火用分析基礎(chǔ)電子教案

火用分析基礎(chǔ)自然環(huán)境和環(huán)境狀態(tài)自然環(huán)境：在熱力學的研究中，將自然環(huán)境抽象為一個具有不變壓力p0、不變溫度t0和不變化學組成的龐大而靜止的系統(tǒng)，當它與任何系統(tǒng)發(fā)生能量和物質(zhì)交換時，其壓力、溫度和化學組成仍保持不變，實際工程中任何熱力過程不會影響它的狀態(tài)參數(shù)。環(huán)境狀態(tài)：任何一個系統(tǒng)與環(huán)境處于熱力學平衡狀態(tài)稱為環(huán)境狀態(tài)。熱力學平衡包括？不完全熱力學平衡完全熱力學平衡不完全環(huán)境狀態(tài)完全環(huán)境狀態(tài)物理火用和化學火用以不完全平衡環(huán)境狀態(tài)為基準時，系統(tǒng)所具有的火用稱為能量的物理火用。以完全平衡環(huán)境狀態(tài)為基準時，系統(tǒng)所具有的火用稱為能量的化學火用。幾種物理火用

機械火用機械能火用：2.機械功火用：軸功、技術(shù)功和循環(huán)凈功是否為火用？熱量火用定義：熱量相對于環(huán)境所具有的最大作功能力，稱為熱量火用?？赡鏌釞C定義：冷量是系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度下通過邊界所傳遞的熱量。冷量火用也就是低于環(huán)境溫度的熱量火用。冷量火用可逆機閉口系統(tǒng)的火用——內(nèi)能火用定義：任意閉口系統(tǒng)從給定狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時所做的最大有用功。內(nèi)能火用在p-v圖上的表示內(nèi)能火用是不是狀態(tài)參數(shù)？內(nèi)能火用的正負號如何？1O’p0snOT0vm穩(wěn)定流動系統(tǒng)工質(zhì)的火用——焓火用定義：穩(wěn)定物流從任意給定狀態(tài)經(jīng)開口系統(tǒng)以可逆方式變化到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時所能做的最大有用功。穩(wěn)流工質(zhì)所做的最大有用功：焓火用在p-v圖上的表示焓火用在T-s圖上的表示理想氣體的焓火用溫度火用和壓力火用1.可逆定壓的過程2.定溫或初、終態(tài)溫度相同的過程可以解釋理想氣體在透平中做可逆等溫膨脹化學火用

化學火用與基準物系化學不平衡包括組分不平衡和濃度的不平衡?；鶞饰锵抵袑鶞饰锏囊?、每種元素都有相應的基準物，基準物系包括研究物質(zhì)中所有元素的基準物；2、基準物的火用值為零；3、各種基準物均是環(huán)境中可能存在的物質(zhì)，且在不耗功條件下由環(huán)境不斷供應；4、不能從基準物的任何結(jié)合中獲得自由功，即各種基準物之間不會自發(fā)進行化學反應并做有用功。5、當有兩種以上的物質(zhì)可取做基準物時，應優(yōu)先選取自然界中相對豐富和經(jīng)濟的物質(zhì)，即以價廉易得者為宜。斯查爾古特體系龜山-吉田體系龜山-吉田體系（1）環(huán)境溫度T0=298.15K，環(huán)境壓力P0=1atm；（2）空氣中含有的各元素以空氣相應的組成氣體為基準物，以飽和濕空氣的摩爾成分為基準物的成分；（3）其他元素則以含該元素最穩(wěn)定的純物質(zhì)作為基準物。組分N2O2H2OCO2ArHeNe摩爾分數(shù)0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018分壓力（atm）0.7560.20340.03120.00030.00910.00000520.000018擴散火用（kJ/mol）0.69173.95288.595320.10811.67730.1627.082參考山內(nèi)樊，化學熱力學緒論?；瘜W工業(yè)，1981.斯查爾古特體系（1）環(huán)境溫度T0=298.15K，環(huán)境壓力P0=1atm；（2）無論是空氣中含有的各元素，還是其他元素，其對應的基準物全部采用天然物質(zhì)；（3）基準物的成分（濃度）采用它在自然界中的平均成分（濃度）。化學反應的最大有用功及其計算Forexample如果在定溫條件下進行化學反應化學標準狀態(tài)：環(huán)境溫度Tn=298.15K，環(huán)境壓力Pn=1atm氣體的擴散火用定義：處于p0、T0下的環(huán)境空氣中含有的任何一種氣體可逆定溫地變化到它在環(huán)境空氣中的分壓力pi0時，所能作出的最大有用功。化學火用燃料的化學火用燃料化學火用：化學標準狀態(tài)下，燃料與氧氣一起穩(wěn)定流經(jīng)化學反應系統(tǒng)時，以可逆的方式轉(zhuǎn)變到完全平衡的環(huán)境狀態(tài)所能作出的最大有用功稱為燃料的化學火用，簡稱燃料火用。近似公式介紹煤、石油氣體燃料（2個碳原子以上的）液體燃料（2個碳原子以上的）固體燃料（2個碳原子以上的）即使已知燃料元素成分,也可用下面的近似式(1)對環(huán)境空氣中各組成氣體擴散火用的修正溫度變化，環(huán)境空氣中飽和水蒸汽的分壓力也隨之而變，因而其摩爾組成是改變的，因此要重新計算摩爾組成。(2)反應火用的修正試求燃料在t=0℃，p0=1.01325X105Pa狀態(tài)下的化學火用在t=0℃時水蒸汽的飽和壓力為ps(T0)=0.000611MPa=0.00603atm元素和化合物的化學火用利用基準反應：一種非基準物質(zhì)（包括元素、單質(zhì)和化合物）與一種或幾種基準物在p0、T0下發(fā)生化學反應，而反應物和生成物均為p0、T0下的純物質(zhì)（基準物）。元素基準反應基準物基準物濃度C0.2034，0.003H20.2034，1Fe0.2034，1Si0.2034，1Ti0.2034，1Ca0.2034,0.003,1利用生成反應系統(tǒng)求取化合物的標準化學火用環(huán)境溫度修正：任意元素化學火用的環(huán)境溫度系數(shù)：利用元素與大氣環(huán)境中的單質(zhì)或基準物的反應來求取其溫度系數(shù)。當元素化學火用的環(huán)境溫度系數(shù)為已知，則化合物化學火用的環(huán)境溫度系數(shù)：混合氣體的火用相對于完全平衡狀態(tài)，混合氣體的火用是物理火用和化學火用之和燃氣的火用燃氣是CO2、O2、N2和H2組成。燃氣的火用由物理火用和化學火用組成。其化學火用按照混合氣體的化學火用進行計算：環(huán)境飽和濕空氣中各組分的摩爾分數(shù)火用方程和火用損失閉口系統(tǒng)火用方程開口系統(tǒng)火用方程循環(huán)系統(tǒng)的火用方程和火用損失分析幾種典型的火用損失1、有限溫差傳熱2、絕熱節(jié)流過程引起火用損失3、氣體混合過程火用損失4、燃燒過程火用損失例題：進入鍋爐的氣體燃料由H2、CH4、N2和NH3組成，設(shè)燃料各組分i的摩爾熱容隨溫度的變化關(guān)系可用表示。各組分的ai、bi和摩爾分數(shù)xi列于下表。H2N2CH4NH3xi0.6600.210.0900.040ai[J/(mol.K)29.08728.88219.87427.55bi[J/(mol.K)-0.1918-0.15705.02422.5644燃氣各組分的摩爾熱容隨溫度的變化關(guān)系可用表示。燃氣的組分、各組分的摩爾分數(shù)ai、bi、ci、xi列于下表：N2H2O(g)O2CO2xi0.7180.210.0510.021ai[J/(mol.K)27.85529.99929.95944.141bi[J/(mol.K)4.267710.7114.1849.037ci[J/(mol.K)00.3347-1.6736-8.535空氣15℃氣體燃料200℃燃氣絕熱燃燒溫度T=1959K空氣流量為360N.m3/h，燃料流量為100N.m3/h，燃氣流量為428N.m3/h氣體燃料各組成的標準化學火用和溫度修正系數(shù)見下表H2N2CH4NH3

235.220.67830.15336.69-169.742.340-201.96-154.22氣體燃料的化學火用混合氣體的比熱氣體燃料的物理火用氣體燃料的摩爾火用氣體燃料的總火用燃氣各組分的標準化學火用和溫度修正系數(shù)見下表O2N2CO2H2O(g)

3.9330.6720.118.61913.2212.34067.44-118.78燃氣在T0下的摩爾化學火用混合氣體的比熱燃氣在絕熱燃燒溫度下的物理火用燃氣在絕熱燃燒溫度下的摩爾火用燃氣總火用值火用效率火用效率：在系統(tǒng)或設(shè)備的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，將被利用或收益的火用與支付或耗費的火用代價的比值定義為系統(tǒng)或設(shè)備的火用效率。建立火用效率公式的原則建立火用效率公式的模型和火用效率的形式“火用”源A穩(wěn)定流動系統(tǒng)“火用”的副收益戶C“火用”的主收益戶B常用熱工裝置的耗費火用、收益火用和火用效率熱工設(shè)備耗費火用收益火用火用效率鍋爐燃燒室透平壓縮機或泵節(jié)流閥閉口蒸汽動力循環(huán)燃氣輪機裝置火用分析的基本模型1、黑箱模型：由不透明的邊界所包圍的