Cha4 河南大學(xué) 化工熱力學(xué)

Chapter4

化工過程的能量分析結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁進行化工過程能量分析的理論基礎(chǔ)是:

熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律“物化”課程:封閉系統(tǒng)化工生產(chǎn):敞開體系Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess熱力學(xué)是研究能量的科學(xué)，用熱力學(xué)的觀點、方法來指導(dǎo)能量的合理使用已成為現(xiàn)代熱力學(xué)一大任務(wù)。結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁[教學(xué)目的]學(xué)習(xí)能量分析的原理和方法。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁[教學(xué)內(nèi)容]4.1

能量平衡方程---熱力學(xué)第一定律4.2

熱力學(xué)第二定律—熱功轉(zhuǎn)化4.3熵與熵平衡4.4

理想功和損失功4.5

有效能及其計算4.6

有效能衡算及有效能效率4.7

有效能分析法及其應(yīng)用

Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁[教學(xué)要求]正確理解并熟練應(yīng)用流動過程熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式；正確理解并熟練掌握熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式，了解熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度；掌握熵變的計算，并運用熵增原理判斷實際過程進行的方向和限度；正確理解并熟練掌握理想功和損失功的定義及其應(yīng)用；正確理解并熟練應(yīng)用有效能、有效能的衡算及其應(yīng)用。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.1能量平衡方程---熱力學(xué)第一定律4.1.1能量平衡方程4.1.2封閉體系的能量平衡方程4.1.3穩(wěn)態(tài)流動體系的能量平衡方程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁物質(zhì)的能量可分為兩大類：系統(tǒng)蓄積的能量，如動能、勢能、壓強能和內(nèi)能，它們都是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。系統(tǒng)和環(huán)境傳遞的能量，常見有功和熱量，它們是兩種本質(zhì)不同且與過程傳遞方式有關(guān)的能量形式。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱力學(xué)第一定律（即能量轉(zhuǎn)化和守恒原理）體系在過程前后的能量變換ΔE應(yīng)與體系在該過程中傳遞的熱量Q與功W相等：體系吸熱為正值，放熱為負值；體系得功為正值，對環(huán)境做功為負值。4.1.1能量平衡方程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.1.2封閉體系的能量平衡方程在閉系非流動過程中的熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達式為：

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.1.3

穩(wěn)態(tài)流動體系的能量平衡方程穩(wěn)態(tài)流動是指流體流動途徑中所有各點的狀況都不隨時間而變化，系統(tǒng)中沒有物料和能量的積累。穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁單位質(zhì)量的流體帶入、帶出能量的形式為動能(u2/2)，勢能(gz)和熱力學(xué)能(U)。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess系統(tǒng)與環(huán)境交換功W由兩部分組成：軸功流動功結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系可寫為：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達式單位質(zhì)量流體！結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁可逆條件下的軸功對于液體，在積分時一般可將V當(dāng)作常數(shù)。對于氣體怎么辦？理想氣體等溫過程左式只適用與理想氣體等溫過程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁一些常見的屬于穩(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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁換熱設(shè)備整個換熱設(shè)備與環(huán)境交換的熱量可以忽略不計，換熱設(shè)備內(nèi)部兩股物流存在熱量交換。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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁例5-1

30℃的空氣，以5m/s的流速流過一垂直安裝的熱交換器，被加熱到150℃，若換熱器進出口管直徑相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣Cp=1.005kJ(kgK)，求50kg空氣從換熱器吸收的熱量解將空氣當(dāng)作理想氣體，并忽略壓降時Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁換熱器的動能變化和位能變化可以忽略不計Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁透平機和壓縮機透平機是借助流體的減壓和降溫過程來產(chǎn)出功

壓縮機可以提高流體的壓力，但是要消耗功

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁透平機和壓縮機是否存在軸功?是!是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?不變化或者可以忽略動能是否變化？通?？梢院雎訡hapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁節(jié)流閥ThrottlingValve理想氣體通過節(jié)流閥溫度不變Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動能是否變化?通常可以忽略Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁混合設(shè)備混合兩種或多種流體是很常見?；旌掀鰿hapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁混合設(shè)備是否存在軸功?否是否和環(huán)境交換熱量?通?？梢院雎晕荒苁欠褡兓?否動能是否變化?否Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁當(dāng)不只一個輸入物流或（和）輸出物流時

Hi為單位質(zhì)量第i股輸出物流的焓值，xi為第i股輸出物流占整個輸出物流的質(zhì)量分數(shù)。

Hj為單位質(zhì)量第j股輸入物流的焓值，xj為第j股輸入物流占整個輸入物流的質(zhì)量分數(shù)。為一股物流的質(zhì)量流量為總質(zhì)量流量Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁

132混合器Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁管路和流體輸送穩(wěn)態(tài)流動模型通常是一個不錯的近似通過泵得到軸功位能變化泵水Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁是否存在軸功?有時存在是否和環(huán)境交換熱量?通常是位能是否變化?有時變化動能是否變化?通常不變化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Bernoulli方程

實際流體的流動過程存在摩擦損耗，意味機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，有摩擦損耗對于無熱、無軸功交換、不可壓縮流體的穩(wěn)流過程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于非粘性流體或簡化的理想情況，可忽略摩擦損耗，則Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.2

熱力學(xué)第二定律—熱功轉(zhuǎn)化

可逆過程：沒有摩擦，推動力無限小，因此過程進行無限慢，體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學(xué)平衡；對產(chǎn)功的可逆過程，產(chǎn)功最大；對耗功的可逆過程，耗功最??；逆向進行時，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡，也就是沒有功熱得失及狀態(tài)變化。

不可逆過程：有摩擦，過程進行有一定速度，體系內(nèi)部不均勻（有擾動、渦流等現(xiàn)象），逆向進行時體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡，如果與相同始、終態(tài)的可逆過程相比較，產(chǎn)功小于可逆過程，耗功大于可逆過程。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱功轉(zhuǎn)換的方向熱功轉(zhuǎn)換的方向性是指功可以完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱只能部分轉(zhuǎn)化為功。之所以有此結(jié)果，是由于熱是無序能量，而功是有序能量，自然界都遵循這樣一個規(guī)律：有序運動可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序運動，而無序運動不能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動。熱量傳遞的方向與限度熱量傳遞的方向性是指高溫物體可自發(fā)向低溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必須消耗功。熱量傳遞的限度是溫度達到一致，不存在溫差。熱功轉(zhuǎn)換的限度——卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是熱力學(xué)的基本循環(huán)，它由四個可逆過程完成一個工作循環(huán)，卡諾循環(huán)解決了工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)換為功的最大限度。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱力學(xué)第二定律

克勞修斯說法：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體。開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?/p>

熱力學(xué)第二定律說明過程按照特定方向，而不是按照任意方向進行。

自然界中的物理過程能夠自發(fā)地向平衡方向進行。我們可以使這些過程按照相反方向進行，但是需要消耗功。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4個過程①可逆等溫膨脹1→2

工作介質(zhì)蒸發(fā)，吸熱QH

②可逆絕熱膨脹2→3做功WC

③可逆等溫冷凝3→4

工作介質(zhì)冷凝放熱QL

④可逆絕熱壓縮4→1

對液體做功（可忽略）Carnot循環(huán)（正熱力循環(huán)，產(chǎn)功）結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁卡諾循環(huán)分兩種情況：正卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)。正卡諾循環(huán)是指工質(zhì)吸熱溫度高于排熱溫度，是產(chǎn)功過程；（熱電廠、蒸汽機）逆卡諾循環(huán)是指吸熱溫度低于排熱溫度，是耗功過程。（空調(diào)、冰機、熱泵）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱機的熱效率高溫?zé)嵩?/p>

TH低溫?zé)嵩碩L卡諾循環(huán)的結(jié)果是熱部分地轉(zhuǎn)化為功，其經(jīng)濟性用熱效率來評價。熱效率的物理意義為工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)化為凈功的比率。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter3Thermodynamicproperties結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴，欲使，則需或，這在實際當(dāng)中是不可能的，也說明了熱不能完全轉(zhuǎn)化為功；⑵，欲使效率增大，需要TH升高，TL降低，工程上采用高溫高壓，提高吸熱溫度TH，但要受到材質(zhì)的影響。說明：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁卡諾循環(huán)在歷史上首先奠定了熱力學(xué)第二定律的基本概念，對如何提高各種熱機的效率指明了方向。意義：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.3

熵與熵平衡4.3.1熵與熵增原理熵定義，由卡諾效率推導(dǎo)出熵是狀態(tài)函數(shù)：

注意：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熵增原理等號用于可逆過程，不等號用于不可逆過程。孤立體系

Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴自然界一切自發(fā)進行的過程都是熵增大的過程；⑵自發(fā)過程進行的限度：⑶總熵變：

⑷只有同時滿足熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的過程在實際當(dāng)中才能實現(xiàn)。結(jié)論：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熵函數(shù)既是狀態(tài)函數(shù)，又是容量性質(zhì)，因此熵也可以按容量性質(zhì)進行衡算，對于敞開體系，選定某一限定容積作為研究體系：4.3.2

熵平衡入出Q1Q2將容量性質(zhì)衡算通式用于熵，得Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁體系的熵有兩大載體：物料和熱量，功與熵變化無關(guān)，因此功不攜帶熵。物料攜帶的熵=熱流攜帶的熵=Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess于是：結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess絕熱過程：結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁當(dāng)排除外因引起的熵變后，只要體系內(nèi)部發(fā)生不可逆變化，就會有熵產(chǎn)生。因此，熵產(chǎn)生就其物理意義來講是由于體系內(nèi)部的不可逆性引起的熵變化。這樣就可以用熵產(chǎn)生作為判斷過程方向的準則。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess意義：當(dāng)>0時，體系內(nèi)部的過程不可逆或自發(fā)；當(dāng)=0時，體系內(nèi)部的過程可逆或平衡；當(dāng)<0時，體系內(nèi)部的過程不自發(fā)。熵產(chǎn)生：是由于體系一系列的不可逆變化引起的，它反映了體系的不可逆程度。結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁可逆過程：穩(wěn)流過程：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁封閉過程：

熵產(chǎn)生是判斷過程方向和限度的另一種方法，當(dāng)環(huán)境的熵變不易求取時，可以通過熵產(chǎn)生來進行過程方向的判斷。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁例4-2：有人聲稱發(fā)明了一種穩(wěn)流裝置，1kg溫度為373K的飽和蒸汽通過此裝置時能向溫度為450K的高溫?zé)釒燧斔?860kJ的熱量，同時自身冷卻為1atm、273K的冷卻水。用于冷卻蒸汽的天然水的溫度為273K。問此裝置是否可行？穩(wěn)流裝置高溫?zé)釒?50Kq1=1860KJ1Kg、1atm、273K的水h2=0，S2=0q0

冷卻水273K1Kg、373K的飽和蒸汽h1=2680KJ/Kg，S1=7.37KJ/Kg/K解：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁以一千克飽和蒸汽為計算基準：能量衡算飽和蒸汽

Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熵衡算穩(wěn)流過程

即熵產(chǎn)生小于零，說明該過程不自發(fā)，也不可能。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.4

理想功和損失功以上討論熱力學(xué)的基本定律，如何利用這些定律來指導(dǎo)能量的合理使用呢？目前進行化工熱力學(xué)分析的方法大致有兩種：①損失功法：是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，與理想功進行比較，用熱效率評價。②有效能分析法：將熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律結(jié)合起來，對化工過程每一股物料進行分析，是用有效能效率評價。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁1）理想功定義：體系以可逆方式進行一定的狀態(tài)變化，理論上可能產(chǎn)生的（或消耗的）有用功，即理論上可產(chǎn)生的最大功或理論上必須消耗的最小功，稱為理想功Wid。也就是體系從狀態(tài)1完全可逆的變化到狀態(tài)2時的最大功或最小功。完全可逆是指：狀態(tài)變化可逆；傳熱可逆（物系與環(huán)境）。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁狀態(tài)變化可逆是指物系內(nèi)部所有變化都是可逆的，若物系進行化學(xué)變化、相變化、膨脹、壓縮等過程都是在可逆條件下進行，過程的推動力無限小。傳熱可逆是指物系與環(huán)境間的換熱也必須是可逆的，這里的環(huán)境指的是我們周圍的大氣。由于環(huán)境熱容量大，因而環(huán)境可視為體系外的一個恒溫?zé)嵩础Ｓ纱丝梢?，理想功是一個極限值，任何實際過程的功都不可能高于（或低于）理想功。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）理想功的計算式①非流動體系理想功的計算式由熱力學(xué)第一定律若過程可逆，則

又Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁即式中：WR——體系對環(huán)境或環(huán)境對體系所作的可逆功。它包括理想功和抵抗大氣壓力P0所作的無法利用的功P0(V2-V1)。

所以Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁(1)理想功決定于體系的始、終狀態(tài)和環(huán)境的狀態(tài)，與過程無關(guān)；(2)體系發(fā)生狀態(tài)變化的每一個實際過程都有其對應(yīng)的理想功；(3)理想功和可逆功并非同一概念，理想功是指可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部，有些情況下可逆功不能利用，如：氣缸中活塞向大氣做功或大氣對活塞做功都不能利用，不能算有用功。結(jié)論：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁②流動過程理想功的計算對于穩(wěn)流過程，熱力學(xué)第一定律表達式為忽略動能和勢能變化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess？結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁若可逆?zhèn)鳠岱€(wěn)流過程理想功的定義式和計算式，由于是狀態(tài)函數(shù)，因此穩(wěn)流過程理想功與途徑無關(guān)。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess注意⑴式（5-41）忽略了進出口的動能和勢能變化。完整的表達式為：⑵體系經(jīng)歷一個穩(wěn)流過程，狀態(tài)發(fā)生變化，即可計算其理想功，理想功的值決定于體系的始、終態(tài)與環(huán)境溫度T0，而與實際變化途徑無關(guān)。結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑶要區(qū)別可逆軸功與理想功這兩個概念?？赡婀κ窍到y(tǒng)在一定環(huán)境條件下完全可逆的進行狀態(tài)變化時所做的功。比較兩者的定義不難發(fā)現(xiàn)，雖然都經(jīng)歷了完全可逆變化，但理想功是可逆的有用功，而可逆功僅指經(jīng)歷變化時所做的功。對絕熱過程故對不作軸功的過程故實質(zhì)上，可逆軸功僅考慮狀態(tài)變化所作的功，沒有考慮體系變化對環(huán)境的影響。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）損失功

定義：體系完成相同狀態(tài)變化時，理想功和實際功的差值，即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對穩(wěn)流體系：又損失功由兩部分組成：一是由過程的不可逆性而引起的熵增加造成的，二是由過程熱損失造成的。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess可逆過程不可逆過程結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴增大，增大⑵升高，增大⑶可逆過程：

實際過程：結(jié)論：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁實際過程的能量利用情況可以通過損失功來衡量，也可以用熱力學(xué)效率來衡量。對產(chǎn)功過程：對耗功過程：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3）應(yīng)用舉例

P115，例5-6P117，例5-7，5-8解:⑴查過熱水蒸汽表，內(nèi)插求H1、S1：P1=1.57Mpa,T1=757K(484℃)

當(dāng)P1’=1.5Mpa,T1’=T1,內(nèi)插求H1’,S1’Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁當(dāng),內(nèi)插內(nèi)插Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁求終態(tài)熱力學(xué)性質(zhì)可逆絕熱膨脹當(dāng)對應(yīng)的飽和蒸汽的熵為所以,狀態(tài)2為過熱蒸汽,查飽和蒸汽表Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁根據(jù)熱力學(xué)第一定律:由P2，H2查表內(nèi)插得Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁求Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁例4-1：冬天室內(nèi)外溫度分別為25℃和-15℃。欲將298K,0.10133MPa的水變成273K、同壓力下的冰，（1）將水放入冰箱；（2）直接放入室外，問哪種方法更合理？（已知0℃冰的熔解焓為334.7kJ/kg）解：忽略壓力對液體水的焓和熵的影響。查附錄的25℃和0℃水的焓和熵。根據(jù)溶解焓變，可以得到0℃冰的焓和熵：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁（1）在室內(nèi)，環(huán)境溫度為25℃（2）在室外，環(huán)境溫度為-15℃當(dāng)環(huán)境溫度低于冰點時，理想功為負值，說明當(dāng)水變?yōu)楸鶗r，不僅不需要消耗功，理論上還可以作功，很顯然，第二套方案更合理。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁

化工生產(chǎn)中的一切實際過程都是不可逆的！例如，各種傳質(zhì)、傳熱過程，都存在流體阻力、熱阻、擴散阻力等。為了使過程得以進行，必須保持一定的推動力，如傳熱的溫度差、流體流動的壓力差、擴散的濃度差等。這樣，就使得系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦、混合、渦流等擾動現(xiàn)象，使一部分系統(tǒng)分子由有序的機械運動轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的熱運動，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部混亂程度增大，熵產(chǎn)生，總熵增加，因而實際過程不可避免地有損失功。應(yīng)該注意的是，損失的這部分功本來是可以做功的，但由于實際過程的不可逆而使其無償?shù)亟到鉃闊帷Ｋ詫嶋H過程必然伴隨著能量的降級，因此，在實際生產(chǎn)過程中要盡量減少功的損失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.1

有效能的概念4.5.2

有效能的計算4.5.3

理想功與有效能的區(qū)別和聯(lián)系4.5.4

不可逆性和有效能損失4.5

有效能及其計算Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.1

有效能的概念1)

能量的分類按能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，可以把能量分為三類：⑴高(品）質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如電能、機械能；⑵

僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量。如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量；⑶

低（品）質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如熱量和以熱量形式傳遞的能量。結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁在實際的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，能量可以轉(zhuǎn)化為功的程度，除了與能量的質(zhì)量、體系所處的狀態(tài)有密切關(guān)系外，還與過程的性質(zhì)有關(guān)，如果過程接近于可逆過程，其轉(zhuǎn)化為功的程度就大，否則就小。為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態(tài)下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2)有效能（）⑴定義：一定形式的能量，可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時，理論上所能做出的最大有用功。用B(Ex)表示無效能（）：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。用D(El)表示火用火無Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于穩(wěn)流體系始態(tài)（H、S）→終態(tài)（T0、S0、H0）（環(huán)境狀態(tài)）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑵

能量的表達形式對高（品）質(zhì)能量，由于能量能完全轉(zhuǎn)化為有用功，所以，能量=有效能對僵態(tài)能量，由于能量不能轉(zhuǎn)化為有用功，所以，僵態(tài)能量=無效能對低（品）質(zhì)能量，由于能量部分地轉(zhuǎn)化為有用功，所以，能量一分為二：低質(zhì)能量=有效能+無效能Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3)注意點⑴有效能和無效能的其它叫法AvailableEnergy,Exergy,Availability,UtilizableEnergy，可用能，資用能⑵功可以看作100%的有效能火用Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.2

有效能的計算1）環(huán)境和環(huán)境狀態(tài)⑴環(huán)境：一般指恒T、P、x下的龐大靜止體系，如大氣、海洋、地殼等。⑵環(huán)境狀態(tài)：熱力學(xué)物系與環(huán)境處于完全平衡時的狀態(tài)，常用T0、P0、H0、S0等表示。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3）熱量的有效能BQ

定義：物系傳遞的熱量，在給定的環(huán)境條件下，以可逆方式所能做出的最大有用功。2）物系的有效能物系的有效能一般分為兩種情況，一種是物理有效能，另一種是化學(xué)有效能。⑴物理有效能：物系由于T、P與環(huán)境(T0、P0)不同而具有的有效能。⑵化學(xué)有效能：物系在環(huán)境的T0、P0下，由于組成、結(jié)構(gòu)、濃度等因素與環(huán)境不同而具有的有效能。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴恒溫?zé)嵩礋崃康挠行苡行芸偰芰繜o效能因為卡諾循環(huán)的熱效率為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑵變溫?zé)嵩礋崃康挠行墚?dāng)熱量傳遞在變溫情況下進行時，我們就需要用下列式子進行計算：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁或用H、S值來計算Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4）壓力有效能

由第三章知即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對理想氣體Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁5）穩(wěn)流物系的有效能B

穩(wěn)定流動物系的有效能是指穩(wěn)流物系從任意狀態(tài)（T，P，H，S）以可逆方式變化到環(huán)境狀態(tài)（T0，P0，H0，S0）時，所能做出的最大有用功。穩(wěn)流物系從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所引起的有效能的變化為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.3

理想功與有效能的區(qū)別和聯(lián)系對穩(wěn)流體系理想功和有效能的計算式分別為：理想功有效能Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁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(guān)，只為正值。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）理想功與有效能的聯(lián)系對狀態(tài)1

對狀態(tài)2有效能變化為H0、S0環(huán)境2（H2、S2）1（H1、S1）B2B1WidChapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁若物系對外作功若物系接受功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.4

不可逆性和有效能損失理想功是通過可逆過程來體現(xiàn)的，實際過程都是不可逆過程，不可逆過程由損失功和熱力學(xué)效率來體現(xiàn)；有效能反映的也是可逆過程的行為，實際過程的不可逆性要用有效能損失和有效能效率來衡量。下面我們就討論過程的不可逆性和有效能損失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁1）不可逆性熱力學(xué)第二定律認為自然界中一切過程都是具有方向性和不可逆性的。大于零時為不可逆過程，等于零時為可逆過程。有效能的變化也具有方向性和不可逆性。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁有效能的方向性和不可逆性表現(xiàn)在：（1）當(dāng)過程可逆時，有效能不會向無效能轉(zhuǎn)變，有效能的總量保持不變；（2）當(dāng)過程不可逆時，有效能將向無效能轉(zhuǎn)變，使有效能總量減少。

不可逆過程有效能的減少，就稱為有效能的損失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）有效能損失D（El）（1）定義：不可逆過程中有效能的減少量稱為有效能損失。（2）計算式：

D（El）

=實際功-理想功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于穩(wěn)流體系，若忽略動能、勢能的影響實際功理想功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁又或Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3）典型過程的有效能損失

①傳熱過程傳熱過程在實際當(dāng)中我們是經(jīng)常碰到的，當(dāng)兩種溫度不同的物質(zhì)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。高溫物體放出熱量的有效能為：

低溫物體吸收熱量的有效能為：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁②穩(wěn)流體系

對穩(wěn)流體系，熱力學(xué)第一定律為：若忽略掉動能和勢能，即能量衡算式為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于管道流動，一般情況下，無熱交換，無軸功由前知Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴壓力降⑵穩(wěn)流過程的有效能損失是由于阻力引起的(3)穩(wěn)定流動過程要減少有效能損失，首先要考慮減少壓力降，但欲使壓力降減少，必然使流速降低，使設(shè)備費用增加。因此考慮能量的合理利用的同時，還要考慮設(shè)備材料費用的問題。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess討論：結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁③傳質(zhì)過程對于敞開體系，體系與環(huán)境既有能量交換，又有質(zhì)量傳遞有效能損失為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴有效能損失在任何不可逆過程中都是存在的；⑵有效能損失的大小與過程的推動力有關(guān)，推動力增大，則有效能損失增大。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess注意：結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁（4）應(yīng)用舉例P123，例5-10自看。例5-11

解：⑴求消耗1Kg水蒸氣能蒸發(fā)液態(tài)烴的量⑵液態(tài)烴有效能變化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁液態(tài)烴318K氣態(tài)烴318K飽和蒸汽0.1965MPa冷卻水313KT0=293K,3.444MPa,318K下烴ΔHvap=293kJ/kg

ΔSvap=0.921kJ/(kg·K)

T=392.6K查表H氣=2706kJ/kg,S氣=7.133kJ/(kg·K)飽和水查表H水=167.4kJ/kg,S水=0.572kJ/(kg·K)Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁表明有效能增加⑶水蒸氣有效能變化表明1Kg水蒸氣供熱后冷凝為水，其有效能降低Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑷求損失功由此可見，有效能損失的計算，首先要計算出總熵變，總熵變求出來了，有效能損失也就很容易求出。

Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.6

有效能衡算及有效能效率1)

有效能平衡①有效能衡算式有效能衡算式，可由熱力學(xué)第一定律、第二定律推導(dǎo)出來，對于穩(wěn)流體系

Q↓

狀態(tài)1（H1，S1）→穩(wěn)流體系→狀態(tài)2（H2，S2）

WS↓Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁由熱力學(xué)第一定律（忽略了動能和勢能）（A）由熱力學(xué)第二定律，分兩種情況考慮（a）可逆過程有效能損失為（B）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁（A）-（B），得對這個式子我們進行數(shù)學(xué)處理，得

即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁所以