熱量，S S環(huán)境環(huán)境Q/TQ/T0 0（因環(huán)境所吸入或放出的熱量，其數(shù)值（因環(huán)境所吸入或放出的熱量，其數(shù)值與體系放出或吸入的相等而符號(hào)相反），所以與體系放出或吸入的相等而符號(hào)相反），所以代入式（代入式（5-435-43），得），得 環(huán)境STQ0總環(huán)境體系環(huán)境體系STSSTSTSTWL0000)(77按照熱力學(xué)第二定律，按照熱力學(xué)第二定律，S S總總 00，則，則 上式表明損失功也是過(guò)程可逆與否的標(biāo)志，上式表明損失功也是過(guò)程可逆與否的標(biāo)志，當(dāng)當(dāng)WL0 0，過(guò)程

47、可逆；，過(guò)程可逆； WL 0 0，過(guò)程不可逆。，過(guò)程不可逆。 過(guò)程的推動(dòng)力越大，過(guò)程的推動(dòng)力越大，過(guò)程的不可逆性愈大，則過(guò)程的不可逆性愈大，則總熵的增加愈大，不能用于做功的能量即損失功也愈總熵的增加愈大，不能用于做功的能量即損失功也愈大。因此，每個(gè)不可逆性都是有其代價(jià)的。大。因此，每個(gè)不可逆性都是有其代價(jià)的。（以能量（以能量的的為代價(jià)）。為代價(jià)）。（5-44b）0LW總STWL0（5-44a）78 實(shí)際過(guò)程的能量利用情況可通過(guò)損失功來(lái)衡量，也實(shí)際過(guò)程的能量利用情況可通過(guò)損失功來(lái)衡量，也可以用熱力學(xué)效率可以用熱力學(xué)效率T T 加以評(píng)定。加以評(píng)定。（5-46）（5-45）idacTWW)(產(chǎn)生功a

48、cidTWW)(需要功79 從式（從式（5-455-45）和式（）和式（5-465-46）不難看出，熱力學(xué)）不難看出，熱力學(xué)效率效率T T 必然小于必然小于1 1，它表示真實(shí)過(guò)程與可逆過(guò)程的，它表示真實(shí)過(guò)程與可逆過(guò)程的差距。對(duì)差距。對(duì)W Wid id 、W WL L 和和T T 進(jìn)行計(jì)算，搞清在過(guò)程的不進(jìn)行計(jì)算，搞清在過(guò)程的不同部位同部位W WL L 的大小，這是化工過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析的的大小，這是化工過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析的內(nèi)容，從而指導(dǎo)化工過(guò)程的節(jié)能改進(jìn)。內(nèi)容，從而指導(dǎo)化工過(guò)程的節(jié)能改進(jìn)。 第十五次課結(jié)束第十五次課結(jié)束80第四節(jié)完第四節(jié)完81 如：流體經(jīng)過(guò)如：流體經(jīng)過(guò)，節(jié)流過(guò)程是等焓過(guò)程，節(jié)流

49、，節(jié)流過(guò)程是等焓過(guò)程，節(jié)流前后流體的焓值并未發(fā)生變化前后流體的焓值并未發(fā)生變化, ,但損失了做功能力；但損失了做功能力； 這種作法是必要的這種作法是必要的, ,但不能全面地評(píng)價(jià)能量利用但不能全面地評(píng)價(jià)能量利用情況。情況。確定能量確定能量的數(shù)量利的數(shù)量利用率用率傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的作法作法根據(jù)根據(jù)第一定律第一定律進(jìn)行進(jìn)行能量衡算能量衡算何以見(jiàn)得？何以見(jiàn)得？在評(píng)價(jià)過(guò)程或裝置的能量利用情況時(shí)在評(píng)價(jià)過(guò)程或裝置的能量利用情況時(shí)82 傳統(tǒng)的作法傳統(tǒng)的作法只能顯示只能顯示：廢廢渣、煙渣、煙道道氣、冷卻水帶走的、散熱等，氣、冷卻水帶走的、散熱等， 但不能顯示但不能顯示（因過(guò)程的不可逆（因過(guò)程的不可逆性造成的損失），而

50、有時(shí)這種損失比有形損失更大。性造成的損失），而有時(shí)這種損失比有形損失更大。 又如：冷、熱兩股物流進(jìn)行又如：冷、熱兩股物流進(jìn)行時(shí)，在理想時(shí)，在理想絕熱的情況下（即散熱損失等于零），熱物流放出的絕熱的情況下（即散熱損失等于零），熱物流放出的熱量等于冷物流接受的熱量，冷、熱兩股物流的總能熱量等于冷物流接受的熱量，冷、熱兩股物流的總能量保持不變，但它們總的做功能力卻下降了。量保持不變，但它們總的做功能力卻下降了。 83為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題呢？為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題呢？ 大量的實(shí)例說(shuō)明：大量的實(shí)例說(shuō)明：即各種不同形式的能即各種不同形式的能量轉(zhuǎn)換為功的能力是不同的。量轉(zhuǎn)換為功的能力是不同的。84能夠全部

51、轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ軌蛉哭D(zhuǎn)變?yōu)楣崮芎鸵詿岬臒崮芎鸵詿岬男问絺鬟f的能量形式傳遞的能量（如焓，內(nèi)能）（如焓，內(nèi)能）只能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)楣χ荒懿糠值剞D(zhuǎn)變?yōu)楣θ慷疾豢赡苋慷疾豢赡苻D(zhuǎn)變?yōu)楣D(zhuǎn)變?yōu)楣﹄娔?、機(jī)械能電能、機(jī)械能海水、大氣、周?chē)匀画h(huán)境海水、大氣、周?chē)匀画h(huán)境等的內(nèi)能和以熱量形式輸入等的內(nèi)能和以熱量形式輸入或輸出自然環(huán)境的能量或輸出自然環(huán)境的能量85是體系與環(huán)境是體系與環(huán)境作用，從所處的狀態(tài)達(dá)到與環(huán)境相平衡的可逆過(guò)程作用，從所處的狀態(tài)達(dá)到與環(huán)境相平衡的可逆過(guò)程中，對(duì)外界作出的最大有用功，稱(chēng)為該體系在該狀中，對(duì)外界作出的最大有用功，稱(chēng)為該體系在該狀態(tài)下的態(tài)下的 。 也就是體系從該狀態(tài)變至基態(tài)，達(dá)到與環(huán)境

52、也就是體系從該狀態(tài)變至基態(tài)，達(dá)到與環(huán)境處于完全平衡（熱平衡，力平衡，相平衡，化學(xué)平處于完全平衡（熱平衡，力平衡，相平衡，化學(xué)平衡）狀態(tài)時(shí)此過(guò)程的理想功。不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ暮猓顟B(tài)時(shí)此過(guò)程的理想功。不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q(chēng)為部分稱(chēng)為 。 為了度量能量中的可利用度或比較在不同狀態(tài)為了度量能量中的可利用度或比較在不同狀態(tài)下可轉(zhuǎn)換為功的能量大小，凱南（下可轉(zhuǎn)換為功的能量大小，凱南（KeenenKeenen）提出了）提出了有效能（有效能（Available EnergyAvailable Energy）的概念，我國(guó)國(guó)標(biāo)稱(chēng)）的概念，我國(guó)國(guó)標(biāo)稱(chēng)它為它為 （exergyexergy），本書(shū)用符號(hào)），本書(shū)用符號(hào)

53、Ex 表示。表示。86 理想功就是變化過(guò)程按完全可逆地進(jìn)行時(shí)所理想功就是變化過(guò)程按完全可逆地進(jìn)行時(shí)所作的功；作的功； 在在 的研究中，選定環(huán)境的狀態(tài)（的研究中，選定環(huán)境的狀態(tài)（T0，p0）作為基態(tài)（或稱(chēng)寂態(tài)、熱力學(xué)死態(tài)），即將周?chē)h(huán)作為基態(tài)（或稱(chēng)寂態(tài)、熱力學(xué)死態(tài)），即將周?chē)h(huán)境當(dāng)作一個(gè)具有熱力學(xué)平衡的龐大系統(tǒng)，這種狀態(tài)境當(dāng)作一個(gè)具有熱力學(xué)平衡的龐大系統(tǒng)，這種狀態(tài)下下 值為零；值為零； 但它和內(nèi)能、但它和內(nèi)能、熵、焓等熱力學(xué)性質(zhì)不同，系統(tǒng)某個(gè)狀態(tài)的熵、焓等熱力學(xué)性質(zhì)不同，系統(tǒng)某個(gè)狀態(tài)的 的的數(shù)值還和所選定的平衡的環(huán)境狀態(tài)有關(guān)。數(shù)值還和所選定的平衡的環(huán)境狀態(tài)有關(guān)。87（5-47）021021()(

54、)idWHTSHHT SS 0000000()()()()xEH HT S SHHT SST SH （5-41）狀態(tài)狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2 2則過(guò)程的理想功為則過(guò)程的理想功為 故當(dāng)體系由任意狀態(tài)（故當(dāng)體系由任意狀態(tài)（p，T）變至基態(tài)）變至基態(tài)( (p0，T0) )時(shí)，則上式的時(shí)，則上式的Wid的負(fù)值的負(fù)值就是入口狀態(tài)物流的就是入口狀態(tài)物流的 ，所，所以，穩(wěn)流系統(tǒng)物流的以，穩(wěn)流系統(tǒng)物流的 為為 化工過(guò)程中，常遇到的是化工過(guò)程中，常遇到的是。因此，下。因此，下面以穩(wěn)流物系為例，討論面以穩(wěn)流物系為例，討論 的計(jì)算。的計(jì)算。88式中式中 （H-HH-H0 0 ） 體系具有的能量；體系具有的能量； T T

55、0 0( (S-SS-S0 0 ) ) 體系具有的能量中，不能轉(zhuǎn)體系具有的能量中，不能轉(zhuǎn)化成功的部分，稱(chēng)為化成功的部分，稱(chēng)為 。( (S-SS-S0 0) )越大，越大， 越多。越多。 式（式（5-475-47）是）是 基本計(jì)算公式，它適用于各種物基本計(jì)算公式，它適用于各種物理的、化學(xué)的或兩者兼而有之的理的、化學(xué)的或兩者兼而有之的 計(jì)算。它清楚地表計(jì)算。它清楚地表明系統(tǒng)物流明系統(tǒng)物流 的大小取決于系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)（基的大小取決于系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)（基態(tài)）的差異。這種差異可能是物理參數(shù)（溫度、壓力態(tài)）的差異。這種差異可能是物理參數(shù)（溫度、壓力等）不同引起的，也可能是組成（包括物質(zhì)的化學(xué)結(jié)等）不

56、同引起的，也可能是組成（包括物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物態(tài)和濃度等）不同而引起。通常把前一種稱(chēng)為構(gòu)、物態(tài)和濃度等）不同而引起。通常把前一種稱(chēng)為，后一種稱(chēng)為，后一種稱(chēng)為。89 當(dāng)動(dòng)能和位能變化不能忽略時(shí)，物流當(dāng)動(dòng)能和位能變化不能忽略時(shí)，物流 還應(yīng)把還應(yīng)把動(dòng)能動(dòng)能 和位能和位能 加進(jìn)去。由于動(dòng)能和位能都可以加進(jìn)去。由于動(dòng)能和位能都可以全部轉(zhuǎn)化成有效的功，因此這兩項(xiàng)的全部轉(zhuǎn)化成有效的功，因此這兩項(xiàng)的 就是其本身。就是其本身。 以功的形式傳遞的能量（電能，機(jī)械能，動(dòng)能，以功的形式傳遞的能量（電能，機(jī)械能，動(dòng)能，位能等）位能等）下面介紹幾種常見(jiàn)情況的下面介紹幾種常見(jiàn)情況的 計(jì)算。計(jì)算。xEW（5-48）90QTT

57、WECarnotxQ01（5-49） 溫度為溫度為T(mén) T 的的恒溫?zé)嵩春銣責(zé)嵩吹臒崃康臒崃縌 Q，其，其 E EXQ XQ 按按CarnotCarnot循環(huán)所轉(zhuǎn)化的最大功計(jì)算，即循環(huán)所轉(zhuǎn)化的最大功計(jì)算，即 此式表明熱能是一種品位較低的能量，它僅有此式表明熱能是一種品位較低的能量，它僅有一部分是一部分是 。熱量。熱量Q中具有的中具有的 大小不僅與熱量的數(shù)大小不僅與熱量的數(shù)量有關(guān)，而且與周?chē)h(huán)境溫度量有關(guān)，而且與周?chē)h(huán)境溫度T0及熱源溫度及熱源溫度T 有關(guān)。有關(guān)。溫度溫度T 愈接近于環(huán)境溫度，愈接近于環(huán)境溫度， 愈小。愈小。91 當(dāng)熱量傳遞是在當(dāng)熱量傳遞是在變溫情況下變溫情況下，其，其 計(jì)算不能簡(jiǎn)

58、計(jì)算不能簡(jiǎn)單地用式（單地用式（5-495-49）求得，應(yīng)按式（）求得，應(yīng)按式（5-475-47） 計(jì)算。由計(jì)算。由熱力學(xué)關(guān)系式可知等壓變溫過(guò)程熱力學(xué)關(guān)系式可知等壓變溫過(guò)程（5-50）0000TTpxQpTTCETSHTdTC dTT 式中式中C Cp p為等壓摩爾熱容。為等壓摩爾熱容。000001TTTpppTTTCTC dTTdTC dTTT92由熱力學(xué)關(guān)系式可知，等溫過(guò)程時(shí)由熱力學(xué)關(guān)系式可知，等溫過(guò)程時(shí)0pppVHVTdpT0pppVSdpT000000()ppxppppppppVVETSHTdpVTdpTTVVTTdpT （5-51）93對(duì)于理想氣體，對(duì)于理想氣體， RTVppRTVp0

59、0lnppRTExp（5-52）則每摩爾的則每摩爾的 94 在計(jì)算化學(xué)在計(jì)算化學(xué) 時(shí)不但要確定環(huán)境的溫度和壓力，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。和物理而且要指定基準(zhǔn)物和濃度。和物理 一樣，指定基準(zhǔn)一樣，指定基準(zhǔn)狀態(tài)的物理?xiàng)l件是壓力為狀態(tài)的物理?xiàng)l件是壓力為0.1MPa（1bar）,溫度為溫度為298.15K(25)，化學(xué)條件是首先規(guī)定大氣物質(zhì)所含元，化學(xué)條件是首先規(guī)定大氣物質(zhì)所含元素的基準(zhǔn)物，取大氣中的對(duì)應(yīng)成分，其組成如素的基準(zhǔn)物，取大氣中的對(duì)應(yīng)成分，其組成如表表5-1所示，即在上述物理?xiàng)l件下的所示，即在上述物理?xiàng)l件下的飽和濕空氣飽和濕空氣。表表5-2列列出了出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中

60、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中部分元素的基準(zhǔn)物。部分元素的基準(zhǔn)物。95CaNaClS表表5-1表表5-296 值得注意的是，值得注意的是，規(guī)定每一元素的環(huán)境狀態(tài)帶有人規(guī)定每一元素的環(huán)境狀態(tài)帶有人為的性質(zhì)。為的性質(zhì)。例如例如硫硫在環(huán)境中的平衡狀態(tài)是單體硫黃，在環(huán)境中的平衡狀態(tài)是單體硫黃，還是硫鐵礦，或是煙氣中的二氧化硫，抑或天然石膏？還是硫鐵礦，或是煙氣中的二氧化硫，抑或天然石膏？鈣鈣的環(huán)境狀態(tài)是石膏還是石灰石？這只能根據(jù)所研究的環(huán)境狀態(tài)是石膏還是石灰石？這只能根據(jù)所研究的具體對(duì)象而定。的具體對(duì)象而定。 現(xiàn)在已有不少作者發(fā)表了化學(xué)現(xiàn)在已有不少作者發(fā)表了化學(xué) 數(shù)據(jù)，但所選環(huán)境數(shù)據(jù)，但所選環(huán)境狀態(tài)均有所不同，關(guān)鍵是狀態(tài)