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1、化工热力学第五章 化工过程的能量分析2022/12/2第1页，本讲稿共101页本章内容本章内容5.0 热力学基本概念复习热力学基本概念复习5.1 热力学第一定律与能量平衡方程热力学第一定律与能量平衡方程5.2 热功转换热功转换5.3 熵熵5.4 理想功和损失功理想功和损失功5.5 火用及其计算火用及其计算2022/12/2第2页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习1、体系与环境、体系与环境2、状态和状态函数、状态和状态函数3、过程、过程4、热和功、热和功体系环境2022/12/2第3页，本讲稿共101页1 1、体系与环境、体系与环境体系（体系（System）在在科科学
2、学研研究究时时必必须须先先确确定定研研究究对对象象，把把一一部部分分物物质质与与其其余余分分开开，这这种种分分离离可可以以是是实实际际的的，也也可可以以是是想想象象的的。这这种种被被划划定定的的研研究究对对象象称为体系称为体系，亦称为，亦称为物系或系统物系或系统。环境（环境（surroundings）与与体体系系密密切切相相关关、有有相相互互作作用用或影响所能及的部分称为环境。或影响所能及的部分称为环境。2022/12/2第4页，本讲稿共101页体系分类体系分类 根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1 1）敞敞开开体体系系 体体系系与与环环境境
3、之之间间既既有有物物质质交交换换，又有能量交换又有能量交换。（2 2）封闭体系）封闭体系 体体系系与与环环境境之之间间无无物物质质交换交换，但，但有能量交换有能量交换。2022/12/2第5页，本讲稿共101页体系分类体系分类（3 3）孤立体系（）孤立体系（isolated system）体系与环境之间体系与环境之间既无物质交换既无物质交换，又无能量交换又无能量交换，故又称，故又称为为隔离体系隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑作为孤立体系来考虑。2022/12/2第6页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本
4、概念复习2 2、状态和状态函数、状态和状态函数状态状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。：某一瞬间体系呈现的宏观状况。平衡状态平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系处于热力学平衡状态。处于热力学平衡状态。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。压力差，化学位差均为零。状态函数状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称
5、为状态函数。性质称为状态函数。常用的状态函数有常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G2022/12/2第7页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习“状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零。”循环过程：循环过程：状态状态1 1 状态状态2 2 状态状态3 3 H=0,U=0,V=0,S体系体系=0（当然（当然 S总总0)2022/12/2第8页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习3 3、过程、过程指体系自指体系自一平衡状态一平衡状态到到另一平衡状态另一平衡状态的转换的转换对某一过程的描写：对某一过程的描写：初态初态+终态终态+路径
6、路径.不可逆过程：不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程全消除，在热力学上称为不可逆过程凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。逆过程（自发过程）。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等2022/12/2第9页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习P,V,T无限小的沙子。无限小的沙子。带活塞的气缸带活塞的气缸拿走一粒无限小的沙子，拿走一粒
7、无限小的沙子，dP减少无限小，减少无限小，推动力无推动力无限小，可以忽略不计。限小，可以忽略不计。可逆过程：可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程当体系完成某一过程后，如果令过程逆逆行行而能使过程中所涉及的一切而能使过程中所涉及的一切(体系及环境体系及环境)都都回复到回复到原始状态原始状态而而不留下任何变化不留下任何变化，则此过程称为可逆过程则此过程称为可逆过程注意注意注意注意：1）可逆过程可逆过程一旦发生，不仅一旦发生，不仅体系体系能能恢复到原来状态恢复到原来状态，而且而，而且而环境环境也能也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（。（循环过程是循环过程是否是可
8、逆过程？否是可逆过程？）2022/12/2第10页，本讲稿共101页2）若是）若是可逆过程，可逆过程，位的梯度即位的梯度即推动力需为无限小推动力需为无限小；若存在推动力则；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。是实际过程，而非可逆过程。3）可逆过程可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近推动力与阻力无限接近，体系始，体系始终无限接近平衡状态。终无限接近平衡状态。4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果换
9、效果比较的标准比较的标准。若说某体系效率为若说某体系效率为80%，是指与是指与可逆过程比可逆过程比。5 5）可逆过程可逆过程是是效率最高效率最高的过程。的过程。体系对外做最大功。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。体系对外吸收最小功。6 6）很多热力学关系式是在）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下可逆过程的前提下推导出来的。如：推导出来的。如：2022/12/2第11页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习4 4、热和功、热和功1 1）热和功不是）热和功不是状态函数，与途径有关状态函数，与途径有关。2 2）热和功只是能量的传递）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形
10、形式，而不是贮存形式。式。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加增加的是内能。的是内能。U+热力学第一定律热力学第一定律3 3）按照按照国际规定国际规定:体系吸热为正，体系吸热为正，0，体系放热为负，体系放热为负,0 ，体系对环境作功，体系对环境作功,02022/12/2第12页，本讲稿共101页5.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习特别提醒：特别提醒：过去的教材中习惯用过去的教材中习惯用 U=Q-W表示，两种表达式完全表示，两种表达式完全等效，只是等效，只是W的取号不同。用该式表示的的取号不同。用该式表示的W的取号为：的取号为：环环境对体系作功，境对体系作
11、功，W0。本新版教材用的是本新版教材用的是U+，敬请注意，敬请注意！4)热热的推动力是的推动力是温差温差。功功的推动力是除温差以外的的推动力是除温差以外的位的梯度。位的梯度。5）热量热量的传递是的传递是无序无序的，热量是规格的，热量是规格低低的能量。的能量。功功的传递是的传递是有序有序的，的，功是规格功是规格高高的能量。的能量。2022/12/2第13页，本讲稿共101页降低资源消耗降低资源消耗 减少环境破坏减少环境破坏在化工产品在化工产品成本成本中，能源所占的比重很大，一般产中，能源所占的比重很大，一般产品约占品约占20-30%，能耗高的产品可达，能耗高的产品可达70-80%。因此，。因此，
12、化工节能有特殊重要的意义。化工节能有特殊重要的意义。我国化工系统的能源消费量约占全国总量的我国化工系统的能源消费量约占全国总量的10%。我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。化工分离过程的能耗是世界总能耗的化工分离过程的能耗是世界总能耗的8%。我国比国外同类产品我国比国外同类产品能耗高能耗高20-30%，有的有的高出一倍。高出一倍。日本的日本的能量利用效率达能量利用效率达57%,在世界各国中居首位。在世界各国中居首位。2022/12/2第14页，本讲稿共
13、101页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2022/12/2第15页，本讲稿共101页化工过程能量分析实例化工过程能量分析实例水蒸气水蒸气加热炉加热炉A AB B混合器混合器第一段脱氢第一段脱氢反应器反应器第二段脱氢第二段脱氢反应器反应器中间中间加热器加热器乙苯乙苯+水蒸气水蒸气反应产物去急反应产物去急冷后处理系统冷后处理系统换热器换热器图图1 1 乙苯脱氢反应模拟流程乙苯脱氢反应模拟流程2022/12/2第16页，本讲稿共101页化工过程能量分析实例化工过程能量分析实例反应器：烧重油加热反应器：烧重油加热反应物反应物至至560620o
14、C，产生，产生高温烟道气高温烟道气第三过热器：利用第三过热器：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：利用第二过热器：利用高温产物高温产物加热加热中温反应物中温反应物蒸发器：利用蒸发器：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：利用废热锅炉：利用中温产物中温产物产生产生水蒸汽水蒸汽我的印象我的印象：一个反应需要一个车间来完成（三层楼）：一个反应需要一个车间来完成（三层楼）我的体会我的体会：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的平：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量
15、加热。2022/12/2第17页，本讲稿共101页各章之间的联系各章之间的联系第第第第3 3章章章章 纯流体的热力学性质纯流体的热力学性质纯流体的热力学性质纯流体的热力学性质(H,S,UH,S,U，难测；由，难测；由，难测；由，难测；由EOS,EOS,Cp,CvCp,Cv得到得到得到得到）第第第第5 5章化工过程章化工过程章化工过程章化工过程的能量分析的能量分析的能量分析的能量分析:H,S,U,WH,S,U,W(3)(3)第第第第7 7章相平衡章相平衡章相平衡章相平衡:f f(2,4),(2,4),(4)(4)第第第第1010章化学平章化学平章化学平章化学平衡衡衡衡:(4)(4)给出给出给出给
16、出物质物质物质物质有效利有效利有效利有效利用极限用极限用极限用极限第第第第6 6章蒸汽动力循章蒸汽动力循章蒸汽动力循章蒸汽动力循环和制冷循环环和制冷循环环和制冷循环环和制冷循环:H,S,WH,S,W(3)(3)给出给出给出给出能量能量能量能量有效利有效利有效利有效利用极限用极限用极限用极限化化工工热热力力学学的的任任务务第第第第4 4章流体混合物的热章流体混合物的热章流体混合物的热章流体混合物的热力学性质力学性质力学性质力学性质第第第第2 2章热力学基础数据章热力学基础数据章热力学基础数据章热力学基础数据(PVT,Cp,Cv,PVT,Cp,Cv,EOSEOS)2022/12/2第18页，本讲稿
17、共101页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 。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、水力的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；能和风能等；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。2022/12/2第19页，本讲稿共101页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
18、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少品位降低较少的过程的过程。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，指出改造的方向。方向。化工热力学的任务化工热力学的任务2022/12/2第20页，本讲稿共101页5.1热力学第一定律与能量平衡方程热力学第一定律与能量平衡方程5.1.1 热力学第一定律热力学第一定律5.1.2 稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/12/2第21页，本讲稿共
19、101页5.1.1热力学第一定律热力学第一定律U+只适合封闭体系只适合封闭体系!热力学第一定律的热力学第一定律的数学表达式：数学表达式：2022/12/2第22页，本讲稿共101页5.1.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理稳定流动稳定流动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不能用不能用U+来表达来表达!2022/12/2第23页，本讲稿共101页能量的形式能量的形式 化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物物
20、质的能量质的能量、能量传递的两种形式能量传递的两种形式。1、物质的能量、物质的能量E(以以1kg为基准为基准)v动能：动能：E Ek k=u2/2v内能：内能：U=f(T,P,x)v位能：位能：E EP P=gZ2、能量传递的两种形式、能量传递的两种形式(以以1kg为基准为基准)在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即量的传递，能量传递的形式有两种，即热热和和功功。2022/12/2第24页，本讲稿共101页v热热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用的能量，用Q表示
21、。表示。规定规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。：系统获得的热量，其值为正；反之为负。v功功W：1.对流动系统：包括两部分对流动系统：包括两部分(1)流体通过机械设备的流体通过机械设备的旋转轴与环境旋转轴与环境所交换的能量，称为所交换的能量，称为轴轴功功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为换的功，称为流动功流动功Wf=PV。管道截面积A m2 1kg流体流体 Vm3/kg P 流动功流动功F.S =（P.A）.(V/A)=PV J/K g2022/12/2第25页，本讲稿共101页注意注意：*热热和和功功只是
22、在能量传递中出现，并非系统本身具有的能只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说量，故不能说“某物质具有多少热或功某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加的是内能增加的是内能。如：如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。能降低。冷流体内能增加。*热热和和功功是过程函数，非状态函数。是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为体体积改变而
23、与环境交换的能量，称为体积功体积功W。规定规定：系统得功，其值为正；反之为负。：系统得功，其值为正；反之为负。2022/12/2第26页，本讲稿共101页以以1Kg为基准为基准!Q为体系吸收的热量为体系吸收的热量W为体系与环境交换的为体系与环境交换的功。功。截面截面1的能量的能量E1E1=U1+gZ1+u12/2截面截面2的能量的能量E2E2=U2+gZ2+u22/25.1.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u22022/12/2第27页，本讲稿共101页根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：进入体系能量进入体系能量=离开体系能量离开体系能
24、量+体系内积累的能量体系内积累的能量 稳定流动体系稳定流动体系无能量的积累无能量的积累 E1+Q=E2-W（1）体系与环境交换的功体系与环境交换的功W包括与环境交换的包括与环境交换的轴功轴功Ws 和和流动功流动功Wf，即即W=Ws+Wf 其中：其中：Wf=P1V1-P2V2 所以所以 W=Ws+P1V1-P2V2 (2)E=U+gZ+u2/2 (3)将将(2)、(3)代入（代入（1）可得）可得(4)式式5.1.2稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理2022/12/2第28页，本讲稿共101页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：焓变位能变化动能变化(4)(4)
25、式的计算单位建议用式的计算单位建议用 J/kg；即以；即以1Kg为基准为基准!5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/12/2第29页，本讲稿共101页一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置2022/12/2第30页，本讲稿共101页应用中的简化应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机 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
26、动带动透平透平产产生生轴轴功功。5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/12/2第31页，本讲稿共101页2）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如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量如发生化学反应，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（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差体系的焓差。5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用体系状态变化，如体系状态变化，如化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相
27、变热 显热显热 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2022/12/2第32页，本讲稿共101页3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀过程。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5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用2022/12/2第33页，本讲稿共101页4）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律 u2=0，g Z=0 。H=Q+WS 又又 H=U+PV U=Q+W
28、5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用=Q+W-Wf=Q+W-P1V1+P2V2流动功Wf=P1V1-P2V22022/12/2第34页，本讲稿共101页热力学第一定律应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：热量热量：体系：体系吸热为正吸热为正（+），体系），体系放热为负放热为负（-）；功：功：外界对体系做功为外界对体系做功为正正（+），体系），体系对外做功为负对外做功为负（-）。2022/12/2第35页，本讲稿共101页例题例题例例1：功率为功率
29、为2.0 kw的泵将的泵将90oC水水从贮水罐泵压到换热器，从贮水罐泵压到换热器，水流量为水流量为3.2kg/s，在换热器中以，在换热器中以697.3kJ/s的速率将水冷却的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高后，水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水罐求送入第的第二贮水罐求送入第二贮水罐的二贮水罐的水温水温.解：解：以以l kg的水为计算基准的水为计算基准。思路：思路：1）H2=H+H1（H1为为90oC水的焓，查水蒸汽表得）水的焓，查水蒸汽表得）2）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。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
30、功泵对水做功W为正。为正。1)Q=-697.3 kJ/s =-697.3/3.2 kJ/kg2)Ws=2 kw=2 kJ/s =2/3.2 kJ/kg注意：计算单位为注意：计算单位为kJ/kgkJ/kg2022/12/2第36页，本讲稿共101页5.2 热功转换热功转换5.2.1 热功转换的不等价性热功转换的不等价性5.2.2 热力学第二定律热力学第二定律5.2.3 热机工作原理热机工作原理5.2.4 热机效率热机效率5.2.5 卡诺循环卡诺循环5.2.6 可逆机的效率可逆机的效率2022/12/2第37页，本讲稿共101页5.2.1 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
31、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。2022/12/2第38页，本讲稿共101页自然界的现象自然界的现象水往低处流水往低处流气体由高压向低压膨胀气体由高压向低压膨胀2022/12/2第39页，本讲稿共101页热由高温物体传向低温物体自然界的现象自然界的现象我我们们可可以以使使这这些些过过程程按按照照相相反反方方向向进进行行，但但是是需要消耗功。需要消耗功。第第一一定定律律没没有有说说明明过过程程发发生生的的方方
32、向向，它它告告诉我们能量必须守衡。诉我们能量必须守衡。第第二二定定律律告告诉诉我我们们过过程发生的方向。程发生的方向。2022/12/2第40页，本讲稿共101页5.2.2 热力学第二定律热力学第二定律克劳修斯（克劳修斯（Clausius）的说法：的说法：“不可能把热从不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”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，而不发生其它的变化。”不可能把热从低温物不可能把热从低温物体传到高温物体，而体传到高温物体，
33、而不引起其它变化不引起其它变化2022/12/2第41页，本讲稿共101页5.2.3 热机工作原理热机工作原理热机工作原理：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，一部分一部分通过热机用来对外通过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 热热源源。U=Q+W 循环过程循环过程 U=0W=Q1-Q2热机示意图热机示意图2022/12/2第42页，本讲稿共101页5.2.4 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
34、程的可逆程度有关。热机效率大小与过程的可逆程度有关。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，即可逆机的效率最大可逆机的效率最大。2022/12/2第43页，本讲稿共101页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5.2.5 卡诺循环（卡诺循环（Carnot cycle）卡诺定理推论：卡诺定理推论：所有所有工作于工作于同温热源同温热源与与同温同温冷源之间冷源之间的可逆机，其的可逆机，其热机效率都相等热机效率都相等，即与，即与热机
35、的工作物质无关。热机的工作物质无关。卡卡诺诺定定理理的的意意义义：解解决决了了热热机机效效率率的的极极限限值问题。值问题。2022/12/2第44页，本讲稿共101页5.2.6 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。常州夏天为环境温度。常州夏天30oC，北极，北极-50oC常州夏天常州夏天max=58%；北极；北极 max=79%。火力发电厂的热效率大约为火力发电厂的热效率大约为40%2022/1
36、2/2第45页，本讲稿共101页热力学第二定律的本质与熵的概念热力学第二定律的本质与熵的概念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，而一切不可逆过，而一切不可逆过程都可以归结为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不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行行，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。2022/12/2第46页，本讲稿共101页“”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
37、一个孤立体系体系!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熵的定义及应用熵的定义及应用2022/12/2第47页，本讲稿共101页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20
38、22/12/2第48页，本讲稿共101页5.3.4 熵平衡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，它就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的可以精确地衡量过程的能量有效利用能量有效利用2022/12/2第49页，本讲稿共101页5.3.4 熵平衡熵平衡敞开体系的熵平衡方程敞开体系的熵平衡方程2022/12/2第50页，本讲稿共101页5.3.4 熵平衡熵平衡1、应用于封闭体系、应用于封闭体系2、应用稳定流动过程应用稳定流动过程2022/12/2第51页，本讲稿共101页5.3.4 熵平衡熵平衡例例7：有人有一发明如下，请判断它
39、的可行性：有人有一发明如下，请判断它的可行性T=450KT=450K环境环境1 1T=273KT=273K环境环境2 2高温储热高温储热器器冷却水冷却水2022/12/2第52页，本讲稿共101页5.3.4 熵平衡熵平衡解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定律解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定律（能量守恒、总熵变（能量守恒、总熵变 0）答：不可行答：不可行P.111P.111例例 5-45-42022/12/2第53页，本讲稿共101页5.4 理想功和损失功理想功和损失功理想功理想功Wid损失功损失功WL 热力学效率热力学效率2022/12/2第54页，本讲稿共101页5.5.4 理想
40、功和损失功理想功和损失功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，理论上可能指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能产产生的最大功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。2022/12/2第55页，本讲稿共101页理想功理想功（1）非流动过程）非流动过程 U=Q+W过程完全可逆过
41、程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个温度而且体系所处环境构成了一个温度为为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2022/12/2第56页，本讲稿共101页理想功理想功（2）稳定流动过程）稳定流动过程环境的环境的温度温度2022/12/2第57页，本讲稿共101页理想功理想功（3）说明）说明理想功理想功Wid仅与体系状态有关，与具体的仅与体系状态有关，与具体的变化途径无关。变化途径无关。理想功理想功Wid与与环境的温度环境的温度T0有关有关。2022/12/2第58页，本讲稿共101页5.5.4 理想功和损失功理想功和损失功P,MPaT,0CH(
42、KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)蒸汽7.00285.92772.15.8133-1044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.90.00816925(水)104.890.3674例例6：有一股压力分别是：有一股压力分别是7.0MPa和和1.0MPa蒸汽用于作功，蒸汽用于作功，经稳流过程变成经稳流过程变成250C的水，求的水，求Wid(T0=298K)结论结论：1 1）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。2 2）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸 汽来汽来加热最恰当。加热
43、最恰当。2022/12/2第59页，本讲稿共101页损失功损失功2、损失功、损失功WL：由于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。由于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。损失功损失功体系在给定状态变化过程中该过程体系在给定状态变化过程中该过程实际功实际功Wac与与所计算的所计算的理想功理想功Wid的差值：的差值：2022/12/2第60页，本讲稿共101页损失功损失功损失功损失功：与：与1 1）环境温度）环境温度T T0；2 2）总熵变总熵变有关有关过程的不可逆性过程的不可逆性越大，越大，S总总越大，越大，WL就越大，因此应就越大，因此应尽可能降低过程的不可逆性。尽可能降低过程的不可
44、逆性。2022/12/2第61页，本讲稿共101页热力学效率热力学效率实际过程的能量利用情况可通过热力学实际过程的能量利用情况可通过热力学效率效率加以评定加以评定2022/12/2第62页，本讲稿共101页5.5.4 理想功和损失功理想功和损失功例例7：流动水由：流动水由900C变为变为700C，CP=1Cal/g.K，若大气温，若大气温度为度为250C忽略压差，求忽略压差，求WL(T0=298K)。2022/12/2第63页，本讲稿共101页 5.5 火用火用 和和 火无火无5.5.1 火用火用和和 定义定义5.5.2 火用火用的计算的计算5.5.3 火用火用的衡算及的衡算及火用火用效率效率
45、2022/12/2第64页，本讲稿共101页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。1度电度电=1KWhr=3600KJ=860Kcal但但860Kcal热不能变成热不能变成1度电。度电。热转变为功的效率为热转变为功的效率为30%。高压蒸汽的做功能力高于低压蒸汽。高压蒸汽的做功能力高于低压蒸汽。高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。品位高。大气中的能量全部不能做功。大气中的能量全部不能做功。2022/12/2第65页，本讲稿共101页5.5.1 火用火用和和火无火无
46、的的 定义定义1、火用火用(Ex)做功的本领。做功的本领。Exergy 中文别称：中文别称：有效能、可用能，有效能、可用能，英文别称：英文别称：Available Energy,Availability、定义定义：任何形式在一定状态下的：任何形式在一定状态下的火用火用Ex是该体系由所处的是该体系由所处的状态状态(P，T)以以完全可逆完全可逆的方式变换为与环境处于平衡的的方式变换为与环境处于平衡的状态状态(P0，T0)时所作出的时所作出的最大有用功（即理想功）最大有用功（即理想功）。2、不能转变为有用功的那部分能量。不能转变为有用功的那部分能量。2022/12/2第66页，本讲稿共101页注意定
47、义中：注意定义中：（1）由于是理想功，因此过程）由于是理想功，因此过程完全可逆。完全可逆。（2）基准态基准态：体系与环境处于平衡的状态：体系与环境处于平衡的状态(P0，T0)被称被称为为基准态或寂态、热力学死态基准态或寂态、热力学死态，基准态下的基准态下的Ex为为0。（3）Ex是一种热力学性质，但它与内能、熵和焓不同，是一种热力学性质，但它与内能、熵和焓不同，除与始终态有关，还与选定的除与始终态有关，还与选定的平衡态有关平衡态有关。（4）平衡平衡：热平衡，力平衡，化学平衡，相平衡：热平衡，力平衡，化学平衡，相平衡5.5.1 火用和火无的火用和火无的 定义定义2022/12/2第67页，本讲稿共
48、101页（5）能量能量是用是用数量数量来衡量的；来衡量的；火用火用是用是用质量质量来衡量的来衡量的（能级能级）能级能级=火用火用/总能量总能量高级能级高级能级=1（电能、机械能）；低级能级（电能、机械能）；低级能级=01；僵化僵化=0（海水、大气）（海水、大气）总能量总能量=火用火用 +Exergy Axergy（6）能量能量仅包含仅包含热力学第一定律热力学第一定律，火用火用包含了包含了热力学第热力学第一、二定律一、二定律。5.5.1 火用和火无的火用和火无的 定义定义2022/12/2第68页，本讲稿共101页5.5.2 火用的计算火用的计算1、稳定流动体系的火用、稳定流动体系的火用Ex20
49、22/12/2第69页，本讲稿共101页1.理想功与有效能的区别理想功与有效能的区别（1）终态不一定相同，）终态不一定相同，理想功理想功的的终态不确定终态不确定，而，而有效能有效能的的终态为环境状态终态为环境状态；（2）研究对象不同，）研究对象不同，理想功理想功是对两个状态而言，是对两个状态而言，可正可可正可负，负，而而有效能有效能是对某一状态而言，与环境有关，是对某一状态而言，与环境有关，只为正只为正值。值。稳定流动体系的有效能（稳定流动体系的有效能（火用火用）Ex比较：比较：5.5.2火用火用的的 计算计算2022/12/2第70页，本讲稿共101页5.5.2 火用的火用的 计算计算2）理
50、想功与有效能的联系）理想功与有效能的联系 当体系从状态当体系从状态1到状态到状态2时，此过程有效能的变化正时，此过程有效能的变化正好是此过程的理想功。好是此过程的理想功。对状态对状态1对状态对状态2有效能变化为有效能变化为2022/12/2第71页，本讲稿共101页火用火用与理想功的区别与理想功的区别P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133蒸汽1.0179.92778.16.58650.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.3674例例8：1)有一股压力分别是有一股压力分别是7.0MPa