化工热力学第六章1.ppt

6 1基础理论 一 能量的级别 品位 能量的形式 热能 机械能 电能 化学能 能量不仅有数量 还有质量 品位 自然界能量 高级能量 理论上完全可以转化为功的能量 低级能量 理论上不能全部转化为功的能量 僵态能量 完全不能转化为功的能量 能量的贬质 是指由高品位能量转化为低品位能量 合理用能 就是希望获得的功要多 消耗的功要少 损失的功要小 即尽可能减少能量贬质 节能 实质对高级能量和低级能量而言 对于僵态能量 由于其不能转化为功 故无研究的必要 二 理想功 定义 体系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 理想功是一个理论的极限值 是用来作为实际功的比较标准 过程完全可逆 1 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 1 稳流过程理想功 无数个小型卡诺热机 可逆的稳流过程 做功衡算 忽略动 位能变化 则 或 稳流开系的熵平衡式 可逆稳流过程 即 稳流过程理想功的计算式 与流体的始末状态和环境温度有关 与具体过程无关 环境温度一般指大气或天然水源的温度 例6 1试求25 0 10133MPa水变为0 0 10133MPa冰的 A 为25 b 为 25 解 为 从附表3查得25 水的焓和熵值 忽略压力的影响 根据0 冰的溶解焓变数据可以推算0 冰的与为 a 环境温度为25 高于冰点 时 欲使水变为冰 需用制冷机 理论上消耗的最小功为 b 环境温度为 25 低于冰点 时 2 稳定流动化学反应过程理想功的计算 取标准状态 25 0 1013MPa 则稳流化学反应 过程理想功的计算式 当环境温度低于冰点时 为正值 当水变成冰时 不仅不 由此例可见 理想功的数值不仅与初 终状态还与环境温度有关 标准状态下化学反应焓变 标准反应热 标态下化学反应过程熵变 与上式比较 即 由此可知 标态下进行化学反应 能回收的最大功 是标准自由焓的减少量 而不是标准反应热 可用反应物及产物的标准生成自由焓计算 可以利用附表4 一些物质的热力学函数 查到有关标态下的值 从而进行计算 例6 2在25 0 10133MPa 1atm 下 有CO和进行燃 程的理想功 烧反应生成 反应物CO和不相互混合 试求此化学反应过 解 CO和燃烧生成的反应方程式为 从附表4查到有关数据列于下表 根据式 6 6a 与式 6 6b 有 的最大功 由于反应前后各组分都进行另外混合 气体混合物的总压为0 10133MPa 1atm 那么各组分的分压必定小于总压 此物系在标准态下可视为理想气体的混合物 压力对焓值无影响 但对熵值有影响 因此 对查得的标准熵值要进行压力校正 根据理想气体熵变计算式的积分式 即 例6 3例6 2的燃烧过程中加入氮气 且反应物与产物都为混合态 实际的化学反应过程是反应物可混合也可不混合 但生成的产物总是相互混合的 反应前后物系的总压为0 10133MPa 温度仍为25 试求此反应过程的理想功 解 可得压力校正后的熵与标准的关系式 式中 为标准态压力0 10133MPa 1atm 为混合气体 中i组分的分压 各反应物的分压分别为 A 查附表4得氮的标准熵 由式 A 可以求出反应物压力校正后的熵值 根据式 A 还可求出产物压力校正后的熵值 反应过程物系的熵变为 与例6 2相同 因此 燃烧过程的理想功为 可见 反应物和产物各自进行混合 其理想功之值小于不进行混合时的理想功值 表明混合过程有功的损失 例6 4试求以碳 水和空气为原料生产合成氨的理想功 已知其反应总式为 解 查附表4 可得 单质碳 氮与氧的标准生成自由焓为零 根据式 6 7a 可求出理想功 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 2 理想功是可逆有用功 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 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不可逆程度 耗功过程 反映过程可逆的程度 是高级能量的利用率 3 热力学效率 产功过程 例6 5某合成氨厂中甲烷蒸汽转化工段转化气量为5160 因工艺需要 将其温度从1000 降到380 现有 废热锅炉机组回收余热 已知通过蒸汽透平回收到的实际功为 试求 a 转化气降温过程的理想功 b 余热利用动力装置的热效率 c 此余热利用过程的热力学效率 已知大气温度为30 设转化气降温过程压力不变 在380 1000 温度范围平均等压热容 废热锅炉和透平的热损失可忽略不计 透平乏气直接排入大气 解 计算以每吨氨气为基准 a 求转化气降温过程的理想功 由式 6 5 可知 理想功为 式中 和是转化气降温过程的焓变和熵变 每吨氨转化 气的千摩尔数m为 废热锅炉热损失忽略不计 故转化气降温过程的焓变即为向废热锅炉提供的热量 b 求余热利用动力装置的热效率 c 求热力学效率 由热力学第一定律 稳流过程的实际功为 故 三 不可逆过程的损耗功 损耗功 当状态变化相同时 实际过程比完全可逆过程少产生的功或多消耗的功称为损耗功 定义 由上式可知 损耗功与孤立体系总熵变成正比 根据熵增 高乌 斯托多拉公式 对于多股物料的开系 最大的部位 能量可利用的量最多 当实际功无法求出时 可通过理想功和损耗功求热力学效率 再求实际功 产功 耗功 就要减少 增加 例6 6蒸汽在管道中常会由于保温不良而发生冷凝 蒸汽具有作功的能力 在冷凝成水的过程中将蒸汽的作功能力损耗掉 试计算1kg蒸汽处于0 4154MPa 145 下冷凝成同样压力和温度的水时的热损失与损耗功 已知大气温度为25 解 查附表3 饱和水蒸气温度表 可得145 饱和蒸汽的 焓和熵为 145 饱和水的焓和熵为 a 求蒸汽冷凝过程的热损失 根据式 4 23a b 求蒸汽冷凝过程的损耗功 根据式 6 13 也可用式 6 13a 在管道中每输送1kg蒸汽 若保温不良 则其热损失为2129 7kJ 这就是说 2129 7kJ的热量通过卡诺热机可提供612 10kJ的功 此冷凝过程的理想功也为612 10kJ 验算如下 例6 7设有两股理想气体在混合器中进行等温 混合 合后压力仍为P 试求混合过程的损耗功与理想功 解 等温混合器 图6 2理想气体稳定流动混合过程 混合前两股气体的压力均为P 混合后其分压分别降至 根据敞开体系稳流过程熵产生的计算式 5 15 可得等温混合过程的熵产为 根据热力学第一定律 即 若有i股气体进行等温混合 则上式变成 程的损耗功为 由于理想气体等温混合过程焓值不变 与外界又无轴功交换 故 过程是绝热的 因此 稳定流动绝热混合过程物流的熵变即为熵产量 所以稳流等温混合过程的理想功与损耗功相等 稳定流动分离过程的理想功为 分离过程是混合过程的逆过程 理想气体在环境温度下进行 同样 对于1mol要分离的物料 其分离过程理想功为 等温混合过程对于每个组分而言 是等温膨胀过程 反之 等温 分离过程对于每个组分而言