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1、第7章热力学第二定律及其工程应用现在学习的是第1页，共63页能量相互转换的特点：能量相互转换的特点：能量相互转换过程中数量上守恒能量相互转换过程中数量上守恒热力学第一定律热力学第一定律能量转换有一定的条件和方向能量转换有一定的条件和方向不同的能量质量不同不同的能量质量不同功全部转换成热，热量只能部分转变为功功全部转换成热，热量只能部分转变为功热量不能自动从低温物体传向高温物体热量不能自动从低温物体传向高温物体研究能量转化过程中能量质量的变化特点热研究能量转化过程中能量质量的变化特点热力学第二定律力学第二定律能量的级别：能级能量的级别：能级现在学习的是第2页，共63页7.1 热力学第二定律的表述
2、方法热力学第二定律的表述方法热力学第二定律：不可能把热从低温物体传至高温物体而不发生其不可能把热从低温物体传至高温物体而不发生其它变化它变化Clausius说法说法 不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其它影响不产生其它影响Kelvin说法说法 不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物体不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物体升高，而同时使一热源冷却升高，而同时使一热源冷却Planck说法说法 第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的Kelvin-Planck 的说法的说法 孤立或绝热系统的熵只可能增加，或
3、保持不变，但不孤立或绝热系统的熵只可能增加，或保持不变，但不可能减少可能减少在两个不同温度间工作的所有热机，不可能有任何热机的效在两个不同温度间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高率比可逆热机的效率更高现在学习的是第3页，共63页7.1.1 过程的不可逆性过程的不可逆性可逆过可逆过程：程：系统经历某一过程后，如果在外界不发生任何变系统经历某一过程后，如果在外界不发生任何变化的情况下能够回复到初态的过程化的情况下能够回复到初态的过程 不可逆不可逆过程：过程：状态恢复到初始时外界必然发生变化。状态恢复到初始时外界必然发生变化。实际发生的一切过程都是实际发生的一切过程都是不可逆
4、不可逆过程过程两者关系两者关系可逆过程是实际一切不可逆过程的一种极限情况，可逆过程是实际一切不可逆过程的一种极限情况，实际应用中作为评价不可逆过程中技术设备、装实际应用中作为评价不可逆过程中技术设备、装置效率的标准。置效率的标准。现在学习的是第4页，共63页7.1.2 熵熵熵熵(entropy)描述系统内分子无序热运动的状态函数描述系统内分子无序热运动的状态函数封闭系统的封闭系统的熵变熵变dQST热源或系统的温度热源或系统的温度系统与外界的热量交换会引起系统熵的变化系统与外界的热量交换会引起系统熵的变化热力系统与外界环境所构成的孤立系统，熵变为：热力系统与外界环境所构成的孤立系统，熵变为：td
5、dd0syssurSSS表示总量表示总量表示系统表示系统表示环境表示环境现在学习的是第5页，共63页7.1.3 热源熵变和功源熵变热源熵变和功源熵变热源与外界只有热量交换而无功和质量交换的系统封闭系统HHdQST热源热源高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T T2 21QT2QT高温与低温热源熵变之和：高温与低温热源熵变之和：212111()QQSQTTTT孤立0T2与与T1相差越大，过程不可逆性越大，总熵变越大！相差越大，过程不可逆性越大，总熵变越大！功源功源功源永远不可能有熵变功源永远不可能有熵变现在学习的是第6页，共63页7.2 熵平衡方程熵平衡方程7.2.1 封闭系统的熵平衡方
6、程式封闭系统的熵平衡方程式封闭系统和热源的熵增量之和等于过程内外不可逆性引起的熵产封闭系统和热源的熵增量之和等于过程内外不可逆性引起的熵产量量 HgtddddSSSSHHHHdQQSTTgHddQSSTgdS熵产，仅与过程是否可逆有关熵产，仅与过程是否可逆有关可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程：gd0S gd0S gH,ddiiiQSST现在学习的是第7页，共63页7.2.2敞开系统熵平衡方程式敞开系统熵平衡方程式敞开系统敞开系统图图7-1 敞开系统的熵衡算示意图敞开系统的熵衡算示意图H,diiiQTd,jjjjmp T S,S iWd,iiiim p T SSYSddSt熵流熵流dt
7、 时间内的熵平衡关系SYS,ddddiiijjiijH iSQSmSmtT入出现在学习的是第8页，共63页SYS0,0iQijjiijiiH iSQS mS mtT入出将不可逆因素引起的熵产代入，可使不等式转变为等式将不可逆因素引起的熵产代入，可使不等式转变为等式SYS0,iQiiijjgiijH iSQS mS mStT入出SYSg0,iQijjiijiiH iSQS mS mStT 入出或：可逆过程，该项等于零可逆过程，该项等于零系统总熵变系统总熵变对稳定流动敞开系统对稳定流动敞开系统g0,iQijjiijiiH iQSS mS mT入出SYS0St现在学习的是第9页，共63页7.3 热机
8、效率热机效率热机热机将热源提供的热转换成所需要的功循环操作装置。热机效率热机效率 热机产生的净功与向其提供的热量之比。TTHSWQ热机产生的净轴功热机产生的净轴功向热机提供的热量向热机提供的热量HLSQQWHLSQQW热机排出的热量热机排出的热量L0Q LTH1QQ可逆热机效率：可逆热机效率：HLRTTT1)(现在学习的是第10页，共63页课堂练习：课堂练习：某人声称设计的热机工作在某人声称设计的热机工作在400高温和高温和60低温低温热源之间，输出功率为热源之间，输出功率为210KW，机器每小时消耗热，机器每小时消耗热值为值为2.4104KJ.Kg-1的燃煤的燃煤30Kg。判断该热机提。判断
9、该热机提供的参数是否合理？供的参数是否合理？现在学习的是第11页，共63页定义：定义：系统在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从系统在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功或必须消耗的最小功。或必须消耗的最小功。理想功理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。比较标准。过程完全可逆：过程完全可逆：（1）体系发生的所有变化都是可逆的。体系发生的所有变化都是可逆的。（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。体系与环境间有热交换时也是可逆的。7.4 理想功、损失功和热力学
10、效率理想功、损失功和热力学效率idW7.4.1 理想功理想功现在学习的是第12页，共63页注意：注意：理想功和可逆功并非同一概念。理想功是只可逆理想功和可逆功并非同一概念。理想功是只可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部。图图6-4稳流过程理想功示意图稳流过程理想功示意图无数个小型无数个小型卡诺热机卡诺热机周围自然环境周围自然环境（温度（温度 ）0T RSWcW)(21TTQ)(00TQ可逆的可逆的稳流过程稳流过程1111SHPT、状态状态112222SHPT、状态状态227.4.2 稳定流动过程的理想功稳定流动过程的理想功现在学习的是第
11、13页，共63页做功衡算：做功衡算：CRSidWWW忽略动、位能变化，则：忽略动、位能变化，则：由稳流过程的熵衡算：由稳流过程的熵衡算：ifiniijoutjjgSSMSMS对于只有一股物流的可逆稳流过程：对于只有一股物流的可逆稳流过程：00TQS 0gS，0012TQSSSf，idWQH0STQ00现在学习的是第14页，共63页因为因为 HS、是状态函数，因此稳流过程的理想功只是状态函数，因此稳流过程的理想功只与流体的始末有关，与具体过程无关，但与环境温度有关。与流体的始末有关，与具体过程无关，但与环境温度有关。环境温度一般指大气或天然水源的温度。环境温度一般指大气或天然水源的温度。稳流过程
12、理想功计算式稳流过程理想功计算式idWHTS HQWid0现在学习的是第15页，共63页理想功是一个重要的基本概念，应注意以下几点：理想功是一个重要的基本概念，应注意以下几点：（1）就功的代数值而言，理想功均为最大功。就功的代数值而言，理想功均为最大功。（2）理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部。理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部。（3）理想功是完成给定状态变化所消耗的最小有用功，理想功是完成给定状态变化所消耗的最小有用功，所以它可以作为评价实际过程的标准。通过比较实所以它可以作为评价实际过程的标准。通过比较实 际过程的有用功和理想功，就可以判断实际过程的际过程的有用功和理想功，
13、就可以判断实际过程的 不可逆程度。不可逆程度。现在学习的是第16页，共63页例7.2 试计算在流动过程中从1kmol氮气从温度为800K，压力为4.0MPa到环境温度为298.15K时所能给出的理想功，假设氮气为理想气体。解：初态(800K,4.0MPa)终态(298.15K,0.1013MPa)1kmol N2对理想气体11298.150.1013118004.0R3.5 8.3148.314dddd1.84(kJ kmolK)TppTpcSTpTpTpTp1298.1541800d3.5 8.314d1.460 10kJ kmolTpTHcTT 可得：441id298.15 1.841.4
14、6 101.51 10 kJ kmolWTSH 现在学习的是第17页，共63页7.4.3 损耗功损耗功系统在给定状态变化过程中所提供的理想功与所作出的实际功差值 定义LidSWWW对稳定流动体系idWHTS LWTSQ000;QQQST L0WTSS 或：LtgWTSTS现在学习的是第18页，共63页例7.4 某厂有一输送92热水的管道，由于保温不良，至使用时水温降至67。计算每吨热水输送中由于散热而引起的损失功。取环境温度为25。已知水的比恒压热容为 。-1-14 1868kJkgK.解：解：以以1kg1kg水为计算基准水为计算基准9267-10214 1868340365104 67 kJ
15、kg),水().().(pQcTT 此热量引起的环境熵变为此热量引起的环境熵变为-1-10sur104 670 351 kJkgK)298QST.(水在等压下冷却的熵变为水在等压下冷却的熵变为-1-12sys13404 18680 297 kJkgK)365pTScT,水ln.ln.(-1Lsyssur2980 2970 35116 10kJ kg)WTSS()(.).(现在学习的是第19页，共63页7.4.4 热力学效率热力学效率理想功理想功实际功实际功损耗功损耗功热力学效率热力学效率产功过程产功过程SidLIIididWWWWW耗功过程耗功过程ididIISidLWWWWW可逆过程可逆过程
16、II1不可逆过程不可逆过程II1意义：意义：是过程热力学完善性的量度。它反映了过程的是过程热力学完善性的量度。它反映了过程的可逆程度，是代表热力学第二定律的效率。可逆程度，是代表热力学第二定律的效率。现在学习的是第20页，共63页7.5 熵分析法在典型化工单元过程中的应用熵分析法在典型化工单元过程中的应用熵分析法的步骤熵分析法的步骤确定出入系统各种物流量和热流量、功流量以及各种物流的确定出入系统各种物流量和热流量、功流量以及各种物流的状态参数状态参数 确定物流的焓变和熵变确定物流的焓变和熵变 对系统能量衡算，并计算系统变化过程的理想功对系统能量衡算，并计算系统变化过程的理想功 计算系统的熵产生
17、量，计算系统的损耗功；计算过程计算系统的熵产生量，计算系统的损耗功；计算过程的热力学效率的热力学效率 现在学习的是第21页，共63页过程的热力学分析目的：过程的热力学分析目的：学会应用热力学理论分析化工过程影响功损耗因素学会应用热力学理论分析化工过程影响功损耗因素，并能提出符合实际生产的减少功损耗的措施。，并能提出符合实际生产的减少功损耗的措施。教学目标教学目标：利用热力学第一、第二定律分析化工过程中损利用热力学第一、第二定律分析化工过程中损耗功的大小，以提高生产过程能量的利用率。耗功的大小，以提高生产过程能量的利用率。现在学习的是第22页，共63页7.5.1 流体流动过程流体流动过程：流体的
18、流动过程流体的流动过程单纯的流体经过管道单纯的流体经过管道流体的压缩流体的压缩节流膨胀节流膨胀 由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、设备的摩擦（即使流体的一部分机械能耗散为热能），使功设备的摩擦（即使流体的一部分机械能耗散为热能），使功贬质，并有贬质，并有熵产生熵产生。流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有熵产生熵产生。1.问题的提出：问题的提出：现在学习的是第23页，共63页对于只有一股流体的敞开体系对于只有一股流体的敞开体系：fgSSSS12 等温绝热流动等温绝热流动：0fS0
19、Q，0SW0H，（）SSSSg12 讨论流体流动过程的功损耗应首先找出讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生熵产生与与压力压力降降之间之间的关系：的关系：P PS Sg g2.2.流体流动熵产生与压力差关系式流体流动熵产生与压力差关系式流体流动时的损耗功：流体流动时的损耗功：0LxgWETS P1,S1P2,S2P1P2,S2S1现在学习的是第24页，共63页对于流动的封闭体系对于流动的封闭体系：0VdPTdSdHgPPSdPTVS21即：即：dPTVdS，210PLpVWTdPT式中：式中：T T和和V V分别是流体的体积和温度分别是流体的体积和温度 T T、V V可看成可看成常数常数，因
20、此上式写成，因此上式写成：210PPVTTWL式中：式中：0T为环境温度，为环境温度，T为物系温度为物系温度。现在学习的是第25页，共63页3.热力学分析热力学分析：近似与流速的平方成正比近似与流速的平方成正比，因此因此功耗也与流速的平方成正比功耗也与流速的平方成正比。(1)由公式看出，损耗功正比于由公式看出，损耗功正比于（），），21PP 而而（）21PP 如果降低流速，就必须加大管道和设备的直径，使设备投资费如果降低流速，就必须加大管道和设备的直径，使设备投资费用增加，因此，用增加，因此，（2）节流过程节流过程：焓值不变：焓值不变，0H，但局部阻力增大，阀但局部阻力增大，阀门两端的压差加大
21、门两端的压差加大，021PPgdPTVSS，熵产生增熵产生增思考：思考：结合化原的知识考虑实际生产中如何选择合适的流速？结合化原的知识考虑实际生产中如何选择合适的流速？uAm，流量流量m m 往往是生产上所需要的，不能改变往往是生产上所需要的，不能改变。又又应权衡能耗费和设备费的关系选择合适的流速。应权衡能耗费和设备费的关系选择合适的流速。210PPVTTWL现在学习的是第26页，共63页lgvv，气体节流要比液体节流的损耗功大。气体节流要比液体节流的损耗功大。LW因此，化工生产中应尽量少用节流，以便减少无谓的功损耗。因此，化工生产中应尽量少用节流，以便减少无谓的功损耗。（3）mvVWL，即功
22、损耗正比于流体体积，由于，即功损耗正比于流体体积，由于 TWL1（4），物系温度物系温度T T 愈低，愈低，T损耗功愈大损耗功愈大 ）（LW温度温度T T低的流体损耗功大低的流体损耗功大。思考：当制冷的温度一定时，如何降低损耗功？思考：当制冷的温度一定时，如何降低损耗功？损耗功损耗功大，并大，并熵产生随压力差的增大而增加熵产生随压力差的增大而增加，也随之增加，也随之增加，制冷过程应选择较低的流速。制冷过程应选择较低的流速。现在学习的是第27页，共63页7.5.2 传热过程传热过程TA1，mA，pA1TA2，mA，pA2TB2，mB，pB2TB1，mB，pB1图图7-4 逆流换热器中的传热过程逆
23、流换热器中的传热过程(1)热流体热流体A对冷流体所作的理想功对冷流体所作的理想功 流体无相变，忽略换热过程压降，其熵变和焓变分别为：流体无相变，忽略换热过程压降，其熵变和焓变分别为：A2AAAA1lnpTSm cTAAAA2A1pHm cTTA2id,AAAAAA2A1AAA1lnppTWHTSm cTTT m cT理想功：理想功：这也是高温流体从这也是高温流体从TA1 到到TA2 变化过程所作的理想功。变化过程所作的理想功。现在学习的是第28页，共63页(2)冷流体冷流体B所得的理想功所得的理想功冷流体吸收了高温流体所放出的热量，焓变、熵变和理想冷流体吸收了高温流体所放出的热量，焓变、熵变和
24、理想功为功为B2BBBB1lnpTSm cTBBBB2B1pHm cTTB2id,BBBB2B1BB1lnppTWm cTTT cT(3)换热过程的损失功换热过程的损失功等于高温流体给出的理想功和低温流体得到的理想功差值等于高温流体给出的理想功和低温流体得到的理想功差值 等于换热过程的熵产量与环境温度的乘积等于换热过程的熵产量与环境温度的乘积 A2B2gABAABBA1B1lnlnppTTSSSm cm cTT 现在学习的是第29页，共63页为计算方便，引入冷热流体间的换热总量为计算方便，引入冷热流体间的换热总量 QttAAA2A1BBB2B1ppQm cTTm cTT 对换热过程对换热过程由
25、以上两式：由以上两式：A2B2A1B1gtA2A1B2B1lnlnTTTTSQTTTT A2A1B2B1m,Am,BA2B2A1B1lnlnTTTTTTTTTT，设：设：热、冷流体对数平均温度热、冷流体对数平均温度m,Am,Bgtm,A m,BTTSQTTm,Am,BLtm,A m,BTTWT QTT现在学习的是第30页，共63页过程传热热力学分析：过程传热热力学分析：（1）由推导公式过程可知，即使换热器无散热损失，由推导公式过程可知，即使换热器无散热损失，0损Q，热量在数量上热量在数量上完全收回完全收回，即热流体放出的热全部用，即热流体放出的热全部用于冷流体的升温，仍有功损耗于冷流体的升温，
26、仍有功损耗，0LW，)0)(LmHmTT。（2）)(LmHmLTTW，即当环境温度即当环境温度 0T，传热传热量量 Q及传热温度之积及传热温度之积 LmHmTT一定时。损耗功与传热温差成正比一定时。损耗功与传热温差成正比。（3）LmHmLTTW1，当传热量当传热量 Q一定时，一定时，LmHmTT越小，越小，LW越大，由数学可证明。越大，由数学可证明。当当)(LmHmTT越接近于零越接近于零LmHmTT最大最大。时时，m,Am,BLtm,A m,BTTWT QTT现在学习的是第31页，共63页HidLidaWWHidLHidWWW无温差的传热过程，若无散热损失：无温差的传热过程，若无散热损失：，
27、1a但实际生产中但实际生产中均为不可逆的有温差传热均为不可逆的有温差传热：LidHidWW1a，。（4）换热过程的热力学效率：换热过程的热力学效率：思考：思考：1.1.为了减小功损耗，换热器的冷热流体温差是否越小越好？为了减小功损耗，换热器的冷热流体温差是否越小越好？2.2.如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差？如何根据生产实际温度选择合适的流体温度差？现在学习的是第32页，共63页7.5.2 混合与分离过程混合与分离过程混合过程混合过程TA，pA，nATB，pB，nBTm，pm，nm混合器图图7-5混合过程混合过程理想功计算理想功计算S0HQW对绝热混合器对绝热混合器idWHTSTS 假
28、定混合后为理想溶液，若混合前后温度、压力不同，为假定混合后为理想溶液，若混合前后温度、压力不同，为计算方便，将混合过程分为二步进行计算方便，将混合过程分为二步进行 第步将系统温度、压力变化到混合器出口的温度与压力第步将系统温度、压力变化到混合器出口的温度与压力 mmm1A1B1AABBAABB(lnRln)(lnRln)mppTpTpSSSncncTpTp 现在学习的是第33页，共63页第步同温同压下不同组分进行混合，即为理想溶液混合熵变第步同温同压下不同组分进行混合，即为理想溶液混合熵变 2AABBlnlnSnyny 则混合过程总熵变为以上二步熵变之和则混合过程总熵变为以上二步熵变之和mAm
29、mB12AABBAABB(lnRln)(lnRln)mppTy pTy pSSSncncTpTp 混合过程的理想功为混合过程的理想功为mAmmBidAABBAABB(lnln)(lnln)mppTy pTy pWTncRncRTpTp多组分混合过程，其理想功可写为多组分混合过程，其理想功可写为 mmid,i,ilnRlnjjp jjjjjjy pTWTn cnTpR现在学习的是第34页，共63页损耗功损耗功gABmAABBSSnnSn Sn S 根据熵衡算方程根据熵衡算方程LgidWTSTSWid0lnlnjjjjWTn RyRT nyy 对于等温等压的混合过程，其理想功可简化为对于等温等压的
30、混合过程，其理想功可简化为 说明混合过程的损失功在数量上等于理想功，不能得到有效地说明混合过程的损失功在数量上等于理想功，不能得到有效地利用。利用。现在学习的是第35页，共63页分离过程分离过程分离过程能耗是大型化工、石化企业中所占能耗比例最高。分离过程能耗是大型化工、石化企业中所占能耗比例最高。(1)(1)等温等压下混合物分离为纯度等温等压下混合物分离为纯度100100%产品的过程产品的过程该条件下的分离过程为混合过程的逆过程。对理想气体该条件下的分离过程为混合过程的逆过程。对理想气体 0id,id,lniiWWRT nyy混合分离(2)(2)等温等压下混合物分离为纯度非等温等压下混合物分离
31、为纯度非100100%产品过程产品过程 分离A+BnA，nBWid1100A100BnA1AnA2AnB1BnB2BWid2Wid3(nA1+nB1)A(B)(nB2+nA2)B(A)Wid4Wid5图图7-6纯度低于纯度低于100%含量产品分离理想功计算示意图含量产品分离理想功计算示意图现在学习的是第36页，共63页idid1id2id3id4id5id1id4id51122 2RRR,1出,1出,出,2出ln lnlnABiiABiiABiiiiiWWWWWWWWWTnnyyTnnyyTnnyy7.6 有效能及其计算方法有效能及其计算方法7.6.1 有效能的概念有效能的概念有效能：有效能：
32、物系处于某状态时所具有的最大作功能力物系处于某状态时所具有的最大作功能力有效能有效能理想功理想功基准态：基准态：与周围环境成平衡的状态与周围环境成平衡的状态热平衡、力平衡、化学平衡热平衡、力平衡、化学平衡物系由所处的状态到达基准态时所提供的理想功为该状态物系由所处的状态到达基准态时所提供的理想功为该状态的有效能的有效能约束性平衡约束性平衡非约束性平衡非约束性平衡能级能级单位能量所含有的有效能单位能量所含有的有效能01现在学习的是第37页，共63页7.6.2 有效能组成有效能组成机械能有效能热量有效能XQExmE物理有效能物理有效能XphE化学有效能化学有效能XcEXmXkXpEEE1XQTEQ
33、T物系仅因温度和压力与环境的温度和压力不同所具有的有效物系仅因温度和压力与环境的温度和压力不同所具有的有效能能 物系由于组成与环境组成不同所具有的有效能称为物系由于组成与环境组成不同所具有的有效能称为化学有效能化学有效能 稳定流动的流体有效能组成为：稳定流动的流体有效能组成为：,EEEEExx kx px phx ch现在学习的是第38页，共63页7.6.3 有效能的计算有效能的计算物理有效能物理有效能XphEHHTSS()()某状态某状态(T T、p p)的摩尔焓与摩尔熵的摩尔焓与摩尔熵 基准态时的摩尔焓与摩尔熵基准态时的摩尔焓与摩尔熵 基准态和基准态和参考态参考态的差异？的差异？从热力学函
34、数看，式从热力学函数看，式(7-55)(7-55)可表达为可表达为Gibbs函数的变化量函数的变化量 (7-55)XphiEG T p Tpn(,)物理有效能的计算也可通过查阅有关效力学图表，如物理有效能的计算也可通过查阅有关效力学图表，如T-S图图、lnp-H图，或温度图，或温度-有效能图、压力有效能图、压力-有效能图等进行计算有效能图等进行计算。现在学习的是第39页，共63页例7.6 某工厂有两种余热可以利用，一种是高温烟道气，主要成分是 、和 汽，流量为500 ，温度为800，其平均比等压热容为 ；另一种是低温排水，流量是1348 ，温度为80，水的平均比等压热容为 ，假设环境温度为29
35、8K。问两种余热中的有效能各为多少?2CO2N2H O-1-10.8kJ kgK-1kg h-1-14.18kJ kgK-1kg h解：解：将高温烟道气视为理想气体将高温烟道气视为理想气体Xph,5-1dd10735000 810732982982981 5710(kJ h)TTppTTpcEHHT SSmcTTTTTmcTTTT,烟 道 气烟 道 气,烟 道 气,烟 道 气()()()ln.()ln.高温烟道气从高温烟道气从800降低到环境温度降低到环境温度25放出的热量放出的热量 5-1Q=5000 81073298=3.110(kJh)pmcTT烟道气,烟道气(-).()现在学习的是第4
36、0页，共63页低温排水的有效能低温排水的有效能Xph,4-135313484 1 83532982982982 55 10(kJ h)pTEmcTTTT排 水,排 水()ln.()ln.低温排水从低温排水从8080降低到环境温度放出的热量降低到环境温度放出的热量 5-1Q=13484 18353298=3.110(kJh)pmcTT水,水(-).()两者余热大小相等两者余热大小相等高温烟道气有效能明显大于低温排水有效能高温烟道气有效能明显大于低温排水有效能现在学习的是第41页，共63页环境模型环境模型：确定环境中基准物质浓度与所处的热力学状：确定环境中基准物质浓度与所处的热力学状态。态。龟山龟
37、山-吉田模型吉田模型 1、环境温度：、环境温度：2、大气中，气态基准物浓度、元素的基准物如表、大气中，气态基准物浓度、元素的基准物如表7.1和表和表7.2所示。所示。化学有效能化学有效能298.15K0.101325MPaTp按化学反应和计量比计算化学有效能，类同于物理化按化学反应和计量比计算化学有效能，类同于物理化学中学中 的计算过程，分的计算过程，分单质元素化学有效能单质元素化学有效能、纯态化合物化学有效能、及混合物的化学有效能计、纯态化合物化学有效能、及混合物的化学有效能计算算SH、现在学习的是第42页，共63页2N2O2H ONeHe2COAr表表7.1 龟山龟山-吉田提出的大气环境模
38、型吉田提出的大气环境模型成成 分分摩尔摩尔分数分数0.75600.20340.03120.0000180.00000520.00030.009122C+OCO(g)2CO(g)2221H+OH O(l)22H O(l)22331Fe+OFe O(s)4223Fe O(s)22Si+OSiO(s)2SiO(s)22Ti+OTiO(s)2TiO(s)22331Al+OAl O(s)4223Al O(s)表表7.2 某些元素的基准物、基准反应与基准物浓度某些元素的基准物、基准反应与基准物浓度元元 素素基准反应基准反应基准物基准物基准物浓度基准物浓度(摩摩尔分数尔分数)C0.0003H1Fe1Si1T
39、i1Al1现在学习的是第43页，共63页1)元素标准化学有效能的计算元素标准化学有效能的计算用环境模型计算的物质化学有效能称为标准化学有效能用环境模型计算的物质化学有效能称为标准化学有效能 由于环境模型中的基准物化学有效能为零，因此元素与环境物由于环境模型中的基准物化学有效能为零，因此元素与环境物质进行化学反应变成基准物所提供的理想功即为元素的化学有效能质进行化学反应变成基准物所提供的理想功即为元素的化学有效能。若化学反应在规定的环境模型中进行，则提供的理想功即为元索。若化学反应在规定的环境模型中进行，则提供的理想功即为元索的标准化学有效能。的标准化学有效能。空气中所包含的气体组分在空气中所包
40、含的气体组分在298.15K下达到饱和湿空气下达到饱和湿空气中相应的分压中相应的分压 时的化学有效能为零。因此这些气体组分时的化学有效能为零。因此这些气体组分的标准化学有效能就等于由的标准化学有效能就等于由0.101325MPa于于298.15K下等温下等温膨胀到时的理想功，即：膨胀到时的理想功，即：Xc298 15iiipERp,.lnip2)化合物的标准化学有效能计算化合物的标准化学有效能计算现在学习的是第44页，共63页对于化学反应式对于化学反应式()0iiiiA Si为化学反应的计量系数。为化学反应的计量系数。在在298.15K、0.101325MPa下，单质生成化合物时所提供的理下，
41、单质生成化合物时所提供的理想功即为该物系标准生成自由焓的变化的负值，即：想功即为该物系标准生成自由焓的变化的负值，即：idfWG 化合物的标准摩尔化学有效能应等于组成化合物的单化合物的标准摩尔化学有效能应等于组成化合物的单质标准摩尔化学有效能之和减去生成反应过程的理想功，质标准摩尔化学有效能之和减去生成反应过程的理想功，即即 Xc,Xcijjf ijEEG,单质单质j的标准摩尔化学有效能的标准摩尔化学有效能 化合物化合物i的标准摩尔化学有效能的标准摩尔化学有效能 化合物化合物i的标准生成自由焓的标准生成自由焓 现在学习的是第45页，共63页3)混合物的标准化学有效能的计算混合物的标准化学有效能
42、的计算 理想气体混合物的标准摩尔化学有效能可用各纯组分的标理想气体混合物的标准摩尔化学有效能可用各纯组分的标推摩尔化学有效能及混合物的组成来计算，即：推摩尔化学有效能及混合物的组成来计算，即：Xc,mixXc,iiiiiiEy ERTyyln纯组分纯组分i的标准摩尔化学有效能的标准摩尔化学有效能 混合物的标准摩尔化学有效能混合物的标准摩尔化学有效能 对于液体混合物，假定其为理想溶液，则上式仍然适用。若对于液体混合物，假定其为理想溶液，则上式仍然适用。若为非理想溶液，则其标准摩尔化学有效能为：为非理想溶液，则其标准摩尔化学有效能为：Xc,mixXc,iRiiiiiEx ETxaln现在学习的是第
43、46页，共63页7.6.4 无效能无效能（Anery）概念概念：给定环境下能量中不能转变为有用功的部分给定环境下能量中不能转变为有用功的部分对恒温热量对恒温热量QX1QTEQT无效能部分无效能部分 NTAQT环境温度下环境温度下NAQ某状态焓某状态焓H，可以根据稳定流动过程的物系有效能计算式求取，可以根据稳定流动过程的物系有效能计算式求取 XphEHHTSS()()无效能部分无效能部分 NAHTSS()系统总能量等于有效能加无效能系统总能量等于有效能加无效能XNEEA节能的正确意义在于节约有效能节能的正确意义在于节约有效能XNddEA 现在学习的是第47页，共63页7.7 有效能平衡方程与有效
44、能损失有效能平衡方程与有效能损失7.7.1有效能平衡方程有效能平衡方程X,XQ,X,S,L,Xd/dikjjiikjjiEEEWWEt现在学习的是第48页，共63页X,XQ,X,S,L,Xd/dikjjiikjjiEEEWWEt对于稳定流动可逆过程，对于稳定流动可逆过程，有效能是守恒的，有效能是守恒的 L,0iiWX,XQ,X,S,ikjjikjjEEEW对于稳定流动不可逆过程对于稳定流动不可逆过程 L,0iiW系统有效能减少无效能增加系统有效能减少无效能增加 L,X,XQ,X,S,iikjjiikjjWEEEW定义有效能效率定义有效能效率 X,S,L,EX,XQ,X,XQ,1jjijjiik
45、ikikikEWWEEEE idXWE 理想功理想功有效能有效能现在学习的是第49页，共63页7.7.2 有效能损失有效能损失有效能为非守恒量，系统有效能损失包含两部分有效能为非守恒量，系统有效能损失包含两部分内部损失：即由系统内部各种不可逆因素造成的有效能损失内部损失：即由系统内部各种不可逆因素造成的有效能损失 外部损失：即通过各种途径散失和排放到环境介质中去的有效能外部损失：即通过各种途径散失和排放到环境介质中去的有效能损失。损失。有效能损失不等于能量损失有效能损失不等于能量损失能量是守恒的，通常能量损失仅指过程中某一系统的有效能和无效能量是守恒的，通常能量损失仅指过程中某一系统的有效能和
46、无效能总量损失能总量损失注意注意：实际工作经常将能量概念和有效能概念等同叙述实际工作经常将能量概念和有效能概念等同叙述，要区别对待。，要区别对待。L,X,XQ,X,S,iikjjiikjjWEEEW现在学习的是第50页，共63页7.8 化工过程能量分析及合理用能化工过程能量分析及合理用能化工过程能量分析的任务化工过程能量分析的任务 确定过程中能量损失或有效能损失的大小、原因及其分布确定过程中能量损失或有效能损失的大小、原因及其分布 确定过程的效率确定过程的效率 化工过程能量分析方法化工过程能量分析方法能量平衡分析法能量平衡分析法熵平衡分析法熵平衡分析法有效能平衡分析法有效能平衡分析法层次要求越
47、来越高层次要求越来越高现在学习的是第51页，共63页7.8.1 能量平衡分析法能量平衡分析法能量平衡分能量平衡分析法析法根据能量平衡方程确定过程的能量损失和根据能量平衡方程确定过程的能量损失和能量的利用率能量的利用率 步骤步骤 确定出入系统的各种物流量和状态参数、热流量和功流量确定出入系统的各种物流量和状态参数、热流量和功流量 确定过程的能量损失和热力学第一定律效率确定过程的能量损失和热力学第一定律效率 确定循环过程的热力学效率确定循环过程的热力学效率 形式形式以进入系统的全部能量为基础的能量平衡以进入系统的全部能量为基础的能量平衡 以供给系统的能量为基础的能量平衡以供给系统的能量为基础的能量
48、平衡 现在学习的是第52页，共63页(1)以进入系统全部能量为基础的能量平衡以进入系统全部能量为基础的能量平衡进入系统的能量：进入系统的能量：一次能源和二次能源的供给能一次能源和二次能源的供给能E供给原料等带入系统的输入能原料等带入系统的输入能 E输入系统输出的能量：系统输出的能量：产品带出系统的输出能产品带出系统的输出能 E输出离开系统的排出能离开系统的排出能 E排出回收能回收能E回收系统的能量平衡方程系统的能量平衡方程 EEEEE供给输入输出排出回收现在学习的是第53页，共63页EEE回收回收供给输入EEE输出输出供给输入EEE排出排出供给输入1回收输出排出1 利用排出(2)以供始系统的能
49、源能量为基础的能量平衡以供始系统的能源能量为基础的能量平衡 目的在于考察能源供给系统的能量利用情况目的在于考察能源供给系统的能量利用情况 现在学习的是第54页，共63页解：解：以每吨氨为计算基准，忽略装置的热损失和驱动水以每吨氨为计算基准，忽略装置的热损失和驱动水泵所需的轴功泵所需的轴功(即认为，即认为，)30.0123MPap-132557kJ kgH 热-1-136kJ kmolKpc 4.0MPa、温度为、温度为703K的过热蒸汽。蒸汽通过透平作功，离开透的过热蒸汽。蒸汽通过透平作功，离开透平的乏汽压力为平的乏汽压力为，为为323K时进入废热锅炉。试用能量平衡法计算此余热利用装时进入废热
50、锅炉。试用能量平衡法计算此余热利用装置的热效率置的热效率。已知转化气的平均恒压摩尔热容为。已知转化气的平均恒压摩尔热容为。例例7.7 设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，如图设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装置，如图7-9。转化气进入及离开废热锅炉的温度分别为。转化气进入及离开废热锅炉的温度分别为1273K和和653K，转化气，转化气流量为流量为516033-1NHNmt 产生压力为产生压力为乏汽进入冷凝器，用乏汽进入冷凝器，用303K的冷却水冷凝，冷凝水在温度的冷却水冷凝，冷凝水在温度0Q 14HH14SS，查水蒸气表可得各状态点参数值为查水蒸气表可得各状态点参数值为 现在