化工熱力學(xué) 陳鐘秀版 第三版 總復(fù)習(xí)

化工熱力學(xué)——總復(fù)習(xí)12021/6/271課程位置化工熱力學(xué)在課程鏈上的位置基礎(chǔ)課：高等數(shù)學(xué)、化工制圖、無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課：、、化工原理、儀表及自動化專業(yè)課：分離工程、化學(xué)工藝學(xué)等等化工熱力學(xué)反應(yīng)工程2021/6/272課程知識分類：化工熱力學(xué)能量分析流體的熱力學(xué)性質(zhì)2021/6/273常用的化工熱力學(xué)研究方法課程研究方法：比例系數(shù)法代數(shù)法利用抽象概括、理想方法來處理問題，用于實際問題時，加以適當(dāng)修正。壓縮因子、逸度系數(shù)、活度、熱力學(xué)效率……剩余函數(shù)、超額函數(shù)……2021/6/274一、流體的熱力學(xué)性質(zhì)兩類熱力學(xué)基本性質(zhì)引述：p,V,T,xU,H,S,G…易測難測？由易測數(shù)據(jù)，來推算難測數(shù)據(jù)需要先行研究流體的p,V,T,x關(guān)系2021/6/275純物質(zhì)的p-V-T相圖1.1流體的p,V,T,x關(guān)系定組成混合物的p-T相圖1.1.1流體的相圖及臨界點a、臨界點：

Tc—臨界溫度；Pc—臨界壓力；Vc—臨界體積

注意：如果T>Tc，則不存在液體；

臨界等溫的數(shù)學(xué)特征定義：氣液兩相共存的最高溫度或最高壓力，稱之臨界點。2021/6/276b.超臨界流體（SupercriticalFluid,SCF）

定義：在T>Tc和P>Pc區(qū)域內(nèi)，形成的一種特殊狀態(tài)的流體性質(zhì)：（1）多種物理化學(xué)性質(zhì)介于氣體和液體之間,并兼具兩者的優(yōu)點。具有液體一樣的密度、溶解能力和傳熱系數(shù),具有氣體一樣的低粘度和高擴散系數(shù)。（2）物質(zhì)的溶解度對T、P的變化很敏感，特別是在臨界狀態(tài)附近，T、P微小變化會導(dǎo)致溶質(zhì)的溶解度發(fā)生幾個數(shù)量級的突變，超臨界流體正是利用了這一特性，通過對T、P的調(diào)控來進行物質(zhì)的分離。

2021/6/277c.超臨界萃取技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用研究較多的超臨界流體包括

:CO2、H2O、NH3、甲醇、乙醇、戊烷、乙烷、乙烯等。藥劑來源、價格、安全性等因素限制。只有CO2應(yīng)用最多——臨界條件溫和Tc=31℃；Pc=7.4MPa。萃取溫度低(30℃～50℃)能保留產(chǎn)品的天然有效活性。溶解能力

強。

——惰性（不污染產(chǎn)品）、價廉易得、選擇性良好和產(chǎn)物易從反應(yīng)混合物中分離出來。

大規(guī)模超臨界流體萃取的興起于

——用超臨界CO2成功地從咖啡中提取咖啡因。

——用超臨界戊烷流體從石油中分離重油組分。

現(xiàn)在用于提取油脂、香精、色素、藥物、酶的有效成分，制造出真正的天然“綠色食品”。

魚油、小麥胚芽油、沙棘油、啤酒花浸膏等天然的醫(yī)藥保健品。

2021/6/278大型超臨界流體萃取裝置圖

2021/6/2791.1流體的p,V,T,x關(guān)系狀態(tài)方程（EOS）的定義（狀態(tài)方程：EquationofState）

EOS是物質(zhì)p-V-T關(guān)系的解析式；能反映物質(zhì)的微觀特征或宏觀的P-V-T特征。根據(jù)相律，純物質(zhì)在單相區(qū)的自由度F=C–P+2為2，因此p,V,T中任意兩個指定后，狀態(tài)就確定了。

1.1.2純流體的p,V,T關(guān)系1.1.2.1狀態(tài)方程：2021/6/27101.1.2.2氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程：

理想氣體：分子間的相互作用力可忽略不計；氣體分子本身的體積可忽略不計。

理想氣體EOS是f(P,V,T)=0中最簡單的一種形式。R=8.314[m3.pa/mol.K]的量綱等價于[J/mol.K]pV=nRT2021/6/2711b.Redlich-Kwong（RK）EOSRK方程明顯優(yōu)于vdW方程，是真正實用的EOS。2021/6/2712RK方程計算氣相體積準(zhǔn)確性有了很大提高；

*RK方程計算液相體積的準(zhǔn)確性不夠，不能同時用于汽、液兩相；

*RK方程用于烴類、氮、氫等非極性氣體時精度較高，即使在幾百大氣壓；但對于氨、水蒸氣等極性較強的氣體則精度較差。*液相的效果較差，也不能預(yù)測純流體的蒸汽壓(即汽液平衡)。RK方程適用范圍及特點2021/6/2713c.Soave-Redlich-Kwong(SRK)方程與RK方程相比，SRK方程大大提高了表達純物質(zhì)汽液平衡的能力，使之能用于混合物的汽液平衡計算，故在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。2021/6/2714d.Virial方程①實際氣體的壓縮因子Z

理氣EOS：pV=RT

實氣EOS：pV=ZRT將所有偏差全集中到Z壓縮因子。說明：

實氣狀態(tài)改變，則Ｚ隨狀態(tài)而變。

即Z=f（T,P），Ｚ是個無因次狀態(tài)物理量。2021/6/2715②Virial方程的兩種形式對于低、中壓氣體，二項式的精度符合工程的要求。2021/6/2716e.普遍化的狀態(tài)方程pV=ZRT將所有偏差全集中到Z壓縮因子。對比(應(yīng))態(tài)原理(CSP--CorrespondingStatePrinciple)

對比態(tài)原理：在相同對比溫度、對比壓力下，任何氣體或液體的對比體積（或壓縮因子）是相同的。

寫成狀態(tài)方程為：f(pr，Tr，Vr)=0

——對比狀態(tài)方程

對比參數(shù)：2021/6/2717①.普遍化壓縮因子法Z=f(Tr,Pr,ω)Pitzer將其寫成：Z0=f(Pr,Tr)--是簡單流體的壓縮因子；

Z1=f(Pr,Tr)--是非簡單流體壓縮因子Z的校正值。

pV=ZRT適用范圍：

對非極性流體誤差<3%,

極性流體誤差<5~10%

締合氣體，誤差大。2021/6/2718②.普遍化維里系數(shù)法普遍化第二維里系數(shù)關(guān)系式把項看成是第二維力系數(shù)。適用范圍：

對非極性流體誤差<3%,

極性流體誤差<5~10%

締合氣體，誤差大中、低壓。Pitzer定義：2021/6/27192021/6/27201.2純流體的熱力學(xué)性質(zhì)記憶輔助圖1.2.1熱力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系

熱力學(xué)基本關(guān)系式2021/6/2721麥克斯韋關(guān)系式:

將難測的量用易測的量代替，建立函數(shù)關(guān)系S=f(T，P)。2021/6/2722熱力學(xué)偏導(dǎo)數(shù)關(guān)系式:從公式(1)，(2)導(dǎo)出從公式(1)，(3)導(dǎo)出從公式(2)，(4)導(dǎo)出從公式(3)，(4)導(dǎo)出2021/6/2723描述單組分體系的8個熱力學(xué)量P、V、T、U、H、S、A、G，每3個均可構(gòu)成一個偏導(dǎo)數(shù)，可構(gòu)成336個偏導(dǎo)數(shù)。

而獨立的一階偏導(dǎo)數(shù)共112個，而其中只有兩類可通過實驗直接測定。（共6個）2021/6/27246個可測的偏導(dǎo)數(shù)熱力學(xué)基本方程的偏導(dǎo)數(shù)關(guān)系式Maxwell方程由易測數(shù)據(jù)來推算難測數(shù)據(jù)熵變的普遍關(guān)系焓變的普遍關(guān)系內(nèi)能變化的普遍關(guān)系2021/6/2725a.熵變的普遍關(guān)系

理想氣體：2021/6/2726液體：2021/6/2727b.焓變的普遍關(guān)系理想氣體：等溫：等壓：2021/6/2728液體：2021/6/2729c.內(nèi)能變化的普遍關(guān)系恒容過程：2021/6/2730剩余性質(zhì)MR（ResidualProperty）：是指在相同T和P下，真實氣體狀態(tài)熱力學(xué)函數(shù)值MR與理想氣體狀態(tài)熱力學(xué)函數(shù)值Mig之差。

其中：M=V、U、H、S、A、G、Cp、CV

MR=M-Mig1.2.2剩余性質(zhì)2021/6/2731對于焓和熵

H=Mig+HR

S=Mig+SR

1.2.2剩余性質(zhì)理想氣體2021/6/2732剩余性質(zhì)的計算公式（等溫）1.2.2剩余性質(zhì)

2021/6/2733剩余焓和剩余熵的計算方法

①根據(jù)P-V-T實驗數(shù)據(jù)計算（作圖法）

②狀態(tài)方程法

③普遍化關(guān)系法1.2.2剩余性質(zhì)2021/6/2734狀態(tài)方程法a.部分常用狀態(tài)方程的剩余焓和剩余熵的計算式2021/6/2735b.普遍化關(guān)系法(1)由普遍化壓縮因子法關(guān)聯(lián)圖表2021/6/27362021/6/27371.2.3真實氣體焓、熵的計算真實氣體T1，p1，M1真實氣體T2，p2，M2理想氣體T1，p1

，M1ig理想氣體T1，p2理想氣體T2，p2

，M2ig2021/6/27381.2.4逸度和逸度系數(shù)（等溫）定義：{1.2.4.1逸度2021/6/2739純組分i的逸度系數(shù)定義：逸度和逸度系數(shù)的物理意義（1）對于純物質(zhì)，理想氣體fi=P對于純物質(zhì)，真實氣體fi=Φi*Pfi是“校正壓力”或“有效壓力”。

Φi表示真實氣體與理想氣體的偏差。

（2）物質(zhì)在任何狀態(tài)下都有逃逸該狀態(tài)的趨勢，逸度fi表示分子的逃逸趨勢，相間的傳遞推動力。

如：一定T下，液相的水分子有逃入氣相的趨勢；同時，氣相的水分子也有逃入液相的趨勢。當(dāng)兩個趨勢相等時，氣液兩相達到平衡。1.2.4.2逸度系數(shù)2021/6/27401.2.4.3純氣體逸度的計算純氣體逸度的計算通式：若引入“剩余體積”的概念，可以得到用剩余體積表示的計算式：剩余體積

∴（等溫）（等溫）2021/6/27412021/6/2742a.狀態(tài)方程法2021/6/2743b.普遍化關(guān)系法Lee-Kesler方程：（1）對應(yīng)態(tài)原理（三參數(shù)壓縮因子法）由Tr，pr值，查附表三D1、D2由附表三D1、D2得lgφ0、lgφ1由lgφ0、lgφ1值代入Lee-Kesler方程，即解步驟：2021/6/2744（2）普遍化維里系數(shù)法（純、混通用）2021/6/2745c.H、S數(shù)據(jù)計算法注意：1）必須有所求狀態(tài)的值2）有最低P*下的2021/6/27461.3混合流體的熱力學(xué)性質(zhì)1.3.1偏摩爾性質(zhì)純物質(zhì)摩爾性質(zhì)Mi不能代表物質(zhì)后在溶液中的貢獻值，則非常有必要引入一個新的性質(zhì)代替之，它能代表該物質(zhì)對溶液性質(zhì)的真正貢獻。這個新的性質(zhì)就是偏摩爾性質(zhì)（Partialmolarproperty）2021/6/2747敞開、變組成體系的廣度性U、H、A、G、V、S與T、P，組成有關(guān)偏摩爾性質(zhì)定義：恒溫恒壓下，廣度性質(zhì)隨組分i摩爾數(shù)的變化率。2021/6/27481.3.1.1化學(xué)位

在相平衡、化學(xué)平衡問題中用處很大2021/6/27491.3.1.2集合公式

注意區(qū)分混合物三類性質(zhì)：M，Mi，2021/6/2750對于二元溶液，摩爾性質(zhì)和偏摩爾性質(zhì)間存在如下關(guān)系：

或2021/6/27511.3.1.3Gibbs-Duhem方程2021/6/2752比較式（4-18）和式（4-19）可得Gibbs-Duhem方程的一般形式當(dāng)T、P恒定時2021/6/2753二元系等溫、等壓條件下2021/6/27541.3.2混合規(guī)則二次型混合規(guī)則:

式中：

Ｑm---混合物性質(zhì)，即臨界參數(shù)（Tc、Pc、Vc）、偏心因子等其它參數(shù)；

y---混合物中各組分的摩爾分數(shù)；

Ｑij---相互作用項，代表混合過程引起的非理想性。

2021/6/2755以常見二元體系混合規(guī)則：2021/6/2756Kay規(guī)則適用范圍

當(dāng)0.5<Tci/Tcj<2、0.5<Pci/Pcj<2時，Kay規(guī)則與其它較復(fù)雜的規(guī)則比較，計算Ｔcm值的差別小于2％。

對于組分差別很大的，特別是含有極性組分或有締合成二聚體傾向的混合物體系，不適用。2021/6/2757a.virial方程的混合法則：

virial方程的混合法則，對建立其它方程的混合法則有指導(dǎo)意義。

對于混合物的狀態(tài)方程PV=ZRT，可用virial方程的混合規(guī)則計算Z2021/6/2758b.RK方程的混合規(guī)則：kij--相互作用參數(shù)，一般由實驗數(shù)據(jù)擬合得。對于組分性質(zhì)相近的混合物，可取0。PR方程的混合法則與RK方程的混合法則相同。2021/6/2759流體混合物中組分逸度的計算是氣液平衡計算的基礎(chǔ)，也是化學(xué)反應(yīng)平衡計算中必不可少的。我們是在純流體逸度的基礎(chǔ)上討論混合物的逸度和逸度系數(shù)。1.3.3混合物的逸度與逸度系數(shù)2021/6/2760混合物中組分i的逸度的定義為混合物中組分i的逸度系數(shù)的定義為2021/6/2761(恒T，x)(恒T，x)混合物的逸度與逸度系數(shù)的計算基本式2021/6/2762V為顯函數(shù)p為顯函數(shù)混合物總體積混合物壓縮因子2021/6/2763混合物逸度的計算方法①RK方程法

②維里方程計算①用RK方程計算組分逸度系數(shù)2021/6/2764②用維里方程計算組分逸度系數(shù)2021/6/27652021/6/27661.3.3.2

混合物的逸度與其組分逸度之間的關(guān)系純物質(zhì)的逸度混合物的逸度混合物中組分的逸度純物質(zhì)的逸度系數(shù)混合物的逸度系數(shù)混合物中組分的逸度系數(shù)2021/6/2767對照偏摩爾性質(zhì)的定義:2021/6/2768混合物的逸度與其組分逸度之間的關(guān)系混合物性質(zhì)偏摩爾性質(zhì)二者關(guān)系式2021/6/27691.3.3.3

壓力和溫度對逸度的影響（1）壓力對逸度的影響

壓力對純組分逸度的影響壓力對混合物中組分逸度的影響2021/6/2770（2）溫度對逸度的影響

溫度對純組分逸度的影響溫度對混合物中組分逸度的影響2021/6/27711.3.4理想溶液和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（1）以Lewis-Randall定則為基礎(chǔ)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：（2）以Henry定律為基礎(chǔ)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)態(tài)ki為Henry常數(shù)2021/6/27721.3.4.1理想溶液理想溶液表現(xiàn)出特殊的物理性質(zhì)，其主要的特征表現(xiàn)在四個方面。①分子結(jié)構(gòu)相似，大小一樣；②分子間的作用力相同；③混合時沒有熱效應(yīng)；④混合時沒有體積變化。符合上述四個條件者,皆為理想溶液,缺一不可

2021/6/27731.3.5活度與活度系數(shù)活度的定義：對于理想溶液：活度系數(shù)：2021/6/27741.3.6

混合過程性質(zhì)變化2021/6/27751.3.6.1混合過程自由焓變化活度與ΔG的關(guān)聯(lián)2021/6/2776方程的右端都包含有ΔV,ΔH,ΔS與活度的關(guān)聯(lián)詳見教材P82公式4-65至4-671.3.6.2混合過程體積、焓、熵的變化2021/6/27771.3.6.3理想溶液的混合性質(zhì)變化2021/6/27781.3.7超額性質(zhì)超額性質(zhì)(ExcessProperties)，定義為相同的溫度、壓力和組成條件下真實溶液性質(zhì)與理想溶液性質(zhì)之差。2021/6/2779考慮到：故而：又：綜上述：2021/6/27801.3.7.1超額自由焓活度與ΔG的關(guān)聯(lián)即：2021/6/2781對照和即2021/6/27821.3.8.1非理想溶液的模型非理想溶液就其模型的建立來講，大致分為三種情況：1、正規(guī)溶液模型;2、無熱溶液模型;3、基團溶液模型；1.3.8活度系數(shù)與組成的關(guān)聯(lián)2021/6/2783過量自由焓模型以無熱溶液作為基礎(chǔ)的Wilson方程由于分子間作用力不同提出了局部組成的概念;利用Boltzmann因子引入描述不同分子間的作用能，將微觀與宏觀聯(lián)系起來;把局部組成概念引入Flory—Huggins提出的無熱溶液，用微觀組成代替宏觀組成。1.3.8.2活度系數(shù)與組成關(guān)聯(lián)的方程2021/6/27842021/6/2785化工熱力學(xué)—總復(fù)習(xí)2講授人：王仁舒2021/6/27861.4相平衡（PhaseEquilibrium）平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的條件下，體系的宏觀狀態(tài)不隨時間而改變。

----熱平衡、力平衡、相平衡、化學(xué)平衡……兩相接觸時，相間將發(fā)生物質(zhì)、能量的交換，直至相的性質(zhì)如溫度、壓力、組成等保持恒定，即處于相平衡。相平衡：2021/6/27871.4.1相平衡的判據(jù)含有

個相和N個組分的體系達到相平衡時由逸度的定義和上式可得系統(tǒng)達到相平衡時，除各相的溫度、壓力相同外，每個組分在各相中的逸度應(yīng)相等。2021/6/27881.4.2相圖1.4.2.1汽液平衡的立體相圖對于二元組分，它沒有固定的沸點，沸點是對于純物質(zhì)而言的；對于混合物，只有泡點與露點：

泡點：在一定壓力下第一個氣泡出現(xiàn)時的溫度；

露點：在一定壓力下第一個液滴出現(xiàn)時的溫度。2021/6/27891.4.2.2二元體系汽液平衡二維的相圖2021/6/2790（1）逆向冷凝逆向冷凝和逆向氣化是烴類混合物尤其是含氫或氮等氣體的烴類混合物在特定壓力、溫度和組成下所產(chǎn)生的一類特殊相平衡現(xiàn)象。逆向冷凝示意圖2021/6/2791逆向冷凝原理與現(xiàn)象對于石油工業(yè)有實用價值。石油開采時，地下壓力很高，油噴時間長，當(dāng)壓力發(fā)生變化，油氣出來多，液相餾分油出來相對較少。油井溫度變化一般不大，對于老油井通常采用往井中注水的方法，使其處于逆向冷凝區(qū)，以提高原油產(chǎn)量。此外，從高壓天然氣回收凝析油，高壓氣井的地下壓力較高，如100-200atm，當(dāng)井口壓力降至最大液相點附近時，就可以獲得相當(dāng)數(shù)量的凝析油。但若減壓過度，則液相重新汽化難以分離出凝析油。逆向冷凝現(xiàn)象的實際意義2021/6/27921.4.3汽液平衡的計算汽液平衡計算基本計算方式：迭代試差2021/6/2793（1）活度系數(shù)法（中低壓）液相：以Lewis-Randall定則為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：Poynting因

子，對壓力

影響的校正2021/6/2794氣相：根據(jù)相平衡判據(jù)：由于溶液理論推導(dǎo)的γi計算式未考慮p的影響，活度系數(shù)法僅適應(yīng)于遠離臨界點的中低壓范圍。2021/6/2795低壓至中壓時：2021/6/2796的計算①純組分的飽和蒸汽壓由Antoine方程等飽和蒸汽壓方程求。Antoine方程：2021/6/27972021/6/27982021/6/27992021/6/27100（2）狀態(tài)方程法（高壓）實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況，對汽液平衡的計算進行簡化！2021/6/271011.4.3.1汽液平衡計算的類型等溫泡點計算已知體系溫度T與液相組成xi，求泡點壓力P與汽相組成yi。等壓泡點計算已知體系壓力P與液相組成xi，求泡點溫度T與汽相組成yi。等溫露點計算已知體系溫度T與汽相組成yi，求露點壓力P與液相組成xi。等壓露點計算已知體系壓力P與汽相組成yi，求露點溫度T與液相組成xi。兩大類，四小類：變量為：T、p、x、y2021/6/271021.4.3.2典型的氣液平衡計算式理想系汽液平衡：低壓系汽液平衡：中壓系汽液平衡：高壓系汽液平衡：理想氣體+理想溶液理想氣體+非理想溶液非理想氣體+非理想溶液汽液兩相均為非理想系統(tǒng)2021/6/27103（1）理想系汽液平衡：a.等溫泡點計算已知T與{xi}，求P與{yi}

{基本計算式2021/6/27104計算步驟：2021/6/27105b.等溫露點計算

已知T與{yi}，求P與{xi}。{基本計算式2021/6/27106計算步驟：2021/6/27107c.等壓泡點計算

已知P

與{xi}，求T與{yi}。求溫度需要試差。任選一個k組分：

{基本計算式2021/6/27108計算步驟：Antoine方程令pis=pNYget√ε是試差的允許偏差，手算中一般取0.01—0.0012021/6/27109d.等壓露點計算已知P

與{xi}，求T與{yi}。{基本計算式求溫度需要試差。任選一個k組分：2021/6/27110計算步驟：Antoine方程令pis=pNYget√2021/6/27111（1）低壓汽液平衡計算：汽相為理想氣體，液相非理想溶液。{基本計算式1等溫泡點計算已知T與{xi}，求P與{yi}。2021/6/27112計算步驟：2021/6/27113汽相為理想氣體，液相非理想溶液。{基本計算式2等溫露點計算已知T與{yi}，求P與{xi}。2021/6/27114計算步驟：Antoine方程令各γi=1NYget√Wilson方程2021/6/271153等壓泡點計算已知P與{xi}，求T與{yi}。{基本計算式求溫度需要試差。任選一個k組分：2021/6/27116計算步驟：Antoine方程Wilson方程NYget√2021/6/271174等壓露點計算已知P與{yi}，求T與{xi}。{基本計算式求溫度需要試差。任選一個k組分：2021/6/271181.4.3.3簡化K進行汽液平衡計算

Ki

應(yīng)是T、P、yi、xi的函數(shù)，但對輕烴類體系，組成對Ki值影響較小，可將Ki看作T、P的函數(shù)，利用P–T–K列線圖查Ki值。2021/6/271191.4.3.4二元共沸物的計算基本計算式汽相為理想氣體，液相非理想溶液。對于二元共沸物系，恒沸點時：2021/6/271201.4.4汽液平衡數(shù)據(jù)的熱力學(xué)一致性檢驗基本方式{點檢驗法面積檢驗法1.4.4.1

由γi表示的Gibbs-Duhem方程Gibbs-Duhem方程的一般形式：

2021/6/271212021/6/271222021/6/27123二、能量分析2.1化工過程的能量分析能量守恒與轉(zhuǎn)化一切物質(zhì)都具有能量，能量是物質(zhì)固有的特性。通常，能量可分為兩大類，一類是系統(tǒng)蓄積的能量，如動能、勢能和熱力學(xué)能，它們都是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。另一類是過程中系統(tǒng)和環(huán)境傳遞的能量，常見有功和熱量，它們就不是狀態(tài)函數(shù)，而與過程有關(guān)。熱量是因為溫度差別引起的能量傳遞，而做功是由勢差引起的能量傳遞。因此，熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過程傳遞方式有關(guān)的能量形式。2.1.1能量平衡方程2021/6/27124

規(guī)定：系統(tǒng)得功，其值為正；反之為負。

對流動系統(tǒng)：

軸功Ws：

流體通過機械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的能量。

流動功Wf：

物料連續(xù)流動時，因流體內(nèi)部相互推動所交換的功。流動功Wf

＝F.S=（P.A）.(V/A)=P.V[J/Kg]（1）功W：2021/6/27125對非流動系統(tǒng)

體積功W：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。注意：

熱和功僅在能量傳遞中出現(xiàn)，并非系統(tǒng)本身具有的能量。當(dāng)能量以熱和功的形式傳入體系后，增加的是體系內(nèi)能。熱和功是過程函數(shù)，非狀態(tài)函數(shù)。2021/6/27126（2）能量平衡方程一些常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置2021/6/27127噴嘴與擴壓管：透平機和壓縮機：節(jié)流閥：

常見的屬于穩(wěn)流體系的裝置的能量平衡分析：eg：2021/6/271282.1.2熵方程2.1.2.1熱機的熱效率卡諾熱機的效率高溫?zé)嵩碩H低溫?zé)嵩碩L2021/6/271292.1.2.1熵增原理2.1.2.1熵增原理敞開體系a.敞開體系熵平衡方程內(nèi)因熵變化外因熵變化2021/6/27130b.封閉體系熵平衡方程封閉體系：

穩(wěn)態(tài)流動體系：2021/6/27131封閉體系：2021/6/271322.1.3理想功、損失功及熱力學(xué)效率系統(tǒng)在變化過程中，由于途徑的不同，所產(chǎn)生(或消耗)的功是不一樣的。理想功就是系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)生最大功或者消耗最小功。2021/6/27133系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，不可逆過程的實際功與完全可逆過程的理想功之差稱為損失功。（由于過程的不可逆性而引起的做功能力的損失。）2021/6/27134熱力學(xué)效率：2021/6/271352.1.4?與火無有效能的概念以平衡的環(huán)境狀態(tài)（寂態(tài)）為基準(zhǔn)，理論上能夠最大限度地轉(zhuǎn)化為功的能量稱為有效能，理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量稱為無效能。2021/6/271362.1.4.1有效能的計算系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基態(tài)（環(huán)境狀態(tài)）過程所作的理想功。當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)(T,P)變到基態(tài)(T0,P0)時穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能EX為:2021/6/27137

（1）機械能、電能的有效能機械能和電能全部是有效能，即：EX=W（或WS）動能和位能也全部是有效能。2021/6/27138等壓變溫過程的熱有效能（2）熱有效能溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒崃縌,有效能按卡諾熱機所能做的最大功計算：2021/6/27139

（3）壓力有效能每摩爾理想氣體的壓力有效能對于理想氣體2021/6/27140（4）化學(xué)有效能

處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，與環(huán)境之間進行物質(zhì)交換（物理擴散或化學(xué)反應(yīng)），最后達到與環(huán)境平衡，此過程所能做的最大功為化學(xué)有效能例題6-9！2021/6/271412.1.4.2過程的不可逆性和有效能損失EX2

?EX1=（H2?H1）?T0（S2?S1）=Wid即?EX=EX2

?EX1=Wid

也即?EX=WS+WL=WS+T0?S總

EL=T0?S總2021/6/27142穩(wěn)流體系：對穩(wěn)流體系，若忽略掉動能和勢能ΔH＝Q-Ws，對管道流動，一般情況下，Q＝0（無熱交換）

Ws＝0（無軸功）有效能損分析dH=0∴ΔH＝0∵dH=TdS+VdP∴TdS總=-VdP由前知：EL=T0?S總dS總=(-V/T)dP∴EL=T0dSt=T0(-V/T)dp結(jié)論：EL∝ΔP壓力降；減少彎頭及縮擴；適當(dāng)增加管徑。2021/6/271432.1.4.3?衡算2021/6/271442.1.4.4?效率a.普通?效率b.目的?效率2021/6/271452.2蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)2.2.1兩相系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)及圖表

常用的有水和水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)表（附錄四）溫熵圖（T-S圖），壓－焓（lnP-H）圖，焓－熵(H-S)圖。2021/6/27146對于熱力學(xué)的容量性質(zhì)有：X——氣相的質(zhì)量或摩爾分數(shù)2021/6/27147單組份兩相區(qū)的V，H，S計算單組份體系平衡的兩相混合物的性質(zhì)，與每相的性質(zhì)和每相的相對量有關(guān)。由于V，H，S都是容量性質(zhì)，故兩相數(shù)值之和就為兩相混合物的相應(yīng)值。汽液兩相平衡：

式中：g—氣相l(xiāng)—液相x—氣相的重量分率或摩爾分率，在工程上，常稱為干度2021/6/27148（1）T-S圖

水的T-S圖，其他物質(zhì)的T-S圖也具有相同的圖形

作用：幫助解決熱功效率問題2021/6/27149完整的Ｔ－Ｓ圖具有以下曲線BCDS⑴飽和曲線ＢＣＤBC－飽和液體線CD－飽和蒸汽線⑵等Ｐ線，以藍紫線表示⑶等Ｈ線，以黃線表示⑷等容線，以藍紫虛線表示⑸等干度線，以紅虛線表示干度：汽相的重量分率或摩爾分率⑹等Ｔ線，平行于橫坐標(biāo)⑺等Ｓ線，平行于縱坐標(biāo)PHVx2021/6/27150CABDTS固固+液液汽+液氣Ｔ－Ｓ圖的相區(qū)：2021/6/27151等壓線變化規(guī)律ST小2021/6/27152

等焓線變化規(guī)律T↗，H↗焓值大的等H線在上邊ST大在P一定時

2021/6/27153

等容線變化規(guī)律在等T下，由Maxwell式知:

ST大對任何氣體，在V一定時，T↗，P↗它說明了在T一定時，隨V↗，S↗∴較大的等容線位于熵值較大的一邊。2021/6/27154（2）㏑P-H圖

這種圖主要用于計算制冷系數(shù),制冷機的循環(huán)量及物流所作的功。

2021/6/27155完整的lnP－H圖具有壓焓圖中共有八種線條，六個參數(shù)：

（1）飽和液體線（x=0）；

（2）干飽和蒸氣線（x=1）；

（3）等干度線，參數(shù)為x（x=定值）；

（4）等壓線，參數(shù)為p（p=定值）；

（5）等溫線，參數(shù)為t（t=定值）；

（6）等焓線，參數(shù)為i（i=定值）；

（7）等熵線，參數(shù)為s（s=定值）

（8）等容線，參數(shù)為v（v=定值）。

飽和液體線與干飽和蒸氣線將lnp-h圖分成三個區(qū)域：

①飽和液體線的左邊：過冷液體區(qū)域；

②飽和液體線與干飽和線之間：濕飽和蒸氣區(qū)域；

③干飽和線的右邊：過熱區(qū)域。2021/6/271562.2.2蒸汽動力循環(huán)汽輪機水泵冷凝器鍋爐W.J.M.Rankine,1820--18722021/6/27157a.能量分析1→2過熱蒸汽可逆絕熱膨脹過程。（等S）

2→3濕蒸汽等壓等溫可逆冷卻為飽和水（相變）。

3→4飽和水可逆絕熱壓縮過程。（等S）

4→1高壓水等壓升溫和汽化，可逆吸熱過程。汽輪機水泵冷凝器鍋爐2021/6/27158汽輪機水泵冷凝器鍋爐Turbine汽輪機:Condensor

冷凝器:Pump水泵:Boiler

鍋爐:2021/6/27159理想Rankine循環(huán)的熱效率

蒸汽動力循環(huán)中，水泵的耗功量遠小于汽輪機的做功量

熱效率的高低可以反映出不同裝置輸出相同功量時所消耗的能量的多少，它是評價蒸汽動力裝置的一個重要指標(biāo)。b.Rankine循環(huán)參數(shù)：2021/6/27160汽耗率作出單位量凈功所消耗的蒸汽量稱為汽耗率，用SSC(SpecificSteamConsumption)表示。

當(dāng)對外作出的凈功相同時，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。所以汽耗率的高低可用來比較裝置的相對尺寸大小和過程的經(jīng)濟性。2021/6/27161

蒸汽通過汽輪機的絕熱膨脹實際上不是等熵的，而是向著熵增加的方向偏移，用1—2′線表示。水泵的耗功量遠小于汽輪機的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過汽輪機膨脹，實際做出的功應(yīng)為H1–H2′，它小于等熵膨脹的功H1–H2。兩者之比稱為透平機的等熵效率。等熵效率實際Rankine循環(huán)的熱效率例題7-1??！2021/6/27162實際Rankine循環(huán)的熱效率2021/6/27163C.朗肯循環(huán)的改進2021/6/27164C.朗肯循環(huán)的改進2021/6/27