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1、 化工热力学化工热力学化工过程能量分析化工过程能量分析4.9 能量的级别与能量的级别与实际过程中能量是降级的实际过程中能量是降级的。能量不仅有数量的大小能量不仅有数量的大小，而且还有品质的高低而且还有品质的高低。能量品质的高低体现在它的能量品质的高低体现在它的转换能力转换能力上上，即能量转换即能量转换为功的能力为功的能力。1 能量的级别能量的级别按能量转化为功的能力按能量转化为功的能力，可以把能量分为三类：可以把能量分为三类：理论上能理论上能100转化为功的能量。转化为功的能量。如电能、机械能、动能、位能；如电能、机械能、动能、位能；高级能量高级能量 理论上不能理论上不能100转化为功的能量。
2、转化为功的能量。如热力学能、焓、热能等；如热力学能、焓、热能等；低级能量低级能量 完全不能转化为功的能量。完全不能转化为功的能量。如海水、地壳、环境状态下的能量。如海水、地壳、环境状态下的能量。僵态能量僵态能量衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下的做衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下的做功能力功能力1932年年Keenen提出了能量的提出了能量的“可用性可用性”概念概念1956年年Rant首先提出首先提出“exergy”这个名词这个名词。2 国外：国外：exergy,available energy,essergy,availability,utilizable energy 国
3、内：国内：、有效能有效能、可用能可用能、资用能等资用能等我们采用：我们采用：、有效能有效能，并用符号并用符号Ex表示表示我国国标称为我国国标称为(exergy)1)的定义的定义：由体系所处的状态变化到由体系所处的状态变化到基准态基准态所提供的最大有用功即所提供的最大有用功即为体系处于该状态的为体系处于该状态的（有效能有效能）。用用Ex表示表示。（无效能无效能）：理论上不能转化为有用功的能量：理论上不能转化为有用功的能量。为表达体系处于某状态的做功能力为表达体系处于某状态的做功能力，先要确定一个先要确定一个基准基准态态（或或基态基态）。所谓的所谓的基准态基准态就是与就是与周围环境周围环境达到达到
4、完全平衡的状态完全平衡的状态。这这种平衡包括热平衡种平衡包括热平衡（温度相同温度相同）、力平衡力平衡（压力相同压力相同）和化学平衡和化学平衡（化学组成相同化学组成相同）。平衡的环境状态即为平衡的环境状态即为热力学基态热力学基态(寂态寂态)，即即基准态基准态（环环境模型境模型）下体系没有做功能力下体系没有做功能力，为零为零。只要偏离基准态只要偏离基准态，Ex0，为正值为正值。当体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡，这种当体系和环境仅有热平衡和力平衡而未达到化学平衡，这种平衡称为平衡称为约束性平衡约束性平衡。体系体系与环境达到约束性平衡时的状态，称为与环境达到约束性平衡时的状态，称为“约束
5、性约束性基态基态”或或“物理物理基态基态”。此时体系的此时体系的T、p与环境的与环境的T0、p0相等。相等。若体系与周围环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡，即若体系与周围环境既有热平衡、力平衡且又有化学平衡，即达到完全平衡，则这种平衡称为达到完全平衡，则这种平衡称为非约束性平衡非约束性平衡。体系体系与环境达到非约束性平衡时的状态，称为与环境达到非约束性平衡时的状态，称为“非非约束性约束性基态基态”或或“化学化学基态基态”。物理基态物理基态(约束性基态约束性基态)：一般取一般取环境状态环境状态T0298.15 K(25)p0101.325 kPa(1atm)化学基态化学基态(非约束性基态非约束
6、性基态)环境模型环境模型确定环境中基准物的浓度和热力学状态确定环境中基准物的浓度和热力学状态。当体系处于基准态当体系处于基准态(环境状态环境状态)时时，Ex0基准态基准态2)的组成的组成对于没有核对于没有核、磁磁、电与表面张力效应的过程电与表面张力效应的过程，稳流体系的稳流体系的可由下列四个主要部分组成：可由下列四个主要部分组成：Ex动能动能Ex,k位能位能Ex,p物理物理Ex,ph化学化学Ex,ch由于动能和位能对的贡献很小由于动能和位能对的贡献很小，可忽略不计可忽略不计，此时：此时：物理化学物理化学物理物理：物系仅由于温度：物系仅由于温度、压力与环境模型的温度压力与环境模型的温度T0、压力
7、压力p0不同所具有的不同所具有的。（体系状态体系状态约束性平衡态约束性平衡态）化工过程中加热化工过程中加热、冷却冷却、压缩和膨胀等过程压缩和膨胀等过程，只需考虑物理只需考虑物理。化学化学：处于环境的：处于环境的T0、p0下的物系下的物系，由于组成与环境模型由于组成与环境模型不同时所具有的不同时所具有的。（约束性平衡态约束性平衡态非约束性平衡态非约束性平衡态）常包括化学反应和物理扩散两个过程常包括化学反应和物理扩散两个过程例例：确定：确定1273K，10atm的的CO气体有多大的做功能力，气体有多大的做功能力，其为多少其为多少？假定环境温度假定环境温度T0=298K，p0=1atm，饱和湿空气为基饱和湿空气为基准物准物1273K10atmCO气体气体298K10atmCO气体气体298K=T01atm=p0CO气体气体卡诺机卡诺机可逆可逆膨胀机膨胀机WCWR298K=T01atm=p0CO+O2燃烧燃烧CO2等温扩散等温扩散(膨胀膨胀)298K 1atmWC放热放热WRpCO2物产pCO2大气pp22CO物物产CO大气大气物理物理化学化学认真学习！15