化工熱力學(xué)課件之-化工過(guò)程能量分析

第六章化工過(guò)程能量(néngliàng)分析精品資料本章(běnzhānɡ)目的運(yùn)用熱力學(xué)第一、第二定律以及理想功、損失功、Ex等概念對(duì)化工(huàgōng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換、傳遞、使用情況進(jìn)行熱力學(xué)分析，評(píng)價(jià)能量利用的有效性、合理性，揭示能量損失的薄弱環(huán)節(jié)與原因，為工藝和能量使用的改進(jìn)指明方向。精品資料本章(běnzhānɡ)內(nèi)容§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)§6.1熱力學(xué)第一定律(dìnglǜ)及其應(yīng)用§6.2熱力學(xué)第二定律(dìnglǜ)及其應(yīng)用§6.3理想功和損失功熱力學(xué)效率§6.4Ex及其計(jì)算§6.5化工過(guò)程能量分析及其合理用能精品資料本章(běnzhānɡ)基本要求1、掌握能量(néngliàng)平衡方程的形式及應(yīng)用；2、掌握熵平衡方程的形式及應(yīng)用；3、正確熟練地掌握理想功、損失功和熱力學(xué)效率的概念及計(jì)算；4、正確熟練地掌握Ex、Ex衡算、Ex效率、Ex分析；5、了解系統(tǒng)Ex分析的基本方法。精品資料本章(běnzhānɡ)重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡方程；穩(wěn)流過(guò)程的熵平衡方程；穩(wěn)流過(guò)程理想功、損失功計(jì)算；穩(wěn)流過(guò)程Ex的計(jì)算、Ex效率(xiàolǜ)；水蒸氣和典型化工過(guò)程的Ex分析。難點(diǎn)：熵平衡方程；理想功；Ex精品資料§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)1、體系與環(huán)境(huánjìng)2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)3、過(guò)程4、熱和功體系環(huán)境精品資料1、體系(tǐxì)與環(huán)境體系(tǐxì)（System）

在科學(xué)研究時(shí)必須先確定研究對(duì)象，把一部分物質(zhì)與其余分開(kāi)，這種分離可以是實(shí)際的，也可以是想象的。這種被劃定的研究對(duì)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(guān)、有相互作用或影響所能及的部分稱為環(huán)境。精品資料體系(tǐxì)分類根據(jù)(gēnjù)體系與環(huán)境之間的關(guān)系，把體系分為三類：（1）敞開(kāi)體系（opensystem）體系與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。精品資料體系(tǐxì)分類根據(jù)體系與環(huán)境(huánjìng)之間的關(guān)系，把體系分為三類：（3）孤立體系（isolatedsystem）體系與環(huán)境之間既無(wú)物質(zhì)交換，又無(wú)能量交換，故又稱為隔離體系。有時(shí)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(lái)考慮。精品資料§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)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(zhuàngkuàng)。平衡狀態(tài)：在沒(méi)有外界影響的條件下，如果體系的宏觀狀態(tài)不隨時(shí)間而改變，則稱體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。熱平衡，力平衡，相平衡，化學(xué)平衡，即溫度差，壓力差，化學(xué)位差均為零。狀態(tài)函數(shù)：由于體系的各種宏觀性質(zhì)，是所處狀態(tài)的單值函數(shù)，所以熱力學(xué)把各種宏觀性質(zhì)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精品資料§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)“狀態(tài)一定(yīdìng)值一定(yīdìng)，殊途同歸值變等，周而復(fù)始變化零?！毖h(huán)過(guò)程：狀態(tài)1狀態(tài)2

狀態(tài)3△H=0,△U=0,△V=0,△S體系=0(當(dāng)然△S總≠0)精品資料§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)3、過(guò)程指體系自一平衡狀態(tài)到另一平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換．對(duì)某一過(guò)程的描寫(xiě)：初態(tài)+終態(tài)+路徑.不可逆過(guò)程：一個(gè)單向過(guò)程發(fā)生之后一定留下一些痕跡，無(wú)論用何種方法也不能將此痕跡完全消除，在熱力學(xué)上稱為不可逆過(guò)程．凡是不需要外加功而自然發(fā)生的過(guò)程皆是不可逆過(guò)程（自發(fā)過(guò)程）。如：爆炸、節(jié)流、氣體向真空(zhēnkōng)自由膨脹等精品資料可逆過(guò)程：當(dāng)體系完成某一過(guò)程后，如果令過(guò)程逆行而能使過(guò)程中所涉及的一切(體系及環(huán)境)都回復(fù)到原始狀態(tài)而不留下任何變化，則此過(guò)程稱為可逆過(guò)程．注意：1）可逆過(guò)程一旦發(fā)生(fāshēng)，不僅體系能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，而且而環(huán)境也能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)而不留下任何痕跡。（循環(huán)過(guò)程是否是可逆過(guò)程？）§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)P,V,T——無(wú)限小的沙子。帶活塞的氣缸拿走一粒無(wú)限小的沙子，dP減少無(wú)限小，推動(dòng)力無(wú)限小，可以忽略不計(jì)。精品資料2）若是可逆過(guò)程，位的梯度即推動(dòng)力需為無(wú)限??；若存在推動(dòng)力則是實(shí)際過(guò)程，而非可逆過(guò)程。3）可逆過(guò)程是實(shí)際過(guò)程中只能趨近而永遠(yuǎn)(yǒngyuǎn)不能實(shí)現(xiàn)的理想過(guò)程，其本質(zhì)是狀態(tài)變化的推動(dòng)力與阻力無(wú)限接近，體系始終無(wú)限接近平衡狀態(tài)。4）但它是熱力學(xué)中極為重要的概念，是作為實(shí)際過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標(biāo)準(zhǔn)。若說(shuō)某體系效率為80%，是指與可逆過(guò)程比。但爆炸、節(jié)流、氣體向真空自由膨脹等不能用“可逆過(guò)程+效率”模式來(lái)計(jì)算。精品資料5）可逆過(guò)程是效率最高的過(guò)程。體系對(duì)外做最大功。體系對(duì)外吸收最小功。6）很多熱力學(xué)關(guān)系式是在可逆過(guò)程的前提(qiántí)下推導(dǎo)出來(lái)的。如：精品資料§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)4、熱和功1）熱和功不是狀態(tài)(zhuàngtài)函數(shù)，與途徑有關(guān)。2）熱和功只是能量的傳遞形式，而不是貯存形式。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是內(nèi)能。ΔU＝Ｑ+Ｗ熱力學(xué)第一定律3）按照國(guó)際規(guī)定:Ｑ:體系吸熱為正，Ｑ>0，體系放熱為負(fù),Ｑ<0；Ｗ:環(huán)境對(duì)體系作功,Ｗ>0，體系對(duì)環(huán)境作功,Ｗ<0。精品資料§6.0熱力學(xué)基本概念復(fù)習(xí)(fùxí)特別提醒：過(guò)去的教材中習(xí)慣用U=Q-W表示，兩種表達(dá)式完全等效，只是(zhǐshì)W的取號(hào)不同。用該式表示的W的取號(hào)為：環(huán)境對(duì)體系作功，W<0；體系對(duì)環(huán)境作功，W>0。4)熱的推動(dòng)力是溫差功的推動(dòng)力是除溫差以外的勢(shì)的梯度5)熱量的傳遞是無(wú)序的，熱量是規(guī)格低的能量功的傳遞是有序的，功是規(guī)格高的能量精品資料化工過(guò)程能量(néngliàng)分析實(shí)例乙苯脫氫(tuōqīnɡ)制苯乙烯精品資料化工(huàgōng)過(guò)程能量分析實(shí)例反應(yīng)器：燒重油加熱反應(yīng)物至560~620oC，產(chǎn)生高溫?zé)煹罋獾谌^(guò)熱器：利用高溫?zé)煹罋饧訜岣邷胤磻?yīng)物第二過(guò)熱器：利用高溫產(chǎn)物加熱中溫反應(yīng)物蒸發(fā)器：利用中溫?zé)煹罋饧訜岬蜏胤磻?yīng)物廢熱鍋爐(guōlú)：利用中溫產(chǎn)物產(chǎn)生水蒸汽一個(gè)反應(yīng)需要一個(gè)車間來(lái)完成（三層樓）目的是能源的最大化利用（不僅是總能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加熱。精品資料180°C60°C45°C

40°C60°C420°C40°C350°C900°C化工過(guò)程(guòchéng)能量分析實(shí)例硫鐵礦生產(chǎn)硫酸工藝(gōngyì)簡(jiǎn)介示意圖焙燒轉(zhuǎn)化98.3%硫酸98.3%或93%成品酸尾氣FeS2渣空氣凈化干燥吸收93%硫酸30%硫酸精品資料反應(yīng)熱的利用對(duì)反應(yīng)熱的利用程度，是衡量硫酸工業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志(biāozhì)。三個(gè)主要反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，在298K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為：精品資料精品資料如回收高溫余熱的45-65%，生產(chǎn)中壓過(guò)熱(ɡuòrè)蒸汽0.685-0.990t/(t100%硫酸.h)，所產(chǎn)生的蒸汽量用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組，實(shí)際可發(fā)電150-170KW.h。若生產(chǎn)每噸硫酸的電耗按100KW.h計(jì)，則高溫余熱發(fā)電量可自給有余。焙燒工段的廢熱鍋爐回收高溫余熱時(shí)，通?？僧a(chǎn)出中壓過(guò)熱蒸汽(zhēnɡqì)（3.9MPa、450°C)0.8-1.5t/(t100%硫酸.h)。高溫余熱利用精品資料2023/2/4178°C兩次轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)流程60°C442420480

SO2氣440

480

524

584420°C換熱器ⅣIIIIII電爐(diànlú)第一吸收塔來(lái)干燥塔來(lái)去第一吸收塔去第二吸收塔60°C205°C中溫余熱利用精品資料低溫余熱(yúrè)利用吸收工段(gōngduàn)低溫余熱的溫度約為70度(吸收塔出口酸溫）,通過(guò)水冷器回收可得熱水。但國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家不利用。40－50℃180°C98.3%酸槽93％酸槽水冷器水冷器水串酸40－50℃尾氣轉(zhuǎn)化SO2爐氣轉(zhuǎn)化產(chǎn)品干燥塔吸收塔40°C60°C吸收工段流程精品資料基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。功的品位高于熱。高級(jí)能量：能夠完全轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)為功的能量，如機(jī)械能、電能、水力能和風(fēng)能等；低級(jí)能量：不能完全轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)為功的能量，如熱能、焓等。高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高。精品資料化工過(guò)程的熱力學(xué)分析1、能量衡算。2、分析能量品位的變化?；み^(guò)程總是伴隨著能量品位的降低。一個(gè)效率較高的過(guò)程應(yīng)該是能量品位降低較少的過(guò)程。找出品位降低最多的薄弱環(huán)節(jié)，指出(zhǐchū)改造的方向?；?huàgōng)熱力學(xué)的任務(wù)精品資料§6.1熱力學(xué)第一(dìyī)定律及其應(yīng)用§6.1.1熱力學(xué)第一定律§6.1.2穩(wěn)定流動(dòng)體系(tǐxì)的熱力學(xué)原理§6.1.3穩(wěn)流體系(tǐxì)能量平衡方程及其應(yīng)用精品資料§6.1.1熱力學(xué)第一(dìyī)定律ΔU＝Ｑ+Ｗ只適合封閉(fēngbì)體系!!!熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：精品資料能量(néngliàng)的形式化工生產(chǎn)中所涉及到的能量，主要有兩大類：物質(zhì)的能量、能量傳遞的兩種形式。1、物質(zhì)的能量E(以1kg為基準(zhǔn)(jīzhǔn))動(dòng)能：Ek=u2/2內(nèi)能：U=f(T,p,x)位能：Ep=gZ2、能量傳遞的兩種形式(以1kg為基準(zhǔn)(jīzhǔn))在各種熱力學(xué)過(guò)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。精品資料2023/2/4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(huòdé)的熱量，其值為正；反之為負(fù)。功W：1.對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)：包括(bāokuò)兩部分(1)流體通過(guò)機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)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(dòng)過(guò)程中，由于流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功，稱為流動(dòng)功Wf=pV。管道截面積A[m2]

1kg流體

V[m3/kg]

p

流動(dòng)功＝F.S=（p.A).(V/A)=pV[J/kg]精品資料注意：*熱和功只是在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身具有的能量，故不能說(shuō)“某物質(zhì)具有多少熱或功”。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入(chuánrù)體系后，增加的是內(nèi)能。如：在換熱設(shè)備中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，結(jié)果是熱流體內(nèi)能降低。冷流體內(nèi)能增加。*熱和功是過(guò)程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)。2.對(duì)非流動(dòng)(liúdòng)系統(tǒng)，特定設(shè)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(fù)。精品資料以1kg為基準(zhǔn)!!!Q為體系吸收的熱量W為體系與環(huán)境(huánjìng)交換的功。截面1的能量E1E1=U1+gZ1+u12/2截面2的能量E2E2=U2+gZ2+u22/2§6.1.2穩(wěn)定流動(dòng)(liúdòng)體系的熱力學(xué)原理p1,V1,Z1,u1p2,V2,Z2,u2精品資料根據(jù)(gēnjù)能量守恒原理：進(jìn)入體系能量=離開(kāi)體系能量+體系內(nèi)積累的能量∵穩(wěn)定流動(dòng)體系無(wú)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(dòng)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§6.1.2穩(wěn)定流動(dòng)(liúdòng)體系的熱力學(xué)原理精品資料穩(wěn)定流動(dòng)體系(tǐxì)的熱力學(xué)第一定理：焓變位能變化(biànhuà)動(dòng)能變化(4)式的計(jì)算單位建議用J/kg；即以1kg為基準(zhǔn)!!!§6.1.3穩(wěn)流體系能量平衡方程及其應(yīng)用精品資料一些(yīxiē)常見(jiàn)的屬于穩(wěn)流體系的裝置噴嘴(pēnzuǐ)擴(kuò)壓管節(jié)流閥透平機(jī)壓縮機(jī)混合裝置換熱裝置精品資料噴嘴(pēnzuǐ)與擴(kuò)壓管噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是進(jìn)出口截面積變化很大。流體通過(guò)時(shí)，使壓力沿著(yánzhe)流動(dòng)方向降低，而使流速加快的部件稱為噴嘴。反之，使流體流速減緩，壓力升高的部件稱為擴(kuò)壓管。噴嘴擴(kuò)壓管精品資料噴嘴(pēnzuǐ)與擴(kuò)壓管是否(shìfǒu)存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否精品資料質(zhì)量(zhìliàng)流率流體通過(guò)焓值的改變來(lái)?yè)Q取動(dòng)能(dòngnéng)的調(diào)整精品資料透平機(jī)和壓縮機(jī)透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫(jiàngwēn)過(guò)程來(lái)產(chǎn)出功壓縮機(jī)可以提高流體(liútǐ)的壓力，但是要消耗功精品資料透平機(jī)和壓縮機(jī)是否(shìfǒu)存在軸功?是!是否和環(huán)境(huánjìng)交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?不變化或者可以忽略動(dòng)能是否變化？通?？梢院雎跃焚Y料節(jié)流閥是否(shìfǒu)存在軸功?否是否和環(huán)境交換(jiāohuàn)熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動(dòng)能是否變化?通常可以忽略精品資料節(jié)流閥ThrottlingValve理想氣體通過(guò)(tōngguò)節(jié)流閥溫度不變精品資料混合(hùnhé)設(shè)備混合兩種或多種流體(liútǐ)是很常見(jiàn)?；旌掀骶焚Y料混合(hùnhé)設(shè)備是否(shìfǒu)存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動(dòng)能是否變化?否精品資料當(dāng)不止一個(gè)輸入(shūrù)物流或（和）輸出物流時(shí)Hi為單位質(zhì)量(zhìliàng)第i股輸出物流的焓值，xi為第i股輸出物流占整個(gè)輸出物流的質(zhì)量(zhìliàng)分?jǐn)?shù)。Hj為單位質(zhì)量(zhìliàng)第j股輸入物流的焓值，xj為第j股輸入物流占整個(gè)輸入物流的質(zhì)量(zhìliàng)分?jǐn)?shù)。為一股物流的質(zhì)量流量。為總質(zhì)量流量。精品資料混合(hùnhé)設(shè)備132混合器精品資料換熱設(shè)備(shèbèi)整個(gè)(zhěnggè)換熱設(shè)備與環(huán)境交換的熱量可以忽略不計(jì)，換熱設(shè)備內(nèi)部?jī)晒晌锪鞔嬖跓崃拷粨Q。換熱設(shè)備的能量平衡方程與混合設(shè)備的能量平衡方程相同，但物流之間不發(fā)生混合。mA和mB分別為流體A和流體B的質(zhì)量流量精品資料管路和流體(liútǐ)輸送穩(wěn)態(tài)流動(dòng)(liúdòng)模型通常是一個(gè)不錯(cuò)的近似通過(guò)泵得到軸功位能變化泵水精品資料管路(ɡuǎnlù)和流體輸送是否(shìfǒu)存在軸功?有時(shí)存在是否和環(huán)境交換熱量?通常是位能是否變化?有時(shí)變化動(dòng)能是否變化?通常不變化精品資料Bernoulli方程(fāngchéng)實(shí)際流體(liútǐ)的流動(dòng)過(guò)程存在摩擦損耗，意味機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，有摩擦損耗對(duì)于無(wú)熱、無(wú)軸功交換、不可壓縮流體的穩(wěn)流過(guò)程精品資料對(duì)于非粘性流體或簡(jiǎn)化的理想(lǐxiǎng)情況，可忽略摩擦損耗，則精品資料熱力學(xué)第一定律(dìnglǜ)應(yīng)用注意事項(xiàng)1、注意區(qū)別：U=Q+W封閉體系(tǐxì)H=Q+Ws穩(wěn)定流動(dòng)體系(tǐxì)2、注意符號(hào)：體系(tǐxì)吸熱為正（+），體系(tǐxì)放熱為負(fù)（-）；外界對(duì)體系(tǐxì)做功為正（+），體系(tǐxì)對(duì)外做功為負(fù)（-）。精品資料例題例1：功率為2.0kw的泵將90oC水從貯水罐泵壓到換熱器，水流量為3.2kg/s，在換熱器中以697.3kJ/s的速率將水冷卻后，水送入比第一貯水罐高20m的第二貯水罐．求送入第二貯水罐的水溫.解：以lkg的水為計(jì)算基準(zhǔn)。思路：1）H2=H+H1（H1為90oC水的焓，查水蒸汽表得）2）查水蒸汽表可得符合H2的飽和(bǎohé)水的溫度即得。須注意：由于水放熱Q為負(fù)、泵對(duì)水做功W為正。1)Q=-697.3

kJ/s

=-697.3/3.2kJ/kg2)Ws=2kw=2kJ/s=2/3.2kJ/kg注意：計(jì)算(jìsuàn)單位為kJ/kg精品資料§6.2熱功轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)§6.2.1熱功轉(zhuǎn)換的不等價(jià)性§6.2.2熱力學(xué)第二定律§6.2.3熱機(jī)工作原理(yuánlǐ)§6.2.4熱機(jī)效率§6.2.5卡諾循環(huán)§6.2.6可逆機(jī)的效率精品資料§6.2.1熱功轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)的不等價(jià)性熱功轉(zhuǎn)換的不等價(jià)性功可以100%轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)為熱熱不可能100%轉(zhuǎn)變(zhuǎnbiàn)為功。熱、功的不等價(jià)性正是熱力學(xué)第二定律所表述的一個(gè)基本內(nèi)容。精品資料§6.2.2熱力學(xué)第二(dìèr)定律克勞修斯（Clausius）的說(shuō)法：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起(yǐnqǐ)其它變化。”開(kāi)爾文（Kelvin）的說(shuō)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?！辈豢赡馨褵釓牡蜏匚矬w傳到高溫物體，而不引起其它變化精品資料§6.2.3熱機(jī)工作(gōngzuò)原理熱機(jī)工作原理：工質(zhì)從高溫T1熱源吸收Q1的熱量，一部分通過(guò)熱機(jī)用來(lái)(yònɡlái)對(duì)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(guò)程U=0∴W=Q1-Q2熱機(jī)示意圖精品資料§6.2.4熱機(jī)效率熱機(jī)效率：將熱機(jī)所作的功W與所吸的熱Q1之比稱為熱機(jī)效率,用η表示。熱機(jī)效率大小(dàxiǎo)與過(guò)程的可逆程度有關(guān)?？ㄖZ定理：所有工作于同溫?zé)嵩春屯瑴乩湓粗g的熱機(jī)，其效率都不能超過(guò)可逆機(jī)，即可逆機(jī)的效率最大。精品資料§6.2.5卡諾循環(huán)（Carnotcycle）①等溫可逆膨脹(péngzhàng)②絕熱可逆膨脹(péngzhàng)③等溫可逆壓縮④絕熱可逆壓縮精品資料TS①等溫可逆膨脹(péngzhàng)②絕熱可逆膨脹(péngzhàng)③等溫可逆壓縮④絕熱可逆壓縮§6.2.5卡諾循環(huán)（Carnotcycle）精品資料卡諾定理推論(tuīlùn)和意義卡諾定理推論：所有工作(gōngzuò)于同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的可逆機(jī)，其熱機(jī)效率都相等，即與熱機(jī)的工作(gōngzuò)物質(zhì)無(wú)關(guān)?？ㄖZ定理的意義：解決了熱機(jī)效率的極限值問(wèn)題。精品資料§6.2.6可逆機(jī)的效率(xiàolǜ)可逆機(jī)的效率(xiàolǜ)：Tl——高溫?zé)嵩吹臏囟?，K。最高限為鍋爐的使用極限，約450oC

T2——低溫?zé)嵩吹臏囟?，K。最低限為環(huán)境溫度。廣州夏天30oC，北極-50oC廣州夏天ηmax

=58%；北極ηmax

=79%。精品資料§6.3熵§6.3.1熵的定義(dìngyì)及應(yīng)用§6.3.2熵增原理§6.3.3熵變的計(jì)算§6.3.4熵產(chǎn)生和熵平衡精品資料熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)(běnzhì)與熵的概念凡是自發(fā)的過(guò)程都是不可逆的，而一切不可逆過(guò)程都可以(kěyǐ)歸結(jié)為熱轉(zhuǎn)換為功的不可逆性。一切不可逆過(guò)程都是向混亂度增加的方向進(jìn)行，而熵函數(shù)可以作為體系混亂度的一種量度。精品資料§6.3.1熵的定義(dìngyì)及應(yīng)用1、熵S的定義(dìngyì)pVABC(可逆)D(可逆)F(不可逆)任意可逆過(guò)程的熱溫商的值決定于始終狀態(tài)，而與可逆途徑無(wú)關(guān)，這個(gè)熱溫商具有狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)。精品資料2、不可逆過(guò)程的熵變由于S是狀態(tài)函數(shù)(hánshù)，體系不可逆過(guò)程的熵變，與可逆過(guò)程的熵變相等3、Clausius不等式PVABC(可逆)D(可逆)F(不可逆)§6.3.1熵的定義(dìngyì)及應(yīng)用精品資料總結(jié)(zǒngjié)(1)、(2)式得(3)式“>”號(hào)為不可逆過(guò)程；“=”號(hào)為可逆過(guò)程Clausius不等式4、對(duì)于孤立(gūlì)體系：δQ=0熵增原理：一個(gè)孤立體系的熵永不減少?！?.3.1熵的定義及應(yīng)用精品資料“>”號(hào)為自發(fā)過(guò)程，“=”號(hào)為可逆過(guò)程任何一個(gè)體系(tǐxì)與它的環(huán)境捆綁在一起均可看作一個(gè)孤立體系(tǐxì)!!!注意：判斷孤立體系是否(shìfǒu)自發(fā)過(guò)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§6.3.1熵的定義及應(yīng)用精品資料§6.3.1熵的定義(dìngyì)及應(yīng)用5、對(duì)于(duìyú)絕熱體系（δQ體系=0；δQ環(huán)境=0）1）絕熱可逆過(guò)程絕熱體系δQ體系=0環(huán)境δQ環(huán)境=0精品資料例1：某一鑄鋼（Cp=0.5kJ/kgK），重量為40Kg，溫度為4500C，用150Kg，250C的油（Cp=2.5kJ/kgK）冷卻。假使沒(méi)有熱損失，則以下各項(xiàng)熵的變化為多少？1）鑄鋼；2）油；3）兩者一起考慮(kǎolǜ)。并判斷過(guò)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(guò)程(guòchéng)是自發(fā)過(guò)程(guòchéng)?！?.3.1熵的定義及應(yīng)用精品資料§6.3.2熵增原理(yuánlǐ)熵增原理指出：一切(yīqiè)自發(fā)的過(guò)程只能向總熵值增加的方向舉行，它提供了判斷過(guò)程方向的準(zhǔn)則。當(dāng)總熵值達(dá)到最大，也即體系達(dá)到了平衡。應(yīng)用熵增原理時(shí)應(yīng)注意：孤立體系總熵變精品資料§6.3.3熵變的計(jì)算(jìsuàn) 僅有PVT變化(biànhuà)的熵變 有相變過(guò)程的熵變 環(huán)境的熵變精品資料1、有pVT變化(biànhuà)的熵變熵變的計(jì)算(jìsuàn)2、有相變過(guò)程的熵變等溫等壓可逆相變（若是不可逆相變，應(yīng)設(shè)計(jì)可逆過(guò)程）精品資料理想氣體(lǐxiǎnɡqìtǐ)有pVT變化的熵變(1)理想氣體(lǐxiǎnɡqìtǐ)等溫變化(2)物質(zhì)的量一定的等容變溫過(guò)程(3)物質(zhì)的量一定的等壓變溫過(guò)程精品資料(4)物質(zhì)的量一定從 到 的過(guò)程。這種情況(qíngkuàng)一步無(wú)法計(jì)算，要分兩步計(jì)算，有三種分步方法：理想氣體(lǐxiǎnɡqìtǐ)有pVT變化的熵變2)先等溫后等壓3)先等壓后等容1)先等溫后等容精品資料熵變的計(jì)算(jìsuàn)(1)體系可逆變化(biànhuà)時(shí)環(huán)境的熵變(2)體系是不可逆變化時(shí)，但由于環(huán)境很大，可將體系與環(huán)境交換的熱量設(shè)計(jì)成另一個(gè)可逆過(guò)程交換的熱量。3、環(huán)境的熵變精品資料等溫變化(biànhuà)的熵變例題2）不可逆過(guò)程U=Q+W精品資料等溫變化(biànhuà)的熵變例題3)真空(zhēnkōng)膨脹4)比較不可逆性越大，總熵變?cè)酱螅【焚Y料相變過(guò)程(guòchéng)的熵變例題例3：求1mol過(guò)冷水(lěngshuǐ)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:精品資料相變過(guò)程(guòchéng)的熵變例題該過(guò)程是自發(fā)(zìfā)進(jìn)行的！精品資料相變過(guò)程(guòchéng)的熵變例題解:例4：求1）水在1atm，100oC的相變熵變,2)水汽(shuǐqì)在20oC的相變熵變。已知H2O在100oC的汽化熱為40.62kJ/molR）（（體系）TQS=精品資料相變過(guò)程(guòchéng)的熵變例題2)水汽(shuǐqì)在20oC的相變熵變。已知H2O在100oC的汽化熱為40.62kJ/mol。解:不可逆相變，可以設(shè)計(jì)可逆相變求△S

值。精品資料熵及熵增原理(yuánlǐ)小結(jié)過(guò)程ΔS總ΔS體系ΔS環(huán)境總則0，+0，+，-0，+，-可逆0不可逆+絕熱可逆000絕熱不可逆++0可逆循環(huán)000不可逆循環(huán)+0+精品資料§6.3.4熵產(chǎn)生(chǎnshēng)和熵平衡熵增的過(guò)程即是能量損耗的過(guò)程。熵平衡就是用來(lái)檢驗(yàn)過(guò)程熵的變化，它可以精確地衡量(héngliáng)過(guò)程的能量有效利用。精品資料熵產(chǎn)生(chǎnshēng)精品資料精品資料§6.3.4熵平衡(pínghéng)例：有人有一發(fā)明(fāmíng)如下，請(qǐng)判斷它的可行性T=450K環(huán)境1T=273K環(huán)境2高溫儲(chǔ)熱器冷卻水精品資料§6.3.4熵平衡(pínghéng)解題思路：是否同時(shí)符合熱力學(xué)第一、第二(dìèr)定律（能量守恒、總熵變≥0）答：不可行精品資料§6.4理想(lǐxiǎng)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(guò)程(guòchéng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，理論上可能產(chǎn)生的最大功或者必須消耗的最小功。完全可逆是指：(1)體系內(nèi)所有的變化過(guò)程(guòchéng)必須是可逆的．(2)體系與溫度為T(mén)0的環(huán)境進(jìn)行熱交換是可逆的。理想功是一個(gè)理論的極限值，是實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。精品資料理想(lǐxiǎng)功（1）非流動(dòng)過(guò)程U=Q+W∵過(guò)程完全(wánquán)可逆，而且體系所處環(huán)境構(gòu)成了一個(gè)溫度為T(mén)0的恒溫?zé)嵩?。理想功——產(chǎn)生最大功；消耗最小功精品資料理想(lǐxiǎng)功（2）穩(wěn)定流動(dòng)(liúdòng)過(guò)程環(huán)境的溫度精品資料理想(lǐxiǎng)功（3）說(shuō)明理想功Wid僅與體系狀態(tài)有關(guān)(yǒuguān)，與具體的變化途徑無(wú)關(guān)。理想功Wid與環(huán)境的溫度T0有關(guān)(yǒuguān)。精品資料§5.4理想(lǐxiǎng)功和損失功P(MPa)T(0C)H(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.3蒸汽1.0179.912778.16.5865-819.90.00816925(水)104.890.3674例：有一股壓力分別(fēnbié)是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過(guò)程變成250C的水，求Wid(T0=298K)結(jié)論：1）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)。

2）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽來(lái)加熱最恰當(dāng)。精品資料損失(sǔnshī)功2、損失功WL：由于實(shí)際過(guò)程的不可逆性，將導(dǎo)致作功能力(nénglì)的損失。損失功——體系在給定狀態(tài)變化過(guò)程中該過(guò)程實(shí)際Wac與所計(jì)算的理想功Wid的差值：精品資料損失(sǔnshī)功損失(sǔnshī)功：與1）環(huán)境溫度T0;2）總熵變有關(guān)過(guò)程的不可逆性越大，△S總越大，WL就越大，因此應(yīng)盡可能降低過(guò)程的不可逆性。精品資料熱力學(xué)效率(xiàolǜ)η實(shí)際過(guò)程(guòchéng)的能量利用情況可通過(guò)熱力學(xué)效率η加以評(píng)定精品資料§5.4理想(lǐxiǎng)功和損失功例：流動(dòng)(liúdòng)水由900C變?yōu)?00C，CP=1Cal/g.K，忽略壓差，求WL(T0=298K)。精品資料例：一臺(tái)蒸汽透平機(jī)，進(jìn)入的是壓力為1570KPa和溫度(wēndù)為4840C的過(guò)熱蒸汽，排出的蒸汽壓力為68.7KPa。透平機(jī)中過(guò)程不是可逆也不是絕熱，實(shí)際輸出的功等于可逆絕熱時(shí)軸功的85%。由于保溫不完善，在環(huán)境溫度(wēndù)200C時(shí)，損失于環(huán)境的熱量為7.12kJ/kg，試求該過(guò)程的理想功、損失功及熱力學(xué)效率。解：1）查表得蒸汽初態(tài)H1=3428kJ/kg，S1=7.488kJ/kg.K∴S2’=7.488kJ/kg.K2）68.7KPa下H2’=2659kJ/kg3）可逆絕熱功WSWS=△H-Q=H2’-H1=-769kJ/kgWac=85%WS=-653.7kJ/kgTSP1=1570KPa

T1=4840CP2=68.7KPa212’精品資料4）穩(wěn)流體系，忽略動(dòng)能和位能差實(shí)際過(guò)程Wac=△H-QH2=H1+Q+Wac=3428-7.12-653.7=2767kJ/kg5）68.6KPa，H2下的S2=7.76kJ/kg.K（過(guò)熱蒸汽）△S體系=（S2-S1）=7.76-7.488=0.272kJ/kg.K6）理想(lǐxiǎng)功Wid=△H-T0△S體系=（2767-3428）-293.15*0.272=-740.7kJ/kg.K7）損失功WL=T0△S總△S環(huán)境=Q/T0=7.12/293.15=0.02425kJ/kg.KWL=T0△S總=293.15（0.272+0.02425）=86.82kJ/kg或WL=Wac-Wid=-653.7-（-740.7）=87kJ/kg8）熱力學(xué)效率η=Wac/Wid=1-WL/Wid=（1-86.82/740.6）*100%=88.28%精品資料基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量(zhìliàng)（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(zhuǎn)變?yōu)楣Φ男蕿?0%。高壓蒸汽的做功能力高于低壓蒸汽。高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高。大氣中的能量全部不能做功。精品資料§5.5.2的計(jì)算(jìsuàn)1、穩(wěn)定(wěndìng)流動(dòng)體系的Ex精品資料注意：（1）Ex與理想功的區(qū)別：理想功是任意兩個(gè)狀態(tài)的變化(biànhuà)，而E的末態(tài)是體系的基準(zhǔn)態(tài)(P0，T0)，該態(tài)的Ex為0（2）Ex是狀態(tài)函數(shù)穩(wěn)定流動(dòng)(liúdòng)體系的ExEx比較：精品資料Ex與理想(lǐxiǎng)功的區(qū)別P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例：1)有一股壓力(yālì)分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過(guò)程均變成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).精品資料Ex與理想(lǐxiǎng)功的區(qū)別例：2)7.0MPa蒸汽作功后變成1.0MPa蒸汽,求此過(guò)程(guòchéng)的Wid和作功前后蒸汽具有的的有效能Ex(T0=298K）P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.00285H1=2772.1S1=5.8133-224.411044.3蒸汽1.0179.9H2=2778.1S2=6.5865819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740精品資料1、物理Ex：濃度、組成(zǔchénɡ)不變，T，PT0，P0引起的Ex變化。2、化學(xué)Ex：T0，P0T0，P0，但濃度、組成(zǔchénɡ)變化引起的Ex變化。3、功的Ex即是功4、動(dòng)能、位能對(duì)Ex的貢獻(xiàn)可忽略擴(kuò)散：濃度(nóngdù)變化化學(xué)反應(yīng)：組成變化熱的ExExQ壓力ExExPEx精品資料2）壓力(yālì)EXP精品資料P,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)EX/(H-H0)水0.10132980.3674104.8900飽和蒸汽1.0134536.5822772.1267181430.66過(guò)熱蒸汽1.0135737.133053294893431.68飽和蒸汽6.868557.25.82627752670104339.06飽和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78精品資料分析：1）壓力相同（1.013MPa），過(guò)熱蒸汽的Ex比飽和蒸汽大，所以其做功本領(lǐng)也大。2）溫度(wēndù)相同（573K）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)。3）溫度(wēndù)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(dāng)，并可減少設(shè)備費(fèi)用。4）放出的熱相同（557.5K和453K的飽和蒸汽），高溫高壓蒸汽的Ex比低