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1、高等化工热力学第1页，此课件共27页哦对过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，指出能量消耗的原因和部位。能量的数量与质量能量的数量与质量（品质）6.1 热力学第一定律与热力学第二定律热力学第一定律与热力学第二定律6.1.1 热力学第一定律热力学第一定律 封闭非流动过程封闭非流动过程：K,E,U-状态函数 W,Q-与过程有关，第2页，此课件共27页哦稳定流动过程：稳定流动过程：稳定流动流体流动途经中所有各点的状况相同，且不随时间变化。流动功流动功 轴功轴功 第3页，此课件共27页哦 第4页，此课件共27页哦例：设备系统如图，泵功率为2.0 kW，热水流量为3.5 kg/s，在换热器中以
2、698 kJ/s的速率放热，求上储水罐中水温。第5页，此课件共27页哦 查出 得 查出 解：对1kg水：第6页，此课件共27页哦6.1.2 热力学第二定律热力学第二定律自发过程是不可逆的自发过程是不可逆的 封闭系统：熵产生孤立系统 熵增加原理熵增加原理第7页，此课件共27页哦稳定流动系统稳定流动系统熵流 绝热过程：不可逆绝热过程：可逆绝热过程：单股物流：第8页，此课件共27页哦6.2 理想功理想功(ideal work)体系的状态变化完全以可逆过程完成时，理论上产生的最大功，或消耗的最小功。(1)体系内所有变化必须是可逆的；(2)体系与环境之间的传热也必须是可逆的。第9页，此课件共27页哦 :
3、环境温度 非流动体系：稳定流动过程：第10页，此课件共27页哦例例1：求下列情况下1 kmol 氮气从813K、4.052 MPa 变至 373K、1.013MPa时的理想功，（1）非流动过程；（2）稳定流动过程。设大气温度为298K，压力为0.1013MPa；kJ/(molK)解（1）非流动过程第11页，此课件共27页哦（2）稳定流动过程 可看出，此稳流体系每1 kmol N2的总能量为其中可作功的能量为其余的排给环境，为无效功。，为有效功第12页，此课件共27页哦例例2：求反渗透膜法进行海水淡化过程所需消耗的最小功 (298K时海水的渗透压为2.5392MPa，海水密度取为1kgL-1)解
4、：反渗透过程近似为可逆过程，故 近似取海水为不可压缩，m3kg-1 kJkg-1 第13页，此课件共27页哦6.3 损失功损失功(lost work)体系在给定状态变化过程中所做的可逆功与其相应的实际过程所做的功之间的差值如由于摩擦及散热等引起的损失 第14页，此课件共27页哦 例：用1.5MPa,773K的过热蒸汽推动透平机，并在 0.07MPa下排出，透平机输出的轴功为可逆热功的 85%，另有少量热散入298K的环境，损失热为 79.4kJ/kg，求此过程的损失功。解：由过热水蒸汽表查到初始状态1的1.5MPa,773K 的过热蒸汽的 若蒸汽绝热膨胀，是等熵过程，由过热水蒸汽表查到终态2的
5、 0.07MPa 时的状态为373K,且。因是绝热膨胀，故可逆轴功为第15页，此课件共27页哦故可逆轴功为 实际轴功为实际终态3的焓为 由0.07MPa和H3查到此时过热水蒸气状态为 故过程损失功为 第16页，此课件共27页哦6.4 有效能有效能（available energy）系统从某状态变化到基态过程所作的理想功 基态常选择与环境 达到平衡的状态系统的状态离基态越远，有效能越大对稳定流动过程：基态的性质可视为常数，故有效能仅与系统状态有关，是状态函数是系统具有的能量，而 不能用于作功，又称为无效能。第17页，此课件共27页哦四种有效能四种有效能：动能、位能：稳定流动情况下，此二者可忽略物
6、理有效能：由于系统的温度、压力等状态与环境不一而具有的有效能例：如环境状态为298K,0.9MPa，求298K,0.9MPa 的压缩氮气的有效能（氮气作理想气体处理）。解：理想气体的焓与压力无关，即，故 第18页，此课件共27页哦化学有效能：化学有效能：体系由于与环组成不同而具有的有效能，从系统状态变化到环境状态要经过化学反应与物理扩散两个过程。化学反应将系统的物质变化到环境物质（基准物），物理过扩散将反应后的物质浓度变化到与环境浓度相同。要求确定每一元素的环境状态（温度、压力、组成和物态）。常应用焓、熵来计算。第19页，此课件共27页哦 常用的元素的环境状态常用的元素的环境状态AlAl2O3
7、H2O,纯固体HH2O，纯液体Ar空气，yAr=0.01N空气，yN2=0.78CCO2纯气体NaNaCl水溶液，m=0.01 mol/kgCaCaCO3,纯固体O空气，yO2=0.21ClCaCl2水溶液，m=0.01 mol/kgPCa3(PO4)2,纯固体FeFe2O3,纯固体SCaSO42H2O,纯固体注：环境状态 T0=298.15K，p0=0.1.1325MPa第20页，此课件共27页哦例例 计算碳（C）的化学有效能解：将上述气体视为理想气体，对1mol C第21页，此课件共27页哦得 可得第22页，此课件共27页哦有效能效率有效能效率：从状态1到状态2时的有效能变化为 理想功等于
8、有效能减少有效能平衡有效能平衡 D=0 可逆过程，D0 自发过程，D0 不能自发进行第23页，此课件共27页哦不可逆过程有效能损失损失功有效能效率有效能效率 可逆过程，真实过程 第24页，此课件共27页哦例：例：有压力为1.0MPa 和 6.0MPa 的饱和水蒸汽及1.0MPa,553.15K的过热水蒸汽，若这三种水蒸汽都经过充分利用，最后排出的是0.1013MPa,298.15K的冷凝水，请比较每公斤蒸汽的有效能和所放出的热。解：蒸汽的有效能为蒸汽所放出的热（没有轴功）排出的水与环境平衡，即环境的条件为0.1013MPa,298.15K。由水蒸汽表可查出水和三种蒸汽的焓和熵，得到第25页，此
9、课件共27页哦序号 状态 p MPaT KSkJ/kgKHkJ/kg(S-S0)kJ/kgK(H-H0)kJ/kgExkJ/kg1液体水1.013298.150.3671052饱和蒸汽1.0453.066.58727786.222673818.53过热蒸汽1.0553.157.04730086,682903911.44饱和蒸汽6.0548.795.88927845.5226791033.2（1）压力相同时，过热蒸汽的有效能比饱和蒸汽大（2）高压蒸汽的有效能比低压蒸汽大，热转化为功的效率也高（3）温度相同时，高压蒸汽的焓值反而比低压小，故常用低压 蒸汽作加热用第26页，此课件共27页哦6.5 能量合理利用：能量合理利用：防止能量无偿降级：防止能量无偿降级：如防止设备热损失（冷损失）,高温热源加热低温物料，高温蒸汽节流降温、降压 使用 采用最佳推动力：采用最佳推动力：推动力大，则进行速率大，设备 小，但有效能损失大 合理组织能量多次利用：合理组织能量多次利用：如高温源加热高温物料，低温热源加热低温物料，高温反应热用于作功，低 温反应热用于加热第27页，此课件共27页哦