化工節(jié)能原理與技術(shù)4

化工節(jié)能原理與技術(shù)北京化工大學(xué)2014.2（春季學(xué)期）1第1章總論1.1能源與能源的分類（1）我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長面臨資源和環(huán)境的雙重制約。

石油作為重要的不可再生資源，其加工過程和產(chǎn)品質(zhì)量對它的利用效率和生態(tài)環(huán)境都具有重大影響。（2）分子水平煉油、原子經(jīng)濟(jì)化工

新催化材料、新反應(yīng)工程和新反應(yīng)途徑

2第1章總論1.1能源與能源的分類1.1.1能源能源定義：為人類生產(chǎn)和生活提供能量和動力的物質(zhì)能源類型：固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水力、電能等。能源與能量的區(qū)別作業(yè)：列舉幾例新型能源及制備技術(shù)（從文獻(xiàn)摘要中總結(jié)1-2句）。3第1章總論1.1.2能源的分類1.1.2.1按來源分類來自地球以外天體的能量（太陽輻射能）太陽能總能量可達(dá)174000TW/a地球本身蘊(yùn)藏的能量（地?zé)崮芎驮雍四埽┑厍蚝推渌祗w相互作用而產(chǎn)生的能量（潮汐能）4第1章總論1.1.2能源的分類1.1.2.2按能源的轉(zhuǎn)換和利用層次分類（1）一次能源（煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、太陽能）可再生能源非可再生能源（2）二次能源（電、蒸汽、煤氣、石油制品）（3）終端能源天然氣：甲烷(82-98%)和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。類似的有煤層氣。95%以上甲烷水煤氣（半水煤氣）：主要成分：H2,CO,少量CO2,N2,CH4等5第1章總論1.1.2能源的分類1.1.2.3按能源的使用狀況分類（1）常規(guī)能源（2）新能源生物質(zhì)能：秸桿氣化，生物制氫。生物柴油：各種不同油料和醇類在酸或堿催化下進(jìn)行酯交換反應(yīng)1.1.2.4按對環(huán)境的污染程度分類（1）清潔能源（2）非清潔能源6第1章總論1.1.2能源的分類CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH化學(xué)法：液堿催化酯交換，反應(yīng)速度慢，工藝流程復(fù)雜，不是綠色加工工藝生物法：采用生物酶作催化劑，距離大規(guī)模工業(yè)化較遠(yuǎn)高溫高壓（超臨界反應(yīng)）法：用超臨界萃?。ɑ蛞汗梯腿。┖蟮囊后w原料；反應(yīng)速度快，無催化劑；綠色加工工藝7第1章總論1.1.2能源的分類產(chǎn)物分相酯相甘油相蒸短鏈醇蒸短鏈醇真空蒸餾甘油真空蒸餾水洗干燥生物柴油醇水稀溶液醇水稀溶液無共沸物（甲醇/水）普通蒸餾無水甲醇共沸物（乙醇/水、叔丁醇/水）特殊蒸餾無水乙醇（叔丁醇）關(guān)鍵技術(shù)后處理分離過程的分子熱力學(xué)基礎(chǔ)，用于建立過程數(shù)學(xué)模型特殊蒸餾分離醇水稀溶液（分離劑的篩選）8第1章總論1.2化學(xué)工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.1我國化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)（1）煤、石油、天然氣既是能源，又是原料（2）能源消費(fèi)以煤為主（3）大宗化學(xué)品生產(chǎn)規(guī)模太小1.2.2節(jié)能潛力節(jié)能總潛力和可實現(xiàn)的節(jié)能潛力9第1章總論1.2化學(xué)工業(yè)節(jié)能的潛力與意義1.2.3節(jié)能的意義1.3節(jié)能的途徑1.3.1結(jié)構(gòu)節(jié)能1.3.2管理節(jié)能1.3.3技術(shù)節(jié)能1.3.3.1工藝節(jié)能催化劑和化學(xué)反應(yīng)工程

催化技術(shù)是現(xiàn)代煉油和石油化工工業(yè)重要的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，在煉油和化學(xué)工業(yè)中60%以上的新產(chǎn)品和90%以上新工藝的開發(fā)基于催化作用。分離工程改進(jìn)工藝方法和設(shè)備10第1章章總總論論1.3節(jié)節(jié)能能的途徑徑1.3.3.2化化工單元元操作設(shè)設(shè)備節(jié)能能流體輸送送機(jī)械、、換熱設(shè)設(shè)備、蒸蒸發(fā)設(shè)備備、塔設(shè)設(shè)備、干干燥設(shè)備備。1.3.3.3化化工過程程系統(tǒng)節(jié)節(jié)能把整個系系統(tǒng)集成成起來作作為一個個有機(jī)的的整體對對待，所所進(jìn)行的的節(jié)能工工作。1.3.3.4控控制節(jié)能能11第1章章總總論論教材：馮宵.化化工節(jié)節(jié)能原理理與技術(shù)術(shù).北北京：化化學(xué)工業(yè)業(yè)出版社社，2005參考書：：1.陳安安民.石石油化化工過程程節(jié)能方方法和技技術(shù).北北京：：中國石石化出版版社，19952.黃素逸.能源科學(xué)學(xué)導(dǎo)論.北北京：中國電電力出版社，，19983.劉家祺.分離過程程.北京：：化學(xué)工業(yè)出出版社，200512第1章總總論論考核方式：五分制成績評定：課程總成績的的評定權(quán)重為為：作業(yè)占10%，課程程測驗占60%（采取開開卷方式），，課程報告占占30%。課程報告：一種新型的節(jié)節(jié)能技術(shù)，如如催化（反應(yīng)應(yīng)精餾）技術(shù)術(shù)，反應(yīng)-反反應(yīng)耦合，結(jié)結(jié)構(gòu)化催化劑劑，新型熱泵泵，新型精餾餾技術(shù)（熱偶偶精餾、特殊殊精餾）等。。大約5000-10000字左右右。13第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)能量：內(nèi)能是物質(zhì)內(nèi)內(nèi)部一切微觀觀粒子所具有有的能量的總總和。（狀態(tài)態(tài)參數(shù)）熱力學(xué)定律：：熱力學(xué)第一定定律：能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換與守恒定定律熱力學(xué)第二定定律：克勞修修斯說法：不不可能把熱從從低溫物體傳傳至高溫物體體而不引起其其他變化，揭揭示能量“質(zhì)質(zhì)”的屬性熱力學(xué)第三定定律：0K時純物質(zhì)質(zhì)完美晶體的的熵等于零節(jié)能的實質(zhì)：：防止和減少少能量貶值現(xiàn)現(xiàn)象的發(fā)生14第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.1熱熱力系統(tǒng)（（系統(tǒng)）熱力系統(tǒng)（系系統(tǒng)）：相互作用的的物體中取出出的研究對象象。系統(tǒng)的邊界：系統(tǒng)與外界界的分界面固定的、移動動的、真實的的、假想的能量交換：熱和功物質(zhì)交換：物質(zhì)的流進(jìn)進(jìn)和流出，伴伴隨著能量的的交換開口系統(tǒng)（流流動系統(tǒng)）：有物質(zhì)交換換和能量交換換閉口系統(tǒng)：無物質(zhì)交換換孤立系統(tǒng)：無物質(zhì)交換換和能量交換換絕熱系統(tǒng)：無熱量交換換15第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.2平平衡狀態(tài)熱力狀態(tài)（狀狀態(tài)）：某一瞬間的的宏觀物理狀狀況。平衡狀態(tài)：在不受外界界影響的條件件下，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨隨時間改變的的狀態(tài)如溫度、壓力力、組成等滿足力平衡、、熱平衡和化化學(xué)平衡的狀狀態(tài)（不存在在不平衡勢））2.1.3狀狀態(tài)參數(shù)和和狀態(tài)方程式式狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏宏觀狀態(tài)的物物理量，是狀狀態(tài)的單值函函數(shù)16第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.3狀狀態(tài)參數(shù)和和狀態(tài)方程式式狀態(tài)參數(shù)：描述系統(tǒng)宏宏觀狀態(tài)的物物理量，是狀狀態(tài)的單值函函數(shù)強(qiáng)度量（強(qiáng)度度性質(zhì)）：壓壓力P、溫度T、組成x等；不可加量量廣延量（容量量性質(zhì)）：容容積V、內(nèi)能U、焓H、熵S等；可加量廣延量/質(zhì)量量轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)強(qiáng)度量2.1.3.1溫度溫標(biāo)：衡量溫度的的標(biāo)尺t（攝氏溫溫度）=T（熱力學(xué)學(xué)溫度，開爾文溫度，，或稱絕對溫溫度）–273.1517第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.3狀狀態(tài)參數(shù)和和狀態(tài)方程式式2.1.3.2比容和和密度比容：單位質(zhì)量物物質(zhì)所占有的的容積m3/kg密度：比容的倒數(shù)數(shù)kg/m318第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.3.3壓力力單位：工程大氣壓壓（at）1at=1kgf/cm2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm）1atm=760mmHg測量儀器：差壓計（壓壓力表或真空空表）表壓(Pg)=絕對對壓力(P)-大氣氣壓(P0)真空度(Pv)=大氣氣壓(P0)-絕對對壓力(P)真空度(Pv)=-表表壓(Pg)19第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.3.3狀態(tài)態(tài)公理和狀態(tài)態(tài)方程式狀態(tài)公理：對于組成一一定的物質(zhì)系系統(tǒng)若存在n種可逆功（系系統(tǒng)進(jìn)行可逆逆過程時和外界所交換換的功量）的的作用，則決決定該系統(tǒng)平平衡態(tài)的獨(dú)立立狀態(tài)參數(shù)有n+1個。。簡單可壓縮系系統(tǒng)：與外界交換換功量的模式式中只有容積積功的系統(tǒng)。。物質(zhì)的狀態(tài)方方程式：F(p,v,T)=020第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.4功功和熱量量功（W)：系統(tǒng)對外界界的單一效果果歸結(jié)為提升升一個重物，，則說系統(tǒng)作作了功。系統(tǒng)對外做功功為正，得到到功為負(fù)。熱量(Q)：由于溫差引引起的，系統(tǒng)統(tǒng)與外界之間間發(fā)生的能量量轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)吸熱為正正，放熱為負(fù)負(fù)。21第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.1基本本概念2.1.5可可逆過程程耗散效應(yīng)：使功變?yōu)闊釤岬男?yīng)。非平衡損失：有限溫差下的的傳熱過程有限壓差混合過程（化化學(xué)勢差）可逆過程是理理想化的極限限過程，可以以作出最大的的功或消耗最最少的功，為為評價實際能量轉(zhuǎn)換換過程提供了了理想的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。22第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.2能量量與熱力學(xué)第第一定律輸入系統(tǒng)的能能量-輸輸出系統(tǒng)的能能量=系系統(tǒng)儲存能量量的變化宏觀動能：mc2/2宏觀位能：mgz系統(tǒng)內(nèi)部的微微觀能量（內(nèi)內(nèi)能）：U2.2.1閉閉口系統(tǒng)能能量恒算式Q=ΔU+W對單單位位質(zhì)質(zhì)量量q=Δu+w對微微元元過過程程δq=du+δw23第2章章節(jié)節(jié)能能的的熱熱力力學(xué)學(xué)2.2能能量量與與熱熱力力學(xué)學(xué)第第一一定定律律2.2.2穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動開開口口系系統(tǒng)統(tǒng)能能量量衡衡算算物質(zhì)質(zhì)流流轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移到到系系統(tǒng)統(tǒng)的的能能量量為為：：δm1δm2δQδWδm(u+pv+c2/2+gz)=δm(h+c2/2+gz)h=u+pvH=U+pV24第2章章節(jié)節(jié)能能的的熱熱力力學(xué)學(xué)2.2能能量量與與熱熱力力學(xué)學(xué)第第一一定定律律2.2.2穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動開開口口系系統(tǒng)統(tǒng)能能量量衡衡算算開口口系系統(tǒng)統(tǒng)的的能能量量衡衡算算式式為為：：δm1δm2δQδWdU=δδQ––δδW+δδm1(h1+c12/2+gz1)––δm2(h2+c22/2+gz2)δQ=δδm2(h2+c22/2+gz2)–δδm1(h1+c12/2+gz1)+δW+dU25第2章章節(jié)節(jié)能能的的熱熱力力學(xué)學(xué)2.2能能量量與與熱熱力力學(xué)學(xué)第第一一定定律律2.2.2穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動開開口口系系統(tǒng)統(tǒng)能能量量衡衡算算穩(wěn)定定流流動動：空空間間各各點(diǎn)點(diǎn)參參數(shù)數(shù)不不隨隨時時間間變變化化的的流流動動過過程程（1））.熱熱和和功功的的交交換換不不隨隨時時間間而而變變；；（2））.物物質(zhì)質(zhì)交交換換不不隨隨時時間間而而變變；；（3））.進(jìn)進(jìn)、、出出口口截截面面參參數(shù)數(shù)不不隨隨時時間間而而變變dU=δδQ––δδW+δδm1(h1+c12/2+gz1)––δm2(h2+c22/2+gz2)dU=0，δm1=δm2Q=ΔH+mΔc2/2+mgΔz+WQ=Σoutmi(h+c2/2+gz)i–Σinmi(h+c2/2+gz)i+W（對多股股流體））26第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.2能能量與與熱力學(xué)學(xué)第一定定律2.2.2穩(wěn)穩(wěn)定流動動開口系系統(tǒng)能量量衡算例2-1：某化肥肥廠生產(chǎn)產(chǎn)的半水水煤氣，，其組成成如下：：CO29%，CO33%,H236%,N221.5%,CH40.5%。進(jìn)變變換爐時時水蒸氣氣與一氧氧化碳的的體積比比為6，，溫度為為653.15K。設(shè)設(shè)變換率率為85%，試試計算出出變換爐爐的氣體體溫度。。變換氣半水煤氣氣水蒸氣100kmolnkmol(nH2O:nCO=6)T=380℃27第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.2能能量與與熱力學(xué)學(xué)第一定定律2.2.2穩(wěn)穩(wěn)定流動動開口系系統(tǒng)能量量衡算進(jìn)入爐中中的濕氣氣體各組組分的物物質(zhì)的量量（kmol)：CO29;CO33;H236;N221.5;CH40.5;H2O198出變換爐爐時濕氣氣體各組組分的物物質(zhì)的量量（kmol)：CO237.5;CO4.95;H264.05;N221.5;CH40.5;H2O169.95絕熱過程：ΔH=0；ΔU=28第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.2能能量與熱力力學(xué)第一定定律2.2.2穩(wěn)定流流動開口系系統(tǒng)能量衡衡算焓是狀態(tài)參參數(shù)，過程程焓變等于于終態(tài)的焓焓減去初態(tài)態(tài)的焓；既有物理變變化又有化化學(xué)反應(yīng)的的物系，計計算焓變需需考慮反應(yīng)應(yīng)熱。653.15K298.15KΔH1恒壓降溫ΔHr恒溫恒壓化學(xué)反應(yīng)298.15KTK恒壓升溫ΔH2ΔH=0恒壓絕熱反應(yīng)29第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.2能能量與熱力力學(xué)第一定定律2.2.2穩(wěn)定流流動開口系系統(tǒng)能量衡衡算（1）.狀狀態(tài)參數(shù)數(shù)法ΔH=ΔΔH1+ΔHr+ΔH2=0ΔH1=-3.56×106(kJ)ΔHr=28.05×(-41198)=-1.156×106(kJ)ΔH2=10396T-3099527(kJ)作業(yè)：1。。計算653.15K時轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化28.05kmol的恒溫溫恒壓反應(yīng)應(yīng)熱。30第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.2能能量與熱力力學(xué)第一定定律2.2.2穩(wěn)定流流動開口系系統(tǒng)能量衡衡算（1）.統(tǒng)統(tǒng)一基準(zhǔn)準(zhǔn)焓法規(guī)定0K時穩(wěn)穩(wěn)定單質(zhì)的理想氣體體的焓為零零；規(guī)定298.15K時時穩(wěn)定單質(zhì)的理想氣體體的焓為零零；基準(zhǔn)態(tài)下化化合物的焓焓等于標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)生成焓無論物理變變化，還是是化學(xué)變化化，元素守守恒無論物理變變化，還是是化學(xué)變化化，過程焓焓變：ΔH=H終態(tài)–H初態(tài)653.15K時，H初態(tài)=-49.17×106(kJ)753.15K時，H終態(tài)=-49.98×106(kJ)ΔH=H終態(tài)–H初態(tài)=031第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律熱力學(xué)第一一定律指出出了能量的的同一性，“量”的的屬性；不不能解釋““質(zhì)”的屬屬性如：功和熱熱，高溫?zé)釤崤c低溫?zé)釤?；熱力學(xué)第二二定律指出出了能量的的“質(zhì)”的的屬性，說明過程程進(jìn)行的方方向、條件件及限制。開爾文說法法：不可能能從單一熱熱源吸收熱熱量使之完完全變成有有用功而不不產(chǎn)生其他他影響。普朗克說法法：不可能能制造一個個機(jī)器，使使之在循環(huán)環(huán)動作中把把一重物升升高，而同時使一一熱源冷卻卻。32第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律TS12卡諾定理：在兩個不不同溫度的的恒溫?zé)嵩丛撮g工作的的所有熱機(jī)機(jī)，不可能能有任何熱機(jī)的效效率比可逆逆熱機(jī)的效效率更高。。熱效率：ηc=1-T2/T133第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律結(jié)論：提高熱效效應(yīng)的根本本途徑：提提高熱源溫溫度、降低低冷源溫度度以及盡可可能減少不可可逆因素。。2.3.2熵熵的概念念和孤立系系統(tǒng)熵增原原理熵是狀態(tài)函函數(shù)，定義義（對可逆逆過程）熱效率：ηc=1-T2/T1最大有用功功（以環(huán)境境溫度為限限）：W=Q(1-T0/T1)34第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律2.3.2熵熵的概念念和孤立系系統(tǒng)熵增原原理熵流：由于于熱流引起起的熵的變變化熵產(chǎn)：由于于系統(tǒng)內(nèi)部部和外部的的不可逆性性引起系統(tǒng)統(tǒng)熵的變化化孤立系統(tǒng)或或絕熱系統(tǒng)統(tǒng)的熵可以以增大，或或保持不變變，但不可可能減少（（熱力學(xué)第二定定律的另一一種表述））不可逆性引引起的做功功能力損失失為：35第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律2.3.3熱熱力學(xué)第第二定律的的熵衡算方方程式適用于任何何系統(tǒng)的熵熵衡算方程程式：進(jìn)入系統(tǒng)的的熵+不不可逆性性引起的熵熵產(chǎn)量=離開系系統(tǒng)的熵+系統(tǒng)統(tǒng)熵的變化化進(jìn)、出系統(tǒng)統(tǒng)的熵包括括：進(jìn)、出出系統(tǒng)的物物質(zhì)流所攜攜帶的熵，，以及因可可逆?zhèn)鳠崴鸬牡撵刈儗﹂]口系統(tǒng)統(tǒng)36第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律2.3.3熱熱力學(xué)第第二定律的的熵衡算方方程式對開口系統(tǒng)統(tǒng)（既有能能量交換又又有物質(zhì)交交換）對穩(wěn)定流動動系統(tǒng)（系系統(tǒng)參數(shù)不不隨時間而而變）對單股穩(wěn)流流系統(tǒng)（（min=mout=m）（對絕熱熱過程，？？）37第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律2.3.3熱熱力學(xué)第第二定律的的熵衡算方方程式T-S圖（可逆逆過程熱量量）TS1238第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律2.3.4能能量和火用能量的轉(zhuǎn)換換過程具有有方向性或或不可逆性性能量的轉(zhuǎn)換換能力（能能量轉(zhuǎn)換為為功的能力力或做功能能力）能量的可利利用性分為為三類：(a).具具有完全全轉(zhuǎn)換能力力的能量，，如機(jī)械能能、電能等等；(b).具具有部分分轉(zhuǎn)換能力力的能量，，如熱能、、內(nèi)能或焓焓等；(c).完完全不具具有轉(zhuǎn)換能能力的能量量，如處于于環(huán)境溫度度下的熱能能等卡諾熱機(jī)的的熱效率：：ηc=1-T0/T139第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.3火用與熱力學(xué)學(xué)第二定律律2.3.4能能量和火用能量的火用（有效效能）：轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為有用用功的那部部分能量；；能量的火無（無效效能）：不不能轉(zhuǎn)換為為有用功的的那部分能能量任何一種形形式的能量量可表示成成能量=火用+火無分析第一類類能量，第第二類能量量和第二類類能量的火用和火無。40第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.1環(huán)環(huán)境與物物系的基準(zhǔn)準(zhǔn)狀態(tài)自然環(huán)境是是火用的自自然零點(diǎn)自然環(huán)境是是一種概念念性的環(huán)境境定環(huán)境模型：：環(huán)境是確定定不變的。斯蔡古特的環(huán)環(huán)境模型：(1).環(huán)環(huán)境溫度T0=298.15K，，環(huán)境壓力P0=1atm(2).環(huán)環(huán)境由若干基基準(zhǔn)物構(gòu)成。。每一種元素素都有其對應(yīng)應(yīng)的基準(zhǔn)物和和基準(zhǔn)反應(yīng)。。(3).基基準(zhǔn)物的自由由焓較小龜山-吉田模模型：(1).氣氣態(tài)基準(zhǔn)物的的組成(2).其其他元素以在在T0,P0下純態(tài)最穩(wěn)定定的物質(zhì)作為為基準(zhǔn)物41第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.1環(huán)境境與物系的基基準(zhǔn)狀態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境處處于熱力學(xué)平平衡狀態(tài)時，，火用值為零；；完全的熱力學(xué)學(xué)平衡：熱平平衡、力平衡衡和化學(xué)平衡衡不完全的熱力力學(xué)平衡：熱熱平衡、力平平衡物理火用：取不完全平平衡環(huán)境狀態(tài)態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài)態(tài)，一個系統(tǒng)統(tǒng)的能量具有有的火用物理火用+化學(xué)學(xué)火用：取完全全平衡環(huán)境狀狀態(tài)作為基準(zhǔn)準(zhǔn)態(tài)化學(xué)火用：取完全平衡衡環(huán)境狀態(tài)作作為基準(zhǔn)態(tài)，，因化學(xué)不平平衡所具有的的火用42第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.2機(jī)械械形式能量的的火用動能火用：c2/2位能火用：gz封閉系統(tǒng)從狀狀態(tài)1變化到到狀態(tài)2所做做功W12的火用為：Ew=W12–p0(V2–V1)封閉系統(tǒng)所做做功的火無為：Aw=p0(V2–V1)V1V2T0,p043第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用熱量火用：系統(tǒng)所傳傳遞的熱量用用可逆方式所所能作出的最最大有用功可逆熱機(jī)T>T0δQδWA-δQ0能量衡算式：δQ=-δQ0+δWA熵平衡方程式式：δQ/T+dS產(chǎn)=-δQ0/T44第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用熱量火用：系統(tǒng)所傳傳遞的熱量用用可逆方式所所能作出的最最大有用功能量衡算式：δQ=-δQ0+δWA熵平衡方程式式：δQ/T+dS產(chǎn)=-δQ0/T可逆過程：dS產(chǎn)=0熱量火用熱量火無45第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用熱量火用：系統(tǒng)所傳傳遞的熱量用用可逆方式所所能作出的最最大有用功熱量火用S熱量火無S1S21243TT0EQAQ46第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用溫度恒定熱源源變溫?zé)嵩礋崃炕鹩脽崃炕馃o熱量火無？熱力學(xué)平均溫溫度47第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用例2-2把100kPa、127℃℃的1kg空氣可可逆定壓加熱熱到427℃℃，試求所所加熱量中的的火用和火火無。。空氣的平均均定壓比熱容容cp=1.004kJ/(kgK)。設(shè)環(huán)境境大氣溫度為為27℃℃。48第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用T>T0相同熱量的情情況下，熱量量的溫度越高高，熱量中的的火用值越大；T<T0EQ與Q的方向相反。。說明：系統(tǒng)統(tǒng)得到熱量時時，系統(tǒng)的火用減少；放出熱量時，系系統(tǒng)的火用增加。單位熱量的火用：Ω=EQ/QSS1S2TT04312EQQ49第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用T>T0熱量火用總是小于熱量量；T<T0冷量火用可以大于熱量量；T/K300T0Ω10.51.5050第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.3熱量量火用在溫差相同、、傳熱量相同同的條件下，，低溫時的火用損失比高溫時時大得多；例2-3在在某一低溫溫裝置中將空空氣自600kPa和和27℃定定壓預(yù)冷至-100℃℃，試求1kg空空氣所獲冷量量的火用和火無?？諝獾牡钠骄▔罕缺葻崛轂?.0kJ/(kgK)。設(shè)環(huán)境境大氣的溫度度為27℃。51第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.4封閉閉系統(tǒng)的火用封閉系統(tǒng)的火用：封閉系統(tǒng)從給給定狀態(tài)以可可逆方式轉(zhuǎn)變變到環(huán)境狀態(tài)態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量量時所能作出出的最大有用用功。P,T,u,SP0,T0,u0,S0δqδwA,max52第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.4封閉閉系統(tǒng)的火用封閉系統(tǒng)的火用：封閉系統(tǒng)從給給定狀態(tài)以可可逆方式轉(zhuǎn)變變到環(huán)境狀態(tài)態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量量時所能作出出的最大有用用功。封閉系統(tǒng)的能能量方程可逆過程封閉系統(tǒng)的火用封閉系統(tǒng)的火無53第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.4封閉閉系統(tǒng)的火用封閉系統(tǒng)的火用：封閉系統(tǒng)從給給定狀態(tài)以可可逆方式轉(zhuǎn)變變到環(huán)境狀態(tài)態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量量時所能作出出的最大有用用功。封閉系統(tǒng)的火用從狀態(tài)1可逆逆變化到狀態(tài)態(tài)2時所作的的最大有用功功：54第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.5穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用：：穩(wěn)定定物物流流經(jīng)經(jīng)可可逆逆方方式式與與環(huán)環(huán)境境交交換換熱熱量量時時所所能能作作出出的的最最大有有用用功功。。穩(wěn)流流能能量量方方程程熵方方程程進(jìn)入入系系統(tǒng)統(tǒng)的的熵熵+不不可可逆逆性性引引起起的的熵熵產(chǎn)產(chǎn)量量=離離開開系系統(tǒng)統(tǒng)的的熵熵+系系統(tǒng)統(tǒng)熵熵的的變變化化55第2章章節(jié)節(jié)能能的的熱熱力力學(xué)學(xué)2.4能能量量的的火用計計算算2.4.5穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用：：穩(wěn)定定物物流流經(jīng)經(jīng)可可逆逆方方式式與與環(huán)環(huán)境境交交換換熱熱量量時時所所能能作作出出的的最最大有有用用功功。。穩(wěn)流流能能量量方方程程熵方方程程可逆逆條條件件穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用56第2章章節(jié)節(jié)能能的的熱熱力力學(xué)學(xué)2.4能能量量的的火用計計算算2.4.5穩(wěn)穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用：：穩(wěn)定定物物流流經(jīng)經(jīng)可可逆逆方方式式與與環(huán)環(huán)境境交交換換熱熱量量時時所所能能作作出出的的最最大有有用用功功。。穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火用穩(wěn)定定流流動動系系統(tǒng)統(tǒng)的的火無不考考慮慮宏宏觀觀動動能能和和位位能能（（焓焓火用））從狀狀態(tài)態(tài)1可可逆逆變變化化到到狀狀態(tài)態(tài)2時時所所作作的的最最大大有有用用功功：：57第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.5穩(wěn)穩(wěn)定流動動系統(tǒng)的火用穩(wěn)定流動系系統(tǒng)的火用：穩(wěn)定物流經(jīng)經(jīng)可逆方式式與環(huán)境交交換熱量時時所能作出出的最大有用功。。作業(yè)1：從從穩(wěn)定流動動系統(tǒng)的火用推導(dǎo)穩(wěn)穩(wěn)定流動系系統(tǒng)的火無；2：從穩(wěn)定定流動系統(tǒng)統(tǒng)的火用推導(dǎo)““從狀態(tài)1可可逆變化到到狀態(tài)2時時所作的最最大有用功”穩(wěn)定流動系系統(tǒng)的火無不考慮宏觀觀動能和位位能（焓焓火用）從狀態(tài)1可可逆變化到到狀態(tài)2時時所作的最最大有用功功：58第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.5穩(wěn)穩(wěn)定流動動系統(tǒng)的火用例2-4設(shè)設(shè)有一空空氣絕熱透透平，空氣氣的進(jìn)口狀狀態(tài)為600kPa、200℃℃，宏觀速速度為160m/s，出口口狀態(tài)為100kPa、、40℃℃和80m/s。試求求（1）空空氣在進(jìn)、出口口狀態(tài)下的的焓火用；（（2）透平平的實際輸輸出功；（（3）透平平能夠作出的最大有有用功。空空氣的定壓壓比熱容為為1.01kJ/(kgK)，環(huán)環(huán)境大氣狀狀態(tài)為100kPa、17℃。。59第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.6化化學(xué)反應(yīng)的的最大有用用功穩(wěn)定流動系系統(tǒng)化學(xué)反反應(yīng)Q:化學(xué)反反應(yīng)系統(tǒng)與與外界的熱熱量交換（（反應(yīng)熱））ΔH=H2–H1化學(xué)反應(yīng)系系統(tǒng)焓的變變化（反應(yīng)應(yīng)焓）定溫條件下下，化學(xué)反反應(yīng)系統(tǒng)熵熵的變化可逆條件60第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.6化化學(xué)反應(yīng)的的最大有用用功穩(wěn)定流動系系統(tǒng)化學(xué)反反應(yīng)結(jié)論：可逆逆定溫系統(tǒng)統(tǒng)作出的最最大反應(yīng)有有用功等于于系統(tǒng)自由由焓的減少少。最大反應(yīng)有有用功是狀狀態(tài)參數(shù)61第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.6化化學(xué)反應(yīng)的的最大有用用功653.15K298.15KΔH1恒壓降溫ΔHr恒溫恒壓化化學(xué)反應(yīng)298.15KTK恒壓升溫ΔH2ΔH=0恒壓絕熱反反應(yīng)T1,P1T2,P2298.15K,1atm298.15K,1atm62第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.6化化學(xué)反應(yīng)的的最大有用用功標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化化學(xué)反應(yīng)的的最大有用用功標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化化學(xué)反應(yīng)的的焓變標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下化化學(xué)反應(yīng)的的熵變（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)生生成自由焓焓）63第2章章節(jié)節(jié)能的熱熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.6化化學(xué)反應(yīng)的的最大有用用功例2-5在298.15K和和1atm下下，CO和O2進(jìn)行燃燒反應(yīng)應(yīng)生成CO2。反應(yīng)前反應(yīng)物CO和O2不進(jìn)行混合，，試求此化學(xué)學(xué)反應(yīng)的最大大反應(yīng)有用功功。64第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.6化學(xué)反反應(yīng)的最大有有用功例2-6在在例2-5的反應(yīng)中中加入惰性氣氣體N2,該氣體不參參加反應(yīng)，其其反應(yīng)式為CO+O2/2+1.88N2=CO2+1.88N2反應(yīng)前后反應(yīng)應(yīng)物和生成物物都進(jìn)行混合合，反應(yīng)前后后物系總壓仍仍為1atm，溫度度仍為298.15K。試求此反反應(yīng)過程的最最大反應(yīng)有用用功。65第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.7氣體的的擴(kuò)散火用在P0、T0下的氣體可逆逆定溫地轉(zhuǎn)變變到其在環(huán)境境空氣中的分分壓力Pi0時所能作出的最大有有用功。氣體的擴(kuò)散火用單位質(zhì)量氣體體的擴(kuò)散火用對真實溶液？？66第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.8元素和和化合物的化化學(xué)火用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用：用環(huán)境境模型計算的的物質(zhì)化學(xué)火用?；鶞?zhǔn)物和基準(zhǔn)準(zhǔn)反應(yīng)基準(zhǔn)反應(yīng)：一一種非基準(zhǔn)物物質(zhì)（包括元元素、單質(zhì)和和化合物）與與一種或幾種種基準(zhǔn)物在P0、T0下發(fā)生化學(xué)反反應(yīng)，而反應(yīng)應(yīng)物和生成物物均為P0、T0下的純物質(zhì)。。67第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.8元素和和化合物的化化學(xué)火用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用：用環(huán)境境模型計算的的物質(zhì)化學(xué)火用。環(huán)境模型中的的基準(zhǔn)物化學(xué)學(xué)火用為零元素的化學(xué)火用：元素與環(huán)境境物質(zhì)進(jìn)行化化學(xué)反應(yīng)變成成基準(zhǔn)物所提提供的最大化化學(xué)反應(yīng)有用功功。元素的標(biāo)準(zhǔn)化化學(xué)火用：化學(xué)反應(yīng)在在規(guī)定的環(huán)境境模型中空氣中所含組組分的標(biāo)準(zhǔn)化化學(xué)火用：擴(kuò)散火用純態(tài)化合物的的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)火用：68第2章節(jié)節(jié)能能的熱力學(xué)2.4能能量的火用計算2.4.8元素和和化合物的化化學(xué)火用例2-7試試用龜山-吉添田環(huán)境境模型求碳（（石墨）的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)火用例2-8試用龜山-吉吉添田環(huán)境模模型求甲烷CH4氣體的標(biāo)準(zhǔn)化化學(xué)火用附錄1和附附錄2（（無機(jī)與有有機(jī)化合物的的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化化學(xué)火用）69第2