化工过程能量分析讲稿.ppt

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1、化工过程能量分析第一页，讲稿共八十九页哦5.1 5.1 能量平衡方程能量平衡方程 n一一热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质能量在数量上是守恒的能量在数量上是守恒的.基本形式为：基本形式为：（体系的能量）体系的能量）（环境的能量）环境的能量）0 0或或 （体系的能量）体系的能量）（环境的能量）环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。体系的能量的增加等于环境的能量的减少。第二页，讲稿共八十九页哦在实际生产中大都遇到两种体系，即敞开体系和封在实际生产中大都遇到两种体系，即敞开体系和封闭体系。闭体系。1.1.封闭体系：（限定质量体系）封闭体系：（限定质量体系）与环境仅有能量交换，没有质

2、量交换。体系内与环境仅有能量交换，没有质量交换。体系内部是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象部是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象。2.2.敞开体系：（限定容积体系）敞开体系：（限定容积体系）与环境有能量交换，也有质量交换。与环境有能量交换，也有质量交换。第三页，讲稿共八十九页哦二二.能量平衡方程能量平衡方程 n1.一般形式一般形式 Ws(轴功)（热）Qm2m1P1 V1 C1 U1P2 V2 C2 U2Z1Z2第四页，讲稿共八十九页哦（1 1）物料平衡方程：）物料平衡方程：m m1 1-m-m2 2=m=m体系体系（2 2）能量平衡方程）能量平衡方程 进入体系的能量离开体系的能量

3、进入体系的能量离开体系的能量=体系积累的能量体系积累的能量 进入体系的能量进入体系的能量:微元体本身具有的能量微元体本身具有的能量 E1m1 环境对微元体所作的流动功环境对微元体所作的流动功 P1V1m1 环境传入的热量环境传入的热量 Q 环境对体系所作的轴功环境对体系所作的轴功Ws 第五页，讲稿共八十九页哦离开体系的能量离开体系的能量:微元体带出能量微元体带出能量E2m2 流体对环境所作的流动功流体对环境所作的流动功 P2V2m2 体系积累的能量体系积累的能量d（mE）能量恒等式为：能量恒等式为：E E1 1mm1 1+P+P1 1V V1 1mm1 1+Q+Ws-E+Q+Ws-E2 2mm

4、2 2-P-P2 2V V2 2mm2 2=d(mE)=d(mE)(A)(A)第六页，讲稿共八十九页哦1)1)E E单位质量流体的总能量，它包含有热力学能、动能单位质量流体的总能量，它包含有热力学能、动能和位能。和位能。注意：注意：212EUCgZ2)2)PVPV流动功，单位质量流体对环境或环境对流体所作功流动功，单位质量流体对环境或环境对流体所作功功力功力*距离距离P P*A A*V/A=PVV/A=PVP P1 1V V1 1输入流动功，环境对体系作功输入流动功，环境对体系作功P P2 2V V2 2输出流动功，体系对环境作功。输出流动功，体系对环境作功。第七页，讲稿共八十九页哦 3)3)

5、WsWs单位流体通过机器时所作的轴功单位流体通过机器时所作的轴功 可逆轴功可逆轴功21PSRPWVdP 对于可逆总功对于可逆总功 WsVPVPPdVWVVR1122212 21 12 21 1RWsWPVPVPdVPVPVd(PV)=PdV+VdPd(PV)=PdV+VdPVdPPdVVPVPPVdVPVP11222211)(积分式积分式VdPVdPPdVPdVWs第八页，讲稿共八十九页哦2.2.能量平衡方程一般形式能量平衡方程一般形式代入（代入（A A）式，整理，得到式，整理，得到 gZCUE22将将H=U+PV11211)2(mgZCHWsQmgZCH22222)2()2(2gZCUmd(

6、5-9)(5-9)E E1 1mm1 1+P+P1 1V V1 1mm1 1+Q+Ws-E+Q+Ws-E2 2mm2 2-P-P2 2V V2 2mm2 2=d(mE)A=d(mE)A第九页，讲稿共八十九页哦三三.能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 n1.1.封闭体系：无质量交换，限定质量体系封闭体系：无质量交换，限定质量体系 m1=m2=mm1=m2=dm=0Q+Ws=mdE 不存在流动功不存在流动功0)2(2Cd0gZd若若Ws=WQ+Ws=mdU 或或 Q+W=mdU (5-11)(5-11)积分：积分：Q+W=U 第十页，讲稿共八十九页哦2.2.稳定流动体系稳定流动体系 稳定流动过程

7、，表现在流动过程中体系内稳定流动过程，表现在流动过程中体系内 (1)(1)每点状态不随时间变化每点状态不随时间变化(2)(2)没有质量和能量的积累没有质量和能量的积累由式由式(5-9)(5-9)可得到稳流体系的一般能量平衡方程可得到稳流体系的一般能量平衡方程 第十一页，讲稿共八十九页哦(1)(1)一般能量平衡方程一般能量平衡方程 对稳流体系对稳流体系,由式由式(5-9)(5-9)得：得：11211)2(mgZCHWsQmgZCH22222)2(=0m1=m2=dm (H2-H1)m+(C22-C12)m+g(Z2-Z1)m-Ws-Q=021积分：积分：WsQZgCH221（5 51313）第十

8、二页，讲稿共八十九页哦3 3）式（）式（5 51313）应用条件是稳流体系，不受过程是否）应用条件是稳流体系，不受过程是否 可逆以及流体性质的影响。可逆以及流体性质的影响。注意：注意：1)1)单位要一致，且用单位要一致，且用SISI单位制单位制.H,Q,Ws H,Q,Ws能量单位，能量单位，J/KgJ/Kg C Cm/sm/s 流量流量G GKg/hKg/h（min.smin.s）2 2）Q Q和和WsWs为代数值，即：为代数值，即：Q Q以体系吸收为正，以体系吸收为正，WsWs 以环境对体系作功为正。以环境对体系作功为正。第十三页，讲稿共八十九页哦（2 2）能量平衡方程的应用）能量平衡方程的

9、应用n1 1）对化工机器：如膨胀机，压缩机等）对化工机器：如膨胀机，压缩机等。n流体的动能，位能变化量与体系焓值的变化量相比较，或流体的动能，位能变化量与体系焓值的变化量相比较，或者与流体与环境交换的热和功相比较，大都可以忽略。也者与流体与环境交换的热和功相比较，大都可以忽略。也即即（516）WsQH0212C0Zg第十四页，讲稿共八十九页哦2 2）对化工设备类：如反应器，热交换器，）对化工设备类：如反应器，热交换器，传质阀门，管道等传质阀门，管道等0Zg0212CQH 且且Ws=0（5 51717）物理意义：体系状态变化，如发生化学反应，相变化，温度变化时物理意义：体系状态变化，如发生化学反

10、应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差。，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差。体系状态变化体系状态变化化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相变热 显热显热 Q Q H第十五页，讲稿共八十九页哦3)3)对化工机器的绝热过程对化工机器的绝热过程 与环境进行功的交换时与环境进行功的交换时0Zg0212CQ=0 WsH 在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系与在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系与环境交换的功量等于体系焓的减少环境交换的功量等于体系焓的减少。第十六页，讲稿共八十九页哦4)

11、4)对喷嘴对喷嘴Ws=0，gZ0 水平放水平放 gZ=0垂直放垂直放 gZ0 流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，Q=0 221CH)(212221CCH2122CHC2121)(2CHH第十七页，讲稿共八十九页哦3.3.应用举例应用举例nP108 P108 例例5-15-15-25-2自看自看第十八页，讲稿共八十九页哦5.2 5.2 功热间的转化（热力学第二定律）功热间的转化（热力学第二定律）n物化知：物化知：St00 不可逆不可逆=可逆可逆一、基本概念一、基本概念 才可进行的过程才可进行的过程 自发过程：不消耗功自发过程：不消耗功

12、非自发过程：消耗功非自发过程：消耗功 00 3030 冰冰 冬天冬天 气温气温-30 -30 自发自发,具有产功能力具有产功能力 如如 夏天夏天 气温气温3030-30-30 非自发非自发水水水水冰冰第十九页，讲稿共八十九页哦n可逆过程：可逆过程：n没有摩擦，推动力无限小没有摩擦，推动力无限小,过程进行无限慢过程进行无限慢;n体系内部均匀一致，处于热力学平衡体系内部均匀一致，处于热力学平衡;n对产功的可逆过程，其产功最大，对耗功的可逆过程，其耗功最小对产功的可逆过程，其产功最大，对耗功的可逆过程，其耗功最小;n逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任

13、何痕迹。n（也即没有功热得失及状态变化）（也即没有功热得失及状态变化）n不可逆过程：不可逆过程：n有摩擦，过程进行有一定速度有摩擦，过程进行有一定速度;n体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）;n逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹;n如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。于可逆过程。第二十页，讲稿共八十九页哦自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？n自发与非自发过程决定物系的始、终态与环境状自发

14、与非自发过程决定物系的始、终态与环境状态；态；可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没有关系。，与状态没有关系。第二十一页，讲稿共八十九页哦可逆过程可逆过程是一个是一个理想过程理想过程，实际过程实际过程都是都是不可逆不可逆的。的。可逆过程具有过程进行的任一瞬间体系都处于热力学平衡态的可逆过程具有过程进行的任一瞬间体系都处于热力学平衡态的特征，因次，特征，因次，体系的状态可以用状态参数来描述。体系的状态可以用状态参数来描述。PdVWRTdSQRVdPWSR第二十二页，讲稿共八十九页哦二二.热功转换与热量传递的方向和限度热功转换与热量传递的方向和限

15、度 n1.热量传递的方向和限度热量传递的方向和限度高温高温低温低温自发自发 非自发非自发 限度：限度：t=0 t=0 2.2.热功转化的方向热功转化的方向 功功热热 100%100%非自发非自发 100%100%自发自发 热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决 第二十三页，讲稿共八十九页哦3.3.热与功转化的限度热与功转化的限度卡诺循环卡诺循环 卡诺循环：卡诺循环：热机热机;高温热源（恒高温热源（恒T TH H）;低温热源（恒低温热源（恒T TL L）.n图形图形工质从高温热源工质从高温热源T TH H吸收热吸收热量，部分转化为功，其余量，部分转化

16、为功，其余排至低温热源排至低温热源T TL L。T TH HT TL LQ QH H Q QL L W WC C 第二十四页，讲稿共八十九页哦卡诺循环由四个过程组成。卡诺循环由四个过程组成。可逆等温膨胀可逆等温膨胀可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀可逆等温压缩可逆等温压缩可逆绝热压缩可逆绝热压缩TSPV11234234QHQHQLWcWcQL第二十五页，讲稿共八十九页哦工质吸热温度大于工质排热温度，产功过程工质吸热温度大于工质排热温度，产功过程 正卡诺循环的结果是热部分地转化为功，用热效率来评价循正卡诺循环的结果是热部分地转化为功，用热效率来评价循环的经济性环的经济性 热效率热效率:CHWQ移走净功热量

17、输入热效率的物理意义：热效率的物理意义：工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。正卡诺循环：正卡诺循环：第二十六页，讲稿共八十九页哦 H 为状态函数，工质通过一个循环为状态函数，工质通过一个循环SWQH据热一律据热一律:H=0=0Q=QH+QL CSWWWCHLWQQHLHHCCQQQQW又又)(12SSTQHH)()()(122134SSTSSTSSTQLLLLHLHLHHLHCTTTTTSSTSSTSST1)()()(121212由卡诺循环知由卡诺循环知(5-25)(5-25)第二十七页，讲稿共八十九页哦注意以下几点：注意以下几点：111 HT若

18、使若使或或T TL L=0=0实际当中是不可能实际当中是不可能(1)(1)=f(TH,TC),若使若使，则则 T TH H,T,TL L 工程上采用高温高压，提高吸热温度工程上采用高温高压，提高吸热温度T TH H，但又受到材质影响但又受到材质影响.若若TH=TL，=0,W=0 这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。卡诺循环，卡诺循环，可逆可逆最大，相同最大，相同T TH H,T,TL L无论经过何种过程，无论经过何种过程，可逆可逆是相同的，是相同的，实际热机只能接近，不能达到实际热机只能接近，不能达到 第二十八页，讲稿共八十九页哦5.

19、3 5.3 熵函数熵函数 n5.3.15.3.1熵与熵增原理熵与熵增原理 通过研究热机效率推导出熵函数的定义式通过研究热机效率推导出熵函数的定义式 对于可逆热机有对于可逆热机有 HLHHLHCTTTQQQHCHLTTQQ11OTQTQLLHH0TQR也即也即TQdSR熵定义熵定义 第二十九页，讲稿共八十九页哦.热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式 可逆 不可逆不可逆可逆可逆可)Q()TT-T()(HHLHLHHLHQQQQQ对不可逆过程：对不可逆过程：对可逆过程：对可逆过程：TQdS可逆TQdS不可逆热力学第二定律的数热力学第二定律的数学表达式学表达式：TQdS 不可逆不可逆=

20、可逆可逆第三十页，讲稿共八十九页哦注意：注意：n熵状态函数。只要初、终态相同，熵状态函数。只要初、终态相同，不可逆可逆SS对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温熵积分进行熵变计算逆过程的热温熵积分进行熵变计算第三十一页，讲稿共八十九页哦.熵增原理熵增原理 对于孤立体系（或绝热体系）对于孤立体系（或绝热体系）OQ TQdS0dS0tS这个式子说明了这个式子说明了由由 熵增原理表达式。熵增原理表达式。0 00 不可逆过程不可逆过程0tS=0 =0 可逆过程可逆过程第三十二页，讲稿共八十九页哦结论：结论：自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程

21、；自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程；oStoStsyssurStSS 同时满足热一律，热二律的过程，实际当中才能实现，违背其中任同时满足热一律，热二律的过程，实际当中才能实现，违背其中任一定律，其过程就不可能实现。一定律，其过程就不可能实现。总熵变为总熵变为自发进行的限度自发进行的限度自发进行的方向自发进行的方向 第三十三页，讲稿共八十九页哦4 4熵变的计算熵变的计算 n1)1)可逆过程的热温熵计算可逆过程的热温熵计算 TQTQdSR可据热一律据热一律SdHQWRSRdHQW可逆过程可逆过程同除同除 T T 得：得：SRRWQdHTTTTWTdHTQdSSRR又又 VdPWSR对理想

22、气体对理想气体:dHdH=nC=nCp pdTdT PnRTV dPdTndSpPnRTTC1212lnlnPPnRTTnCpS第三十四页，讲稿共八十九页哦)相变化熵变相变化熵变 QH VVTHS相变化的熵变相变化的熵变相变化皆属于可逆过程，相变化皆属于可逆过程，并且相变化的热量，据能量平衡方程知：并且相变化的热量，据能量平衡方程知：)环境熵变环境熵变 热力学环境：一般指周围大自然（可视为恒温热源）热力学环境：一般指周围大自然（可视为恒温热源）r00syssusurQQSTT第三十五页，讲稿共八十九页哦 应用举例应用举例 n P111P112 (例53，54)自看 第三十六页，讲稿共八十九页哦

23、5.3.2 5.3.2 熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生 n敞开体系熵平衡方程敞开体系熵平衡方程 将容量性质衡算通式用于熵，得将容量性质衡算通式用于熵，得:i入Si出S产生S积累S=-+第三十七页，讲稿共八十九页哦 T T 限制表面上热流通过处的温度限制表面上热流通过处的温度,T T 代表始态温度代表始态温度,T T 代表终态温度代表终态温度物料物料热量热量 TTTQ S S 单位质量物料的熵；单位质量物料的熵；熵携带者熵携带者功与熵变化无关，功不携带熵功与熵变化无关，功不携带熵。物料携带的熵物料携带的熵=mSmS热流携带的熵热流携带的熵=式中式中:m m 物料的质量；物料的质量；第三十八页，讲稿

24、共八十九页哦是代数值，是代数值，以体系收入者为正，体系支出者为负以体系收入者为正，体系支出者为负于是于是:入S入)(iism 11TTTQ 22TTTQ出S出)(iism 33TTTQ熵平衡方程为熵平衡方程为:体系S入（)iism TTTQ产生S出)(iism将此整理将此整理,得得:体系S)(iism TTTQ产生S(5-33)(5-33)熵平衡方程熵平衡方程注意：注意：iism TTTQ物料熵热熵流第三十九页，讲稿共八十九页哦2.2.熵产生熵产生 体系S)(iism TTTQ产生S(5-33)中：中：体系的总熵变；体系的总熵变；因物流流进，流出限定容积而引起的熵变化；因物流流进，流出限定容积

25、而引起的熵变化；因热流流进因热流流进,流出限定容积而引起的熵变化；流出限定容积而引起的熵变化；因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关，属于内因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关，属于内因熵变。因熵变。引起熵产生的内在原因实际上是由于体系内部不可逆性而引引起熵产生的内在原因实际上是由于体系内部不可逆性而引起的熵变化。这可以用孤立体系的熵平衡方程来证实。起的熵变化。这可以用孤立体系的熵平衡方程来证实。第四十页，讲稿共八十九页哦对孤立体系：因与环境没有质量交换，也没有能量交换对孤立体系：因与环境没有质量交换，也没有能量交换 0iism0 TTTQ0S入0S 出代入熵平衡方程中代入熵平衡方程中

26、产S体系S孤S=由热二律知由热二律知:可逆过程可逆过程 0S孤0S 产不可逆过程不可逆过程 0S孤0S 产第四十一页，讲稿共八十九页哦结论：结论：n熵产生可以用作判断过程方向的准则熵产生可以用作判断过程方向的准则 0 0 0 时，体系内部的过程不可逆或自发；时，体系内部的过程不可逆或自发；=0=0 时，体系内部的过程可逆或平衡；时，体系内部的过程可逆或平衡；第四十二页，讲稿共八十九页哦3.3.熵平衡方程的特殊形式熵平衡方程的特殊形式 绝热过程绝热过程 0TQ)(iism产生S体系S可逆过程可逆过程0产生S)(iismTQ体系S=+稳流过程稳流过程0体系S)(iismTQ产生S=0=0+封闭体系

27、封闭体系0)(iismTQ产生S体系S=+第四十三页，讲稿共八十九页哦4.4.应用举例应用举例 (例例 5-5)5-5)自看自看 解题要点：符合质量守恒定律能量守恒定律（热一律）熵增原理（热二律）第四十四页，讲稿共八十九页哦5.4 5.4 理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率 n损失功法：损失功法：以以热力学第一定律为基础热力学第一定律为基础，与理想，与理想功进行比较，用热效率评价。功进行比较，用热效率评价。n有效能分析法：有效能分析法：将将热力学第一定律，热力学热力学第一定律，热力学第二定律第二定律结合起来，对化工过程每一股物料进结合起来，对化工过程每一股物料进行分析，用有效

28、能效率评价。行分析，用有效能效率评价。化工过程热力学分析的方法：化工过程热力学分析的方法：第四十五页，讲稿共八十九页哦一一.理想功理想功1.1.定义：体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可对外做定义：体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可对外做的最大功的最大功(对产功过程对产功过程)，或者理论上必须获得外部的最小功，或者理论上必须获得外部的最小功(消耗消耗过程过程)，称为理想功。，称为理想功。Wmax (Wmin)Wmax (Wmin)状态状态1 1状态状态2 2完全可逆完全可逆要注意要注意:完全可逆完全可逆状态变化可逆；状态变化可逆；传热可逆传热可逆(物系与环境物系与环境)第四十六页

29、，讲稿共八十九页哦.理想功的计算式理想功的计算式 n（）非流动体系（）非流动体系若过程可逆若过程可逆 0sursystSSSsursysSS由热一律：由热一律：U=Q+WW=U-Q0TQSsurSTSTSTQsyssur000021021RWUTSUUTSS(5-38)过逆功第四十七页，讲稿共八十九页哦非流动过程理想功结论结论：理想功决定于体系的始、终态和环境状态，与理想功决定于体系的始、终态和环境状态，与过程无关；过程无关；体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对应的理想功。应的理想功。第四十八页，讲稿共八十九页哦（2）稳态流动过程）稳态流动过程热一律

30、表达式为：热一律表达式为：SWQZgCH221忽略动，势能变化忽略动，势能变化 SWQH若可逆若可逆 STQ0STHWid0(5-41)(5-41)稳流过程理想功稳流过程理想功 第四十九页，讲稿共八十九页哦注意点：注意点：式（式（5-415-41）忽略了进出口的动能，势能的变化。完整的表达）忽略了进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：式为：体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，而与实功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，而与实际变化途径无关。际变化途径无关。要区别可逆轴功与理

31、想功这两个概念要区别可逆轴功与理想功这两个概念对绝热过程对绝热过程对不做轴功的过程对不做轴功的过程ZgCSTHWid2021cSRidWWW0CW0SRWSRidWW cidWW 第五十页，讲稿共八十九页哦二损失功二损失功WL n.定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功的差值的差值n数学式：数学式：idacLWWW对稳流体系对稳流体系 0idWTSH HQWWSac00LWH QH T S T S Q (5-43)(5-43)0surQ T S 000LsyssurtWT ST ST S (5-44(5-44a)a)第五十一页，讲稿共八十九页哦

32、结论：结论：tSLW0TLW0tS0LW0tS0LWacidWW1idacWWacidWW 1acidWW（1 1）（2 2）（3 3）可逆过程）可逆过程有关有关与与有关有关与与实际过程实际过程对产功过程：对产功过程：对耗功过程：对耗功过程：WL=T0St第五十二页，讲稿共八十九页哦三三 应用举例应用举例n（P P117117-P-P118118 例例 5-7 5-7）自看）自看第五十三页，讲稿共八十九页哦同样重量的同样重量的24K金子和金子和18K金子相比较，哪个更有价值金子相比较，哪个更有价值?同样数量的热和功，哪个利用价值更高一些？同样数量的热和功，哪个利用价值更高一些？1000kg的饱

33、和蒸汽和过热蒸汽哪个作功能力更大？的饱和蒸汽和过热蒸汽哪个作功能力更大？本节通过引入能级和有效能的概念来回答这个问题。能量不仅本节通过引入能级和有效能的概念来回答这个问题。能量不仅在数量上具有守恒性，在质量上还具有品位性，而且在转换与在数量上具有守恒性，在质量上还具有品位性，而且在转换与传递工程中具有贬值性。传递工程中具有贬值性。例如对例如对1kJ的热和的热和1kJ的功，从热力学第一定律看，它们的数量是的功，从热力学第一定律看，它们的数量是相等的，但从热力学第二定律考察，它们的质量即作功能力是不相等的，但从热力学第二定律考察，它们的质量即作功能力是不相当的，功的质量（品位）高于热。相当的，功的

34、质量（品位）高于热。第五十四页，讲稿共八十九页哦5.55.5 有效能及其计算有效能及其计算n一、一、有效能的概念有效能的概念n1.1.能量的分类能量的分类n按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：n高质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能高质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能。、机械能。n僵态能量：理论上不能转化为功的能量（如海水、地僵态能量：理论上不能转化为功的能量（如海水、地壳、环境状态下的能量）。壳、环境状态下的能量）。n低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和以低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和

35、以热量形式传递的能量。热量形式传递的能量。第五十五页，讲稿共八十九页哦2.2.有效能有效能n定义：一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态定义：一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态相平衡时，理论上所能作出的最大有用功。相平衡时，理论上所能作出的最大有用功。n无效能：理论上不能转化为有用功的能量。无效能：理论上不能转化为有用功的能量。n能量的表达形式能量的表达形式n对高质能量对高质能量 能量有效能能量有效能n对僵态能量对僵态能量 僵态能量无效能僵态能量无效能n对低质能量对低质能量 低质能量有效能无效能低质能量有效能无效能第五十六页，讲稿共八十九页哦 注意点注意点n有效能有效能“火火用用”、“可用

36、能可用能”、“有用能有用能”、“资用能资用能”。n无效能无效能“火无火无”、“无用能无用能”。n功功可看作可看作100100的有效能。的有效能。第五十七页，讲稿共八十九页哦二、有效能的计算二、有效能的计算 n1.1.环境和环境状态环境和环境状态n环境：指恒环境：指恒T T、P P、x x下，庞大静止体系。如大气、海下，庞大静止体系。如大气、海洋、地壳等。洋、地壳等。n环境状态：热力学物系与环境完全处于平衡时的状环境状态：热力学物系与环境完全处于平衡时的状态。常用态。常用0 0、0 0、0 0、0 0等表示。等表示。n2.2.物系的有效能物系的有效能n物理有效能：物系由于、与环境不同所具有的有效

37、能物理有效能：物系由于、与环境不同所具有的有效能。n化学有效能：物系在环境的化学有效能：物系在环境的0 0、0 0下，由于组成与下，由于组成与环境不同所具有的有效能。环境不同所具有的有效能。第五十八页，讲稿共八十九页哦1.1.稳流物系的有效能稳流物系的有效能n定义：定义：n稳流物系从状态稳流物系从状态1 1变到状态变到状态2 2时过程的时过程的理想功理想功：n W Widid=T=T0 0(S(S1 1-S-S2 2)-(H)-(H1 1-H-H2 2)=H-T)=H-T0 0S S（5-415-41）n有效能有效能:稳流物系从任一状态（、）以可逆方式变化到环境状态（稳流物系从任一状态（、）以

38、可逆方式变化到环境状态（T TO O、P P0 0、H H0 0、S S0 0）时，理想功的负值。）时，理想功的负值。nE EX XT T0 0(S(S0 0-S-Si i)-(H)-(H0 0-H-Hi i)（5-475-47）n第五十九页，讲稿共八十九页哦2.2.理想功与有效能的区别与联系理想功与有效能的区别与联系理想功：理想功：Wid=H-T0S=(H2-H1)-T0(S2-S1)有效能：有效能：E EX X=T0(S0-S)-(H0-H)(1)(1)有效能与理想功的有效能与理想功的区别区别:终态不一定相同终态不一定相同W Widid:终态不定终态不定 E EX X:终态一定（基态即环境

39、状态）终态一定（基态即环境状态）研究对象不同研究对象不同W Widid：对两个状态而言，与环境无关，可正可负。：对两个状态而言，与环境无关，可正可负。E EX X：对某一状态而言，与环境有关，只为正值。：对某一状态而言，与环境有关，只为正值。第六十页，讲稿共八十九页哦(2)(2)联系联系n(B1)EX1T0(S0-S1)-(H0-H1)n(B2)EX2T0(S0-S2)-(H0-H2)n有效能变化有效能变化nEXEX2-EX2=H-T0S=Wid（5-53）若若E EX X00，W Widid0 00，W Widid0 0 物系接受功，物系接受功，E EX X=-W=-Widid 第六十一页，

40、讲稿共八十九页哦3.功、电能和机械能的有效能nEX=W （5-48）第六十二页，讲稿共八十九页哦4.4.热量的有效能热量的有效能E EXQXQ卡诺循环热效率卡诺循环热效率 001X QTTEQQQTT1QWcCTTTTQQQ01212111定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆 方式所能做出的最大有用功。方式所能做出的最大有用功。计算式计算式恒温热源热量的有效能恒温热源热量的有效能（5 54949）无效能无效能EXQ=WC 第六十三页，讲稿共八十九页哦变温热源的有效能变温热源的有效能(1)oXQTEQT平1212TTlnT-T平T或用或用H H

41、、S S值计算：值计算：E EXQXQ=T=T0 0S-H S-H 0TpTHC dT0TTpTCSdT 00TTpXQTCETdT0TpTC dT00TTpTCTdT 0TpTC dT0TpTC dT00TTpTCTdT00(1)TTpTTC dT(5(550)50)第六十四页，讲稿共八十九页哦5.5.压力有效能压力有效能 0()TPTpPVHVTdP0()TPpPVSdP00()TPX PpPVETdP0()TPpPVVTdPEX=ToS-H（5-47）由第三章知由第三章知00()()TPpPVVTTdPPRPTV000RTR()lnppPX PPPETTdPRTP（5 55252）对理想

42、气体对理想气体第六十五页，讲稿共八十九页哦四、过程的不可逆性和有效能损失四、过程的不可逆性和有效能损失n1.1.不可逆性不可逆性n热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆性的。可逆性的。nSSt t（SS产生产生）0 0 不可逆过程不可逆过程 =可逆过程可逆过程n有效能的方向和不可逆性有效能的方向和不可逆性表现在：表现在：当过程是当过程是可逆时可逆时，有效能，有效能不会向不会向无效能转化，有效能的无效能转化，有效能的总量保持不变。总量保持不变。当过程是当过程是不可逆时不可逆时，有效能，有效能向向无效能转变，使有效能的总无效能转

43、变，使有效能的总量减少。量减少。第六十六页，讲稿共八十九页哦2.2.有效能损失有效能损失(El)n2.2.有效能损失有效能损失(E(EL L)n定义：不可逆过程中有效能的减少量。定义：不可逆过程中有效能的减少量。n计算式：计算式：E El l理想功实际功理想功实际功n对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响 实际功实际功 Ws=Q-H 理想功理想功 WidT0S-Hn E El lT0S-H-Q+HT0S-QEl=T0Ssys+T0Ssur=T0St或或El=T0S产生产生（5-54）又又Ssur=-Q/T0-Q=T0Ssur第六十七页，讲稿共八十九页哦典型过程

44、有效能损失典型过程有效能损失 n传热过程传热过程n高温物系放出的热量的有效能为：高温物系放出的热量的有效能为：E EXQ,HXQ,HQ Q（1 1T T0 0/T/TH H）n低温物系吸收的热量的有效能为：低温物系吸收的热量的有效能为：E EXQ,LXQ,LQ Q（1-T1-T0 0/T/TL L）有效能损失有效能损失 E El l=E=EXQ,HXQ,H-E-EXQ,LXQ,L=)()1TT1(000H0HLLTTTTQTTQLHLH0TTT-TQT结论结论：)传热过程有效能损失是存在的；传热过程有效能损失是存在的；)T TH H-T-TL L差值增大，差值增大，E El l增大。增大。(5

45、-58)第六十八页，讲稿共八十九页哦dSdSt t=-VdP dS=-VdP dSt t=(-V/T)dP=(-V/T)dP由前知由前知E El l=ToS=ToSt t dE dEl l=T=T0 0dSdSt t=T=T0 0(-V/T)dp (-V/T)dp （5-575-57）结论：结论：)E El l P P压力降；压力降；)稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。稳流体系稳流体系对稳流体系，若忽略掉动能和势能对稳流体系，若忽略掉动能和势能HHQ+WsQ+Ws对管道流动，一般情况下，对管道流动，一般情况下，Q Q0 0（无热交换）无热交换）WsWs

46、0 0（无轴功）无轴功）dH=0dH=0HH0 0dH=TdS+VdPdH=TdS+VdP第六十九页，讲稿共八十九页哦iNidnnsdT-T)(ii1iNidnnsdT)(ii1传质过程传质过程若若T T=T=T=T=T式中：式中：i i i i组分在组分在、相中的化学位相中的化学位把两相看作一个孤立体系，则把两相看作一个孤立体系，则d(ns)d(ns)孤孤=d(ns)d(ns)t t有效能损失：有效能损失：El=T0d(ns)t=-T0iNidnTii1（5-60）第七十页，讲稿共八十九页哦注意点：注意点：有效能损失在任何不可逆过程都是存在的；有效能损失在任何不可逆过程都是存在的；有效能损失

47、的大小与过程的推动力有关，有效能损失的大小与过程的推动力有关，E El l推动力。即推动力大，推动力。即推动力大，E El l大。大。第七十一页，讲稿共八十九页哦3.3.应用举例应用举例nP123P123124124例例 5 510105 51111例例 5 51010自看自看第七十二页，讲稿共八十九页哦5.6 5.6 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n有效能的守恒与否应与过程的可逆性有关，过程是可有效能的守恒与否应与过程的可逆性有关，过程是可逆的，没有有效能的损失，有效能是守恒的。不可逆逆的，没有有效能的损失，有效能是守恒的。不可逆过程总是使有效能减少而无效能增加，在建立有效能过

48、程总是使有效能减少而无效能增加，在建立有效能衡算式时，应附加一项有效能损失作为有效能的输出衡算式时，应附加一项有效能损失作为有效能的输出项。项。敞开体系稳流系统有效能平衡方程式：敞开体系稳流系统有效能平衡方程式：输入的有效能输出的有效能有效能损失输入的有效能输出的有效能有效能损失第七十三页，讲稿共八十九页哦n1.1.有效能衡算式有效能衡算式n 由热力学第一律由热力学第一律,热力学第二律推出热力学第二律推出稳流体系稳流体系状态状态1 1状态状态2 2 H H1 1,S,S1 1H H2 2,S,S2 2 QWs孤立体系孤立体系一一.有效能平衡有效能平衡第七十四页，讲稿共八十九页哦由热力学第二定律

49、：由热力学第二定律：分两种情况考虑分两种情况考虑 SWQHS12WQHH由热力学第一定律由热力学第一定律(忽略了动能忽略了动能,势能势能)(A)A)(1)(1)可逆过程可逆过程 0tsyssurSSS 00ltET S有效能损失有效能损失 SSSsys12surQST0021()0QSSTTT0021()QSSTTT(B)B)第七十五页，讲稿共八十九页哦210021()()sQQSSWHHTTT 020100200101sTHHHHTSSTSSQWT(A)-A)-(B),B),得得:进行数学处理，得：进行数学处理，得：输入体系有效能输入体系有效能=输出体系有效能输出体系有效能 00020010

50、201()()()()(1)sTQSSSSWTHHTHHT21XXXQXWEEEEXiXiEE S12WQHH0021()QSSTTT（A）（B）21XXXQXWEEEE（5-64）第七十六页，讲稿共八十九页哦lEXiXiEE(2)(2)不可逆过程不可逆过程由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大于由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大于零，零，E El l00。0tsyssurSSS 输入体系有效能输入体系有效能=输出体系有效能输出体系有效能 +有效能损失有效能损失（5-65）第七十七页，讲稿共八十九页哦2 结论：结论：n 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一能量衡算是