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1、第4章 热力学基本定律及其应用2022/10/12第1页，共148页，编辑于2022年，星期二化工过程能量分析实例化工过程能量分析实例南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯2022/10/12第2页，共148页，编辑于2022年，星期二化工过程能量分析实例化工过程能量分析实例2022/10/12第3页，共148页，编辑于2022年，星期二化工过程能量分析实例化工过程能量分析实例反应器反应器烧重油加热烧重油加热反应物反应物至至560620oC，产生，产生高温烟道气高温烟道气第三过热器第三过热器利用利用高温烟道气高温烟道气加热加热高温反应物高温反应物第二过热器第二过热器利用利用高温产
2、物高温产物加热加热中温反应物中温反应物蒸发器蒸发器利用利用中温烟道气中温烟道气加热加热低温反应物低温反应物废热锅炉废热锅炉利用利用中温产物中温产物产生产生水蒸汽水蒸汽2022/10/12第4页，共148页，编辑于2022年，星期二化工热力学的任务化工热力学的任务1 1、平衡研究、平衡研究相平衡、热平衡相平衡、热平衡2 2、化工过程的热力学分析、化工过程的热力学分析能量的有效利用能量的有效利用2022/10/12第5页，共148页，编辑于2022年，星期二基本概念基本概念能量不仅有能量不仅有数量数量，而且有，而且有质量质量（品位）（品位）。功的。功的品位品位高于热高于热 。自然界的能量可分为三大
3、类自然界的能量可分为三大类（1 1）高级能量：）高级能量：能够能够完全转化完全转化为为功功的能量，如机械能、电能、水力能和风能的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；等；（2 2）低级能量：）低级能量：不能完全转化不能完全转化为为功功的能量，如热能、焓等。的能量，如热能、焓等。高温高温热源产生的热的热源产生的热的品位品位比比低温低温热源产生的热的热源产生的热的品位品位高高。（3 3）僵态能量：）僵态能量：完全不能转化完全不能转化为为功功的能量，如大气、大地、天然水源的能量，如大气、大地、天然水源具有的内能。具有的内能。2022/10/12第6页，共148页，编辑于2022年，星期二作业作业1
4、1.自然界的能量可分为哪三大类？自然界的能量可分为哪三大类？2.分别在分别在p-v图上和图上和T-S图上表示卡诺循环过程图上表示卡诺循环过程3.已知蒸汽进入透平机时的焓已知蒸汽进入透平机时的焓h1=3230kJ/kg,流速流速u1=50m/s,离开透平机时的焓离开透平机时的焓h2=2300kJ/kg,流速流速u2=120m/s。蒸气出口管比进口管低。蒸气出口管比进口管低3m，蒸汽流，蒸汽流量为量为10000kg/h。若忽略透平的散热损失，试求：。若忽略透平的散热损失，试求：(a)透平机输出的功率；透平机输出的功率；(b)忽略进、出口蒸汽的动能和位能变化，估计对输忽略进、出口蒸汽的动能和位能变化
5、，估计对输出功率计算值所产生的误差。出功率计算值所产生的误差。2022/10/12第7页，共148页，编辑于2022年，星期二化工过程的热力学分析化工过程的热力学分析1、能量衡算、能量衡算。2、分析能量品位的变化。、分析能量品位的变化。化工过程总是伴随着能量品位的降低。化工过程总是伴随着能量品位的降低。一个一个效率较高效率较高的过程应该是能量的过程应该是能量品位降低较品位降低较少少的过程的过程。找出找出品位降低最多品位降低最多的薄弱环节的薄弱环节，指出改造的方，指出改造的方向。向。化工热力学的任务化工热力学的任务2022/10/12第8页，共148页，编辑于2022年，星期二本章内容本章内容4
6、.4.1 热力学第一定律能量转换与守恒方程热力学第一定律能量转换与守恒方程4.4.2 热力学第二定律热功转换的不等价性热力学第二定律热功转换的不等价性4.4.3 理想功、损失功与热力学效率理想功、损失功与热力学效率4.4.4 有效能有效能4.4.5 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2022/10/12第9页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.1.1 能量的种类能量的种类热力学第一定律中所涉及的能量通常为以下几种热力学第一定律中所涉及的能量通常为以下几种(1)内能内能U也叫热力学能，其定义见教材也叫热力学能，其定义见教材p185,内能具有内能具有加和性。内能由三部分组
7、成：分子内动能、分子内势加和性。内能由三部分组成：分子内动能、分子内势能、分子内部能能、分子内部能(2)动能动能Ek定义见教材定义见教材p186(3)重力势能重力势能Ep(4)热热Q规定体系得到热规定体系得到热Q为正，反之为为正，反之为(5)功功W规定体系得功为正，反之为负规定体系得功为正，反之为负4.4.1 热力学第一定律热力学第一定律2022/10/12第10页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.1.2热力学第一定律能量守恒的基本式热力学第一定律能量守恒的基本式热力学第一定律对不同的系统有对应的表述热力学第一定律对不同的系统有对应的表述对孤立系统，热力学第一定律指出：对孤立系统，热
8、力学第一定律指出：孤立系统无论经历何种变孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。化，其能量守恒。孤立系统的概念，物化里学过，本课程也多次复习过。孤立系统的概念，物化里学过，本课程也多次复习过。热力学第一定律可描述成热力学第一定律可描述成（体系的能量）（体系的能量）+（环境的能量）（环境的能量）=0=0 由此可推导出热力学第一定律的基本式由此可推导出热力学第一定律的基本式2022/10/12第11页，共148页，编辑于2022年，星期二4.1.3 封闭系统的热力学第一定律封闭系统的热力学第一定律 The First Law Of Thermodynamics in closed systemU+只
9、适合封闭体系只适合封闭体系!热力学第一定律热力学第一定律The first law in closed system（4-12）2022/10/12第12页，共148页，编辑于2022年，星期二4.1.4 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 The first law in open system稳定流动稳定流动-Stead flow敞开体系敞开体系稳定、连续、稳定、连续、流进、流进、流出，不随时间变化，流出，不随时间变化，没有没有能量和物料的积能量和物料的积累累。化工过程中最常用化工过程中最常用2022/10/12第13页，共148页，编辑于2022年，
10、星期二如图如图4-3所示流体流经管路、所示流体流经管路、换热器、透平，做稳定流动换热器、透平，做稳定流动m-质量流率质量流率kg/s,显然显然 m1=m2=m以单位质量流体为计算基准以单位质量流体为计算基准截面截面1处的能量处的能量e1e1=U1+gZ1+u12/2 (J/kg)Z1-截面截面1处流体重心距势能零处流体重心距势能零点平面得高度（点平面得高度（m）u1-截面截面1处流体的平均流速处流体的平均流速 (m/s)4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用2022/10/12
11、第14页，共148页，编辑于2022年，星期二p1、V1、A1截面截面1处流体的压处流体的压力、体积和截面面积。力、体积和截面面积。下标下标2 代表截面代表截面2处相应的参数处相应的参数截面截面2处的能量处的能量e2 e2=U2+gZ2+u22/2 (J/kg)q为体系吸收的热量为体系吸收的热量(J/kg)w为体系与环境交换的功为体系与环境交换的功(J/kg)以单位质量流体为计算基准以单位质量流体为计算基准4.1.3 4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用2022/10/12第
12、15页，共148页，编辑于2022年，星期二4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用根据能量守衡根据能量守衡 e1+q=e2-w（1）由于由于 w=ws+wf ws 轴功；轴功；wf 流动功流动功(计算基准单位质量流体）计算基准单位质量流体）所以所以 w=ws+p2V2-p1V1 (2)h=U+pV (3)将将(2)、(3)代入（代入（1）可得）可得(6-12)式式2022/10/12第16页，共148页，编辑于2022年，星期二6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动系统的热力学第一定律及其应用稳定流动体系的热力学第一定理：稳定流动
13、体系的热力学第一定理：稳定流动体系的热力学第一定理：稳定流动体系的热力学第一定理：可得稳流过程另一能量平衡方程可得稳流过程另一能量平衡方程2022/10/12第17页，共148页，编辑于2022年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用应用中的简化应用中的简化（1）流体通过换热器、管道、混合器流体通过换热器、管道、混合器 ws=0，u2=0，g Z=0 h=q用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程2022/10/12第18页，共148页，编辑于2022年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用应用中的简化应用中的简化（2）流体通过压
14、缩机、膨胀机、泵、透平流体通过压缩机、膨胀机、泵、透平 u20，g Z0 h=q+ws稳流过程中稳流过程中最常用最常用的公式的公式若绝热过程若绝热过程Q=0，ws=h=h2-h1高高压压高温高温蒸汽蒸汽带动带动透平透平产产生生轴轴功功。2022/10/12第19页，共148页，编辑于2022年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用应用中的简化应用中的简化（3）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：例：火箭火箭、化工生产中的、化工生产中的喷射器喷射器。q=0，g Z=0 ，ws=0 h=-u2/2 ；u2 u12022/10/12第20页，
15、共148页，编辑于2022年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用应用中的简化应用中的简化（4）伯努利）伯努利(Bernouli)方程方程（4-20）注意使用条件注意使用条件不可压缩不可压缩+无摩擦无摩擦+无热功交换无热功交换2022/10/12第21页，共148页，编辑于2022年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用应用中的简化应用中的简化（5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律一定律 u2=0，g Z=0 ，Wf=P2V2-P1V1=0 U=q+w2022/10/12第22页，共148页，编辑于2022
16、年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用应用中的简化应用中的简化（6）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。或绝热闪蒸过程。ws=0，u2=0，g Z=0，q=0 h=0冷冻冷冻过程是过程是节流节流过程，过程，焓未变焓未变但但温度降低温度降低2022/10/12第23页，共148页，编辑于2022年，星期二稳流体系能量平衡方程的应用稳流体系能量平衡方程的应用可逆过程体积功可逆过程体积功计算（物化）计算（物化）可逆过程轴功可逆过程轴功计算计算2022/10/12第24页，共148页，编辑于2022年，星期二热力学第一定律应
17、用注意事项热力学第一定律应用注意事项1、注意区别：、注意区别：U=Q+W 封闭体系封闭体系 H=Q+Ws 稳定流动体系稳定流动体系2、注意符号、注意符号：体系体系吸热为正吸热为正（+），体系），体系放热为负放热为负（-）；体系体系对外做功为负对外做功为负（-），外界对体系做功为，外界对体系做功为正正（+）。）。2022/10/12第25页，共148页，编辑于2022年，星期二例题例题例例1：功率为功率为2.0 kw的泵将的泵将90oC水水从贮水罐泵压到换热器，水从贮水罐泵压到换热器，水流量为流量为3.2kg/s，在换热器中以，在换热器中以697.3kJ/s的速率将水冷却后，的速率将水冷却后，水
18、送入比第一贮水罐高水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水罐求送入第二贮水罐的第二贮水罐求送入第二贮水罐的的水温水温解：以解：以l kg的水为计算基准。的水为计算基准。须注意：须注意：由于水放热由于水放热q为负、为负、泵对水做功泵对水做功w为正。为正。h2=h+h1（h1为为90oC水的焓，可查水蒸汽表得）水的焓，可查水蒸汽表得）查水蒸汽表可得符合查水蒸汽表可得符合h2 的饱和水的的饱和水的温度温度即得。即得。2022/10/12第26页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.2热力学第二定律热力学第二定律热功转换的不等价性热功转换的不等价性热力学第二定律热力学第二定律热机工作原理热机工作
19、原理热机效率热机效率卡诺循环卡诺循环可逆机的效率可逆机的效率2022/10/12第27页，共148页，编辑于2022年，星期二热功转换的不等价性热功转换的不等价性热功转换的不等价性热功转换的不等价性功可以功可以100%100%转变为热转变为热热不可能热不可能100%100%转变为功。转变为功。热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。一个基本内容。热力学第二定律的多种描述热力学第二定律的多种描述-question2022/10/12第28页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2 Second law of thermodynamic
20、s Thermodynamics4.2 Second law of thermodynamics Thermodynamics 2.Statement Clausius statement:heat will flow unaided from a hot to a cold reservoir.Kelvin-Planck statement:no cyclic process is possible whose sole result is the flow of heat from a single heat reservoir and the performance of an equi
21、valent amount of work2022/10/12第29页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.2 热力学第二定律热力学第二定律The Second Law of Thermodynamics克劳修斯（克劳修斯（Clausius）的说法：的说法：“不可能把热从低温不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。物体传到高温物体，而不引起其它变化。”即热不可即热不可能自动的从低温物体转给高温物体能自动的从低温物体转给高温物体开尔文（开尔文（Kelvin）的说法：的说法：“不可能从单一热源不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。取出热使之完全变为功，而不发
22、生其它的变化。”都说明了自发过程的不可逆性都说明了自发过程的不可逆性2022/10/12第30页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理 Entropy and entropy increase 首先了解热机工作原理：首先了解热机工作原理：工质从高温工质从高温T1热源吸收热源吸收Q1的热量，的热量，一部分一部分通过循环热机用来对外通过循环热机用来对外做功做功W，另一部分另一部分Q2 的热量放给低温的热量放给低温T2 热源热源。U=Q+W U=0 W=-Q=-(Q1+Q2)热机示意图热机示意图注意：研究对象注意：研究对象/体系体系？循环热机循环热机/工质工质，
23、环境环境？热源？热源 question how to transfer ideal to reality2022/10/12第31页，共148页，编辑于2022年，星期二热机效率热机效率热机效率热机效率：将将热机所作的功热机所作的功W与所吸的热与所吸的热Q1之比称为热机效率之比称为热机效率,用用表示。表示。热机效率大小与过程的可逆程度有关而与工热机效率大小与过程的可逆程度有关而与工质无关。质无关。卡诺定理：卡诺定理：所有工作于所有工作于同温热源和同温冷源同温热源和同温冷源之之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆可逆机的效率最大机的效率最大。2022/10
24、/12第32页，共148页，编辑于2022年，星期二卡诺循环（卡诺循环（Carnot cycle）等温可逆膨胀等温可逆膨胀绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝热可逆压缩绝热可逆压缩2022/10/12第33页，共148页，编辑于2022年，星期二卡诺循环（卡诺循环（Carnot cycle）TS等温可逆膨胀等温可逆膨胀绝绝热热可可逆逆膨膨胀胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝绝热热可可逆逆压压缩缩2022/10/12第34页，共148页，编辑于2022年，星期二可逆机的效率可逆机的效率可逆机的效率可逆机的效率：Tl高温热源的温度，高温热源的温度，K。最高限最高限为锅炉的使用极限，约为锅炉
25、的使用极限，约450oC。栖化。栖化800oCT2低温热源的温度，低温热源的温度，K。最低限最低限为环境温度。南通夏天为环境温度。南通夏天30oC，北极，北极-50oC南通夏天南通夏天max=58%；北极；北极 max=79%。2022/10/12第35页，共148页，编辑于2022年，星期二冷冻系数冷冻系数 如果将如果将卡诺机倒开卡诺机倒开,就变成了就变成了致冷机致冷机.这这时时环境对体系做功环境对体系做功W,体系从低温体系从低温 热源吸热源吸热热 ,而放给高温而放给高温 热源热源 的热量，将所的热量，将所吸的热与所作的功之比值称为吸的热与所作的功之比值称为冷冻系数冷冻系数，用，用 表示。表
26、示。2122TTTWQ-=b2022/10/12第36页，共148页，编辑于2022年，星期二卡诺定理卡诺定理卡诺定理推论：卡诺定理推论：所有工作于所有工作于同温热源同温热源与与同温冷源同温冷源之间之间的可逆机，其的可逆机，其热机效率都相等热机效率都相等，即与热机的工，即与热机的工作物质无关。作物质无关。卡诺定理的意义：卡诺定理的意义：解决了热机效率的极限值问题。解决了热机效率的极限值问题。2022/10/12第37页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理 Entropy and entropy increase 熵的定义熵的定义熵增原理熵增原理熵变的计算
27、熵变的计算熵平衡熵平衡2022/10/12第38页，共148页，编辑于2022年，星期二由物化可知，任何一个可逆循由物化可知，任何一个可逆循环均可看成由无数个小均可看成由无数个小Carnot之和代替，之和代替，则由由vp12BA熵的定义式熵的定义式Clausius2022/10/12第39页，共148页，编辑于2022年，星期二1、熵、熵S的定义的定义PVABC C(可逆可逆)D(可逆可逆)F(不可逆不可逆)任意任意可逆过程可逆过程的热温商的值决的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径定于始终状态，而与可逆途径无关，无关，这个热温商具有状态函数这个热温商具有状态函数的性质。的性质。4.2.1
28、熵与熵增原理熵与熵增原理2022/10/12第40页，共148页，编辑于2022年，星期二2、不可逆过程的、不可逆过程的熵变熵变 由于由于S是是状态函数状态函数，体系不可逆过，体系不可逆过程的程的熵变熵变，与可逆过程的与可逆过程的熵变熵变相相等等3、Clausius 不等式不等式pVABC C(可逆可逆)D(可逆可逆)F(不可逆不可逆)4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理2022/10/12第41页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理总结总结(4-23)、(4-24)式得式得“”号为不可逆过程；号为不可逆过程；“=”号为可逆过程号为可逆过程Clausiu
29、s 不等式不等式4 4、对于孤立体系：、对于孤立体系：Q=0熵增原理：熵增原理：一个孤立体一个孤立体系的熵永不减少。系的熵永不减少。2022/10/12第42页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理“”号为自发过程，号为自发过程，“=”号为可逆过程号为可逆过程任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作一个孤立体系!注意：注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是判断孤立体系是否自发过程的依据是总熵变大总熵变大于于0 0，而不是，而不是体系的熵变大于体系的熵变大于0 0。环境孤立体系孤立体系体系2022/10/12第43页，
30、共148页，编辑于2022年，星期二凡是凡是自发的过程都是不可逆的自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆，而一切不可逆过程都可以归结为过程都可以归结为热转换为功的不可逆性热转换为功的不可逆性。一切一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，而而熵熵函数可以作为体系函数可以作为体系混乱度混乱度的一种量度。的一种量度。4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理2022/10/12第44页，共148页，编辑于2022年，星期二例例4-1，如，如图，有人，有人设计一种程序，使得每一种程序，使得每kg温度温度为373.15K的的饱和水蒸汽和水蒸汽经过一系列的复一系列的复杂步步骤
31、后，能后，能连续地向地向463.15K的高温的高温储热器器输送送1900kJ的的热量，蒸汽最后在量，蒸汽最后在0.1013MPa、273.15K时冷凝冷凝为水水时离开装置。离开装置。假假设可以无限制取得可以无限制取得273.15K的冷凝水，的冷凝水，试从从热力学力学观点分析点分析该过程是否可行？程是否可行？解：解：对于理于理论上可能上可能发生的任何生的任何过程，必程，必须同同时符合第符合第一、第二定律。一、第二定律。蒸气通蒸气通过该装置后，在装置后，在0.1013MPa、273.15K时冷凝冷凝热量得到最大限度量得到最大限度 的利用，的利用，为什么？什么？2022/10/12第45页，共148
32、页，编辑于2022年，星期二高温储热器高温储热器463.15K装置装置H2O(g)373.15K冷却水系统冷却水系统273.15KH1,S1 1H2O(l)273.15K0.1013MPa,H2,S2 2Q1=1900kJQ02022/10/12第46页，共148页，编辑于2022年，星期二因为冷凝温度已达极限因为冷凝温度已达极限T T环环273.15K273.15K（冷却水）（冷却水）1 1）饱和水蒸汽被冷却时放出的热量能否全部给高）饱和水蒸汽被冷却时放出的热量能否全部给高温储热器？温储热器？4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理2022/10/12第47页，共148页，编辑于2022年，星期
33、二 4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理由第一定律，由第一定律，向冷端放热：向冷端放热：再用第二定律检验，考察若按原设计过程，系统和环境的再用第二定律检验，考察若按原设计过程，系统和环境的总熵是否增加，总熵是否增加，为什么？为什么？系统系统？环境？环境 水蒸汽的熵变水蒸汽的熵变S1S2-S1=0-7.3549=-7.35497.3549kJ/kgK环境高温储热器环境高温储热器 得到热量，保持恒温，所以得到热量，保持恒温，所以2022/10/12第48页，共148页，编辑于2022年，星期二 4.2.1 熵与熵增原理熵与熵增原理环境低温冷端的熵变环境低温冷端的熵变孤立系统总熵变孤立系统总熵变S
34、S1+S1+S1-.412过程不可能过程不可能2022/10/12第49页，共148页，编辑于2022年，星期二熵的定义及应用熵的定义及应用对于绝热体系（对于绝热体系（Q体系体系=0；Q环境环境=0）1 1）绝热可逆过程）绝热可逆过程环境Q环境=0孤立体系孤立体系Q总总=0绝热体系Q体系=02022/10/12第50页，共148页，编辑于2022年，星期二熵的定义及应用熵的定义及应用2 2）绝热不可逆过程）绝热不可逆过程这是因为不管体系发生的是这是因为不管体系发生的是否可逆过程，由于环境的热否可逆过程，由于环境的热源无限大，环境的变化可视源无限大，环境的变化可视为可逆过程。为可逆过程。2022
35、/10/12第51页，共148页，编辑于2022年，星期二熵增原理熵增原理熵增原理指出熵增原理指出：一切自发的过程只能向一切自发的过程只能向总熵值增加总熵值增加的方向举行，的方向举行，它提供了判断过程方向的准则。当总熵值达到它提供了判断过程方向的准则。当总熵值达到最大，也即体系达到了平衡最大，也即体系达到了平衡。应用熵增原理时应注意：应用熵增原理时应注意：孤立体系孤立体系总熵变总熵变2022/10/12第52页，共148页，编辑于2022年，星期二熵变的计算熵变的计算&仅有仅有PVTPVT变化的熵变变化的熵变&有相变过程的熵变有相变过程的熵变&环境的熵变环境的熵变2022/10/12第53页，
36、共148页，编辑于2022年，星期二1、有、有PVT变化变化的熵变的熵变熵变的计算熵变的计算2、有、有相变相变过程的熵变过程的熵变等温等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计可逆等温等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计可逆过程）过程）2022/10/12第54页，共148页，编辑于2022年，星期二熵变的计算熵变的计算(1)体系体系可逆变化时环境的熵变可逆变化时环境的熵变(2)体系是不可逆变化时，但由于环境很大，可将体体系是不可逆变化时，但由于环境很大，可将体系与环境交换的系与环境交换的热量热量设计成另一个可逆过程交换的设计成另一个可逆过程交换的热热量。量。3 3、环境环境的熵变的熵变2022/1
37、0/12第55页，共148页，编辑于2022年，星期二等温变化的熵变例题等温变化的熵变例题例例1：1mol理想气体在理想气体在20oC下等温，由下等温，由10 atm变化到变化到1atm：(1)可逆膨胀，可逆膨胀，(2)不可逆膨胀，不可逆膨胀，(3)真空膨胀，分别求其熵变。真空膨胀，分别求其熵变。解：解：体系，理想气体体系，理想气体10atm,20oC体系，体系，理想气理想气体体1atm,20oC环境环境1atm,20oC环境环境1atm,20oC1 1）可逆过程可逆过程2022/10/12第56页，共148页，编辑于2022年，星期二等温变化的熵变例题等温变化的熵变例题2 2）不可逆过程不可
38、逆过程2022/10/12第57页，共148页，编辑于2022年，星期二等温变化的熵变例题等温变化的熵变例题3)3)真空膨胀真空膨胀4)4)比较比较不可逆性越大，总不可逆性越大，总熵变越大！熵变越大！2022/10/12第58页，共148页，编辑于2022年，星期二相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题例例2：求：求1mol过冷水在过冷水在1atm，-10oC的凝固为冰的熵差。已知的凝固为冰的熵差。已知H2O在在1atm、0oC的凝固热为的凝固热为-6020J/mol，Cp冰冰=37.6J/mol.K；Cp水水=75.3J/mol.K。解2022/10/12第59页，共148页，编辑于2022年
39、，星期二相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题2022/10/12第60页，共148页，编辑于2022年，星期二相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题该过程是自发该过程是自发进行的！进行的！2022/10/12第61页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡熵增熵增的过程即是的过程即是能量损耗能量损耗的过程的过程熵平衡熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的过程的能量有效利用能量有效利用熵产生熵产生 由第二定律得可逆过程的热温熵等于熵变，而不由第二定律得可逆过程的热温熵等于熵变，而不可逆过程的热温熵小于熵
40、变，即可逆过程的热温熵小于熵变，即如何使之平衡，如何使之平衡，变为？变为？2022/10/12第62页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡熵产生的原因熵产生的原因是有序能量（电能机械能）耗散为无序的热量，并被体系是有序能量（电能机械能）耗散为无序的热量，并被体系吸收，从而导致体系熵的增加。吸收，从而导致体系熵的增加。熵不是体系熵不是体系 的性质，而仅与过程的不可逆程度有关的性质，而仅与过程的不可逆程度有关2022/10/12第63页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡熵产生不是体系熵产生不是体系 的性质，而仅与
41、过程的不可逆程度有关，的性质，而仅与过程的不可逆程度有关，过程的不可逆程度越大，熵产生越大。过程的不可逆程度越大，熵产生越大。熵产生越大，造成能量品位降低越多。熵产生越大，造成能量品位降低越多。三种情况：三种情况：Sg0 为为不可逆不可逆过过程程Sg0 为为可逆可逆过过程程Sg0说说明什么？明什么？说明该冷凝放热过程是不可逆过程！说明该冷凝放热过程是不可逆过程！（2）还说还说明什么？明什么？由于蒸汽是在由于蒸汽是在150恒温下冷凝，我们可以把它看做恒温下冷凝，我们可以把它看做是一个是一个150的恒温热源。如果有一个卡诺热机工作于的恒温热源。如果有一个卡诺热机工作于这一热源和这一热源和20 的大
42、气之间，就能从蒸汽冷凝中得到的大气之间，就能从蒸汽冷凝中得到如下数值的卡诺功：如下数值的卡诺功：2022/10/12第69页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡然而实际过程并没有提取这部分卡诺功，而使其全部然而实际过程并没有提取这部分卡诺功，而使其全部“损损失失”。其次，由上式可见当环境温度其次，由上式可见当环境温度TL恒定时温度越高，即恒定时温度越高，即TH越高，越高，WC也越大，这时功损耗越大。应此传热过程损失也越大，这时功损耗越大。应此传热过程损失的功与传热温差有关。这又可逆传热（无温差传热）即的功与传热温差有关。这又可逆传热（无温差传热）即TH
43、 TL时，才没有功损失。此时时，才没有功损失。此时WC=0。2022/10/12第70页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡解解:根据题意，假设空气共有根据题意，假设空气共有2mol，从设备流出后，每股出，从设备流出后，每股出料含空气料含空气1mol。689715 689715 例例4-2 试问以下稳流过程是否可能：空气在试问以下稳流过程是否可能：空气在0.7MPa、294K下进入到一个与环境绝热的设备中。由设备流出的空气一半为下进入到一个与环境绝热的设备中。由设备流出的空气一半为0.1MPa、355K；另一半为；另一半为0.1MPa0.1MPa、23
44、3K233K。设备与环境没有功的。设备与环境没有功的交换。以上温度范围内假定空气为理想气体，并取其平均定压热交换。以上温度范围内假定空气为理想气体，并取其平均定压热容容一个过程想要实现，从化工热力学的角度衡量，必须符合热力一个过程想要实现，从化工热力学的角度衡量，必须符合热力学第一第二定律，即同时满足学第一第二定律，即同时满足2022/10/12第71页，共148页，编辑于2022年，星期二装置装置P0=0.7MPaT0=294K=294KQ=0P1=0.1MPaW=0T1=355K=355KP2=0.1MPaT1=233K=233K2022/10/12第72页，共148页，编辑于2022年，
45、星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡满足第一定律满足第一定律首先进行能衡计算首先进行能衡计算再进行熵平衡再进行熵平衡对题意分析，对题意分析，过程过程为稳流为稳流2022/10/12第73页，共148页，编辑于2022年，星期二4.2.2 熵产生与熵平衡熵产生与熵平衡所以所以2022/10/12第74页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.4 理想功、损失功和热力学效率理想功、损失功和热力学效率理想功理想功Wid损失功损失功WL 热力学效率热力学效率作业作业损失功损失功WL 热力学效率热力学效率2022/10/12第75页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.4.1 理
46、想功理想功1、理想功、理想功Wid：指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能能产生的最大功产生的最大功或者必须或者必须消耗的最小功消耗的最小功。完全可逆完全可逆是指：是指：(1)体系内所有的变化过程必须是可逆的体系内所有的变化过程必须是可逆的 (2)体系与温度为体系与温度为T0的环境进行热交换是可逆的。的环境进行热交换是可逆的。理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。2022/10/12第76页，共148页，编辑于2022年，星期二理想功理想功（1）非流动过程）非流动过程 U=Q+W过程完
47、全可逆过程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个温度为而且体系所处环境构成了一个温度为T0的恒温热源。的恒温热源。理想功理想功产生最大功；消耗最小功产生最大功；消耗最小功2022/10/12第77页，共148页，编辑于2022年，星期二理想功理想功（2）稳定流动过程）稳定流动过程2022/10/12第78页，共148页，编辑于2022年，星期二理想功理想功（3）说明）说明理想功是一个理论的极限值，是实际功的比理想功是一个理论的极限值，是实际功的比 较标准。较标准。理想功理想功Wid仅与体系状态有关，与具体的变化途径仅与体系状态有关，与具体的变化途径无关。无关。理想功理想功Wid与环境的温度与环境
48、的温度T0有关有关。理想功与可逆功的联系与区别理想功与可逆功的联系与区别1.相对于环境态或者说以环境作为标准态相对于环境态或者说以环境作为标准态2.理想功是可逆的理想功是可逆的有用功，有用功，而不是可逆功的全部而不是可逆功的全部2022/10/12第79页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.4.1 理想功理想功3.试计算非流动过程中试计算非流动过程中1kmol N2从从813K、4.052MPa变至变至373K、1.013MPa时可能做的理想功。时可能做的理想功。若氮气是稳定流动过程，若氮气是稳定流动过程，理想功又为多少？设大气的理想功又为多少？设大气的T0=293K、p0=0.10
49、13MPa,氮气的定氮气的定压热容为压热容为作业作业1.1.何为理想功何为理想功Wid 2.2.化学反应过程理想功的计算对于化工过程开发、设计具有化学反应过程理想功的计算对于化工过程开发、设计具有那些具体的重要意义那些具体的重要意义。2022/10/12第80页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.4.1 理想功理想功解解:根据式（根据式（4-384-38），来计算非流动过程中的理想功。），来计算非流动过程中的理想功。U值不知道，但值不知道，但U H-（pV）所以所以设氮气在设氮气在813K、4.052MPa及及373K、1.013MPa状态下可应状态下可应用理气状态方程，则用理气状态
50、方程，则2022/10/12第81页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.4.1 理想功理想功2022/10/12第82页，共148页，编辑于2022年，星期二4.4.4.1 理想功理想功那么氮气在稳流过程中的理想功按式那么氮气在稳流过程中的理想功按式4-404-40计算计算对计算结果要分析！对计算结果要分析！1.体系稳流过程中体系稳流过程中放出的总能量放出的总能量为为H=13386kJ2.其中其中能做功的能量能做功的能量为为9845.7kJ3.3.其余的其余的3540.3kJ不能做功而是排给了温度为不能做功而是排给了温度为T0的环的环 境。境。因此，对能量用于做功而言，总能量中的因此