第4章 热力学基本定律及其应用

2020/5/1,第4章热力学基本定律及其应用,2020/5/1,化工过程能量分析实例,南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯,2020/5/1,化工过程能量分析实例,2020/5/1,化工过程能量分析实例,反应器烧重油加热反应物至560620oC，产生高温烟道气第三过热器利用高温烟道气加热高温反应物第二过热器利用高温产物加热中温反应物蒸发器利用中温烟道气加热低温反应物废热锅炉利用中温产物产生水蒸汽,2020/5/1,化工热力学的任务,1、平衡研究相平衡、热平衡2、化工过程的热力学分析能量的有效利用,2020/5/1,基本概念,能量不仅有数量，而且有质量（品位）。功的品位高于热。自然界的能量可分为三大类（1）高级能量：能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；（2）低级能量：不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。（3）僵态能量：完全不能转化为功的能量，如大气、大地、天然水源具有的内能。,2020/5/1,作业,1.自然界的能量可分为哪三大类？2.分别在p-v图上和T-S图上表示卡诺循环过程3.已知蒸汽进入透平机时的焓h1=3230kJ/kg,流速u1=50m/s,离开透平机时的焓h2=2300kJ/kg,流速u2=120m/s。蒸气出口管比进口管低3m，蒸汽流量为10000kg/h。若忽略透平的散热损失，试求：(a)透平机输出的功率；(b)忽略进、出口蒸汽的动能和位能变化，估计对输出功率计算值所产生的误差。,2020/5/1,化工过程的热力学分析1、能量衡算。2、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。一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。,化工热力学的任务,2020/5/1,本章内容,4.1热力学第一定律能量转换与守恒方程4.2热力学第二定律热功转换的不等价性4.3理想功、损失功与热力学效率4.4有效能4.5化工过程能量分析及合理用能,2020/5/1,4.1.1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(1)内能U也叫热力学能，其定义见教材p185,内能具有加和性。内能由三部分组成：分子内动能、分子内势能、分子内部能(2)动能Ek定义见教材p186(3)重力势能Ep(4)热Q规定体系得到热Q为正，反之为(5)功W规定体系得功为正，反之为负,4.1热力学第一定律,2020/5/1,4.1.2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：孤立系统无论经历何种变化，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。,热力学第一定律可描述成,（体系的能量）+（环境的能量）=0,由此可推导出热力学第一定律的基本式,2020/5/1,4.1.3封闭系统的热力学第一定律TheFirstLawOfThermodynamicsinclosedsystem,U+,只适合封闭体系!,热力学第一定律,Thefirstlawinclosedsystem,（4-12）,2020/5/1,4.1.4稳定流动系统的热力学第一定律及其应用Thefirstlawinopensystem,稳定流动-Steadflow敞开体系稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和物料的积累。化工过程中最常用,2020/5/1,如图4-3所示流体流经管路、换热器、透平，做稳定流动m-质量流率kg/s,显然m1=m2=m以单位质量流体为计算基准截面1处的能量e1e1=U1+gZ1+u12/2(J/kg)Z1-截面1处流体重心距势能零点平面得高度（m）u1-截面1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,2020/5/1,p1、V1、A1截面1处流体的压力、体积和截面面积。下标2代表截面2处相应的参数截面2处的能量e2e2=U2+gZ2+u22/2(J/kg)q为体系吸收的热量(J/kg)w为体系与环境交换的功(J/kg)以单位质量流体为计算基准,4.1.3稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,2020/5/1,4.1.3稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,根据能量守衡e1+q=e2-w（1）由于w=ws+wfws轴功；wf流动功(计算基准单位质量流体）所以w=ws+p2V2-p1V1(2)h=U+pV(3)将(2)、(3)代入（1）可得(6-12)式,2020/5/1,6.1.3稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,稳定流动体系的热力学第一定理：,可得稳流过程另一能量平衡方程,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化（1）流体通过换热器、管道、混合器ws=0，u2=0，gZ=0h=q用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化（2）流体通过压缩机、膨胀机、泵、透平u20，gZ0h=q+ws稳流过程中最常用的公式若绝热过程Q=0，ws=h=h2-h1高压高温蒸汽带动透平产生轴功。,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化（3）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：火箭、化工生产中的喷射器。q=0，gZ=0，ws=0h=-u2/2；u2u1,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化（4）伯努利(Bernouli)方程,（4-20）,注意使用条件不可压缩+无摩擦+无热功交换,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化（5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律u2=0，gZ=0，Wf=P2V2-P1V1=0U=q+w,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化（6）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。ws=0，u2=0，gZ=0，q=0h=0冷冻过程是节流过程，焓未变但温度降低,2020/5/1,稳流体系能量平衡方程的应用,可逆过程体积功计算（物化）,可逆过程轴功计算,2020/5/1,热力学第一定律应用注意事项,1、注意区别：U=Q+W封闭体系H=Q+Ws稳定流动体系2、注意符号：体系吸热为正（+），体系放热为负（-）；体系对外做功为负（-），外界对体系做功为正（+）。,2020/5/1,例题,例1：功率为2.0kw的泵将90oC水从贮水罐泵压到换热器，水流量为3.2kg/s，在换热器中以697.3kJ/s的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高20m的第二贮水罐求送入第二贮水罐的水温解：以lkg的水为计算基准。须注意：由于水放热q为负、泵对水做功w为正。h2=h+h1（h1为90oC水的焓，可查水蒸汽表得）查水蒸汽表可得符合h2的饱和水的温度即得。,2020/5/1,4.2热力学第二定律,热功转换的不等价性热力学第二定律热机工作原理热机效率卡诺循环可逆机的效率,2020/5/1,热功转换的不等价性,热功转换的不等价性功可以100%转变为热热不可能100%转变为功。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。,热力学第二定律的多种描述-question,2020/5/1,4.2SecondlawofthermodynamicsThermodynamics,2.Statement,Clausiusstatement:heatwillflowunaidedfromahottoacoldreservoir.Kelvin-Planckstatement:nocyclicprocessispossiblewhosesoleresultistheflowofheatfromasingleheatreservoirandtheperformanceofanequivalentamountofwork,2020/5/1,4.2热力学第二定律TheSecondLawofThermodynamics,克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”即热不可能自动的从低温物体转给高温物体,开尔文（Kelvin）的说法：“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。”,都说明了自发过程的不可逆性,2020/5/1,4.2.1熵与熵增原理Entropyandentropyincrease,首先了解热机工作原理：工质从高温T1热源吸收Q1的热量，一部分通过循环热机用来对外做功W，另一部分Q2的热量放给低温T2热源。U=Q+WU=0W=-Q=-(Q1+Q2),热机示意图,注意：研究对象/体系？循环热机/工质，环境？热源questionhowtotransferidealtoreality,2020/5/1,热机效率,热机效率：将热机所作的功W与所吸的热Q1之比称为热机效率,用表示。热机效率大小与过程的可逆程度有关而与工质无关。卡诺定理：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆机的效率最大。,2020/5/1,卡诺循环（Carnotcycle）,等温可逆膨胀,绝热可逆膨胀,等温可逆压缩,绝热可逆压缩,2020/5/1,卡诺循环（Carnotcycle）,T,S,等温可逆膨胀,绝热可逆膨胀,等温可逆压缩,绝热可逆压缩,2020/5/1,可逆机的效率,可逆机的效率：,Tl高温热源的温度，K。最高限为锅炉的使用极限，约450oC。栖化800oCT2低温热源的温度，K。最低限为环境温度。南通夏天30oC，北极-50oC南通夏天max=58%；北极max=79%。,2020/5/1,冷冻系数,如果将卡诺机倒开,就变成了致冷机.这时环境对体系做功W,体系从低温热源吸热,而放给高温热源的热量，将所吸的热与所作的功之比值称为冷冻系数，用表示。,2020/5/1,卡诺定理,卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相等，即与热机的工作物质无关。,卡诺定理的意义：解决了热机效率的极限值问题。,2020/5/1,4.2.1熵与熵增原理Entropyandentropyincrease,熵的定义熵增原理熵变的计算熵平衡,2020/5/1,由物化可知，任何一个可逆循环均可看成由无数个小Carnot之和代替，则由,v,p,1,2,B,A,熵的定义式Clausius,2020/5/1,1、熵S的定义,P,V,A,B,C(可逆),D(可逆),F(不可逆),任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关，这个热温商具有状态函数的性质。,4.2.1熵与熵增原理,2020/5/1,2、不可逆过程的熵变由于S是状态函数，体系不可逆过程的熵变，与可逆过程的熵变相等3、Clausius不等式,p,V,A,B,C(可逆),D(可逆),F(不可逆),4.2.1熵与熵增原理,2020/5/1,4.2.1熵与熵增原理,总结(4-23)、(4-24)式得,“”号为不可逆过程；“=”号为可逆过程,Clausius不等式,4、对于孤立体系：Q=0,熵增原理：一个孤立体系的熵永不减少。,2020/5/1,4.2.1熵与熵增原理,“”号为自发过程，“=”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一个孤立体系!,注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是总熵变大于0，而不是体系的熵变大于0。,环境,孤立体系,体系,2020/5/1,凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性。,一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量度。,4.2.1熵与熵增原理,2020/5/1,例4-1，如图，有人设计一种程序，使得每kg温度为373.15K的饱和水蒸汽经过一系列的复杂步骤后，能连续地向463.15K的高温储热器输送1900kJ的热量，蒸汽最后在0.1013MPa、273.15K时冷凝为水时离开装置。假设可以无限制取得273.15K的冷凝水，试从热力学观点分析该过程是否可行？解：对于理论上可能发生的任何过程，必须同时符合第一、第二定律。蒸气通过该装置后，在0.1013MPa、273.15K时冷凝热量得到最大限度的利用，为什么？,2020/5/1,高温储热器463.15K,装置,H2O(g)373.15K,冷却水系统273.15K,H1,S1,H2O(l)273.15K,0.1013MPa,H2,S2,Q1=1900kJ,Q0,2020/5/1,因为冷凝温度已达极限T环273.15K（冷却水）,1）饱和水蒸汽被冷却时放出的热量能否全部给高温储热器？,4.2.1熵与熵增原理,2020/5/1,4.2.1熵与熵增原理,由第一定律，,向冷端放热：,再用第二定律检验，考察若按原设计过程，系统和环境的总熵是否增加，为什么？,系统？环境,水蒸汽的熵变,S1S2-S1=0-7.3549=-7.3549kJ/kgK,环境高温储热器得到热量，保持恒温，所以,2020/5/1,4.2.1熵与熵增原理,环境低温冷端的熵变,孤立系统总熵变,SS1+S1+S1-.412,过程不可能,2020/5/1,熵的定义及应用,对于绝热体系（Q体系=0；Q环境=0）,1）绝热可逆过程,环境Q环境=0,孤立体系Q总=0,绝热体系Q体系=0,2020/5/1,熵的定义及应用,2）绝热不可逆过程,这是因为不管体系发生的是否可逆过程，由于环境的热源无限大，环境的变化可视为可逆过程。,2020/5/1,熵增原理,熵增原理指出：一切自发的过程只能向总熵值增加的方向举行，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。应用熵增原理时应注意：孤立体系总熵变,2020/5/1,熵变的计算,仅有PVT变化的熵变,有相变过程的熵变,环境的熵变,2020/5/1,1、有PVT变化的熵变,熵变的计算,2、有相变过程的熵变,等温等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计可逆过程）,2020/5/1,熵变的计算,(1)体系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，可将体系与环境交换的热量设计成另一个可逆过程交换的热量。,3、环境的熵变,2020/5/1,等温变化的熵变例题,例1：1mol理想气体在20oC下等温，由10atm变化到1atm：(1)可逆膨胀，(2)不可逆膨胀，(3)真空膨胀，分别求其熵变。解：,体系，理想气体10atm,20oC,体系，理想气体1atm,20oC,环境1atm,20oC,环境1atm,20oC,1）可逆过程,2020/5/1,等温变化的熵变例题,2）不可逆过程,2020/5/1,等温变化的熵变例题,3)真空膨胀,4)比较,不可逆性越大，总熵变越大！,2020/5/1,相变过程的熵变例题,例2：求1mol过冷水在1atm，-10oC的凝固为冰的熵差。已知H2O在1atm、0oC的凝固热为-6020J/mol，Cp冰=37.6J/mol.K；Cp水=75.3J/mol.K。,解,2020/5/1,相变过程的熵变例题,2020/5/1,相变过程的熵变例题,该过程是自发进行的！,2020/5/1,4.2.2熵产生与熵平衡,熵增的过程即是能量损耗的过程熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的能量有效利用,熵产生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变，即,如何使之平衡，变为？,2020/5/1,4.2.2熵产生与熵平衡,熵产生的原因是有序能量（电能机械能）耗散为无序的热量，并被体系吸收，从而导致体系熵的增加。熵不是体系的性质，而仅与过程的不可逆程度有关,2020/5/1,4.2.2熵产生与熵平衡,熵产生不是体系的性质，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。熵产生越大，造成能量品位降低越多。三种情况：Sg0为不可逆过程Sg0为可逆过程Sg0说明什么？,说明该冷凝放热过程是不可逆过程！,（2）还说明什么？,由于蒸汽是在150恒温下冷凝，我们可以把它看做是一个150的恒温热源。如果有一个卡诺热机工作于这一热源和20的大气之间，就能从蒸汽冷凝中得到如下数值的卡诺功：,2020/5/1,4.2.2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“损失”。其次，由上式可见当环境温度TL恒定时温度越高，即TH越高，WC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THTL时，才没有功损失。此时WC=0。,2020/5/1,4.2.2熵产生与熵平衡,解:根据题意，假设空气共有2mol，从设备流出后，每股出料含空气1mol。689715,例4-2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0.1MPa、355K；另一半为0.1MPa、233K。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，必须符合热力学第一第二定律，即同时满足,2020/5/1,装置,P0=0.7MPa,T0=294K,Q=0,P1=0.1MPa,W=0,T1=355K,P2=0.1MPa,T1=233K,2020/5/1,4.2.2熵产生与熵平衡,满足第一定律,首先进行能衡计算,再进行熵平衡,对题意分析，过程为稳流,2020/5/1,4.2.2熵产生与熵平衡,所以,2020/5/1,4.4理想功、损失功和热力学效率,理想功Wid损失功WL热力学效率,作业损失功WL热力学效率,2020/5/1,4.4.1理想功,1、理想功Wid：指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。完全可逆是指：(1)体系内所有的变化过程必须是可逆的(2)体系与温度为T0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。,2020/5/1,理想功,（1）非流动过程U=Q+W过程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个温度为T0的恒温热源。,理想功产生最大功；消耗最小功,2020/5/1,理想功,（2）稳定流动过程,2020/5/1,理想功,（3）说明理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。理想功Wid仅与体系状态有关，与具体的变化途径无关。理想功Wid与环境的温度T0有关。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2.理想功是可逆的有用功，而不是可逆功的全部,2020/5/1,4.4.1理想功,3.试计算非流动过程中1kmolN2从813K、4.052MPa变至373K、1.013MPa时可能做的理想功。若氮气是稳定流动过程，理想功又为多少？设大气的T0=293K、p0=0.1013MPa,氮气的定压热容为,作业1.何为理想功Wid2.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。,2020/5/1,4.4.1理想功,解:根据式（4-38），来计算非流动过程中的理想功。,U值不知道，但UH-（pV）所以,设氮气在813K、4.052MPa及373K、1.013MPa状态下可应用理气状态方程，则,2020/5/1,4.4.1理想功,2020/5/1,4.4.1理想功,那么氮气在稳流过程中的理想功按式4-40计算,对计算结果要分析！1.体系稳流过程中放出的总能量为H=13386kJ2.其中能做功的能量为9845.7kJ3.其余的3540.3kJ不能做功而是排给了温度为T0的环境。因此，对能量用于做功而言，总能量中的9845.7kJ是有效的，而3540.3kJ则是无效的。,2020/5/1,理想功,（3）稳定流动化学反应过程的理想功化学反应过程理想功的计算对于化工过程开发、设计具有重要意义。,1.某化学反应，如其理想功为正值，说明在可逆条件下实现此化学反应需要耗能；而如果理想功为负值说明实现此化学反应可以向外供能。因此根据理想功的数值可以知道在可逆条件下提供或消耗的能量的数值。2.通过化学反应过程的理想功的计算，可以对化学反应过程进行热力学分析，以实现合理用能。比如对于耗能的反应，设法使供给的能量降到最低限度；对伴有能量输出的化学反应，尽量使释放得到最大限度的利用。,2020/5/1,理想功,在标准状态下（250.10133MPa/100kPa),稳定流动化学反应过程理想功的计算方法,2020/5/1,理想功,说明（1）若温度T不是25，则由基希霍夫公式计算T下的反应焓，反应熵也可由物化有关公式计算。详见物理化学（2）若压力不是标准压力即反应时各组分的压力不是100kPa,则要对查的的标准焓和标准熵都要进行压力校正，详见朱自强化工热力学,2020/5/1,4.4.2损失功,2、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。损失功体系在给定状态变化过程中所计算的理想功Wid与该过程实际功Wac的差值：,2020/5/1,损失功,损失功：与1）环境温度T0；2）总熵变有关,过程的不可逆性越大，S总越大，WL就越大，因此应尽可能降低过程的不可逆性。,2020/5/1,4.4.3热力学效率,实际过程的能量利用情况可通过热力学效率加以评定,2020/5/1,4.4理想功、损失功和热力学效率,例1：有一股压力分别是7.0MPa和1.0MPa的饱和蒸汽用于作功，经稳流过程变成250C的水，求Wid(T0=298K),结论：1）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。2）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸汽来加热最恰当。,2020/5/1,例2：流动水由900C变为700C，CP=1Cal/g.K，忽略压差，求WL(T0=298K)。,4.4理想功、损失功和热力学效率,2020/5/1,例4-1高压水蒸汽作为动力源，可驱动透平机做功。753K、1520kPa的过热蒸汽进入透平机，在做功的同时，每kg蒸汽向环境散失热量7.1kJ.环境温度为293K。由于过程不可逆，实际输出的功等于可逆绝热膨胀时轴功的85。做功后，排出的蒸汽变为71kPa，请评价该过程的能量利用情况。,4.4理想功、损失功和热力学效率,解：由水蒸汽表（附录九）可查到进口过热蒸汽的性质h1=3426.7kJ/kg,S1=7.5182kJ/kgK第一步，计算相同的始末态下，可逆绝热过程的膨胀功wS,r对可逆绝热过程，qr=0,s=s2,r-s1,r=0,即s2,r=s1,r7.5182kJ/kgK由出口压力p2=71kPa,查饱和水蒸汽表（附录八）得相应的饱和态熵值为7.4752kJ/kgK。,2020/5/1,判断，透平机出口仍为过热蒸汽。查，过热蒸汽表，可得出口蒸汽的焓值为h2=2663.1kJ/kg,4.4理想功、损失功和热力学效率,于是，由第一定律有ws,r=hr=h2-h1=2663.1-3426.7=-763.6kJ/kgWs,rC),绝热过程靠消耗内能作功，要达到相同终态V，C点的T和P必低于B点。问题：若要求两过程终态压力相同，请比较它们终态的T，V。,2、等温可逆过程的功（A-B),2020/5/1,4.5有效能,4.5.1有效能定义4.5.2有效能的计算4.5.3不可逆过程有效能损失4.5.4有效能效率作业：1.写出稳流过程有效能的计算公式，并对公式中各项做定性分析2.指出有效能与理想功的区别3.何为物理有效能、化学有效能,2020/5/1,基本概念,能量不仅有数量，而且有质量（品位）。功的品位高于热。1度电=1KWhr=3600KJ=860Kcal但860Kcal热不能变成1度电。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。高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。绿色化学零排放是封闭体系可持续发展需要孤立体系,2020/5/1,4.5.1有效能定义,有效能Ex(火用）做功的本领（Availability、EnergyAvailableEnergy）。定义：任何形式在一定状态下的有效能Ex是该体系由所处的状态(P，T)以完全可逆的方式变换为与环境处于平衡的状态(P0，T0)时所作出的最大功。定义：有效能Ex是体系中理论上能用来做功的能量。注意：（1）完全可逆。（2）基准态：体系与环境处于平衡的状态(P0，T0)，基准态下的有效能Ex为0。,2020/5/1,4.5.1有效能定义,（3）平衡：热平衡，力平衡，化学平衡（4）能量是用数量来衡量的；有效能是用质量来衡量的（能级单位能所含的有效能）能级=有效能/总能量高级能级=1；低级能级=01；僵化=0（海水、大气）总能量=有效能+无效能不能转变为有用功的部分火用Energy火无Anergy（5）能量仅包含热力学第一定律，而有效能包含了热力学第一、二定律。,2020/5/1,4.5.2有效能的计算,注意：（1）有效能与理想功的区别：理想功是任意两个状态的变化，而有效能的末态是体系的基准态(P0，T0)，该态的有效能为0（2）有效能是状态函数，但与其他状态函数如H、S、U等不同,稳定流动过程的有效能计算,比较：,（4-48）,2020/5/1,4.5.2有效能的计算,注意：（3）式（4-48）中（H-H0)部分是体系具有的能量，而T0（S-S0)部分是不能用来做功的能量，即无效能。（4）T0（S-S0)之所以不能做功，是因为S是体系内分子热运动混乱度的标志，熵越大，不能使用的能量越多,有效能的分类：1.物理有效能定义见p742.化学有效能定义见p75,2020/5/1,4.5.2有效能的计算,有效能,1、物理有效能：浓度、组成不变，T，PT0，P0引起的有效能变化。2、化学有效能：T0，P0T0，P0，但浓度、组成变化引起的有效能变化。3、功的有效能即是功4、动能、位能对有效能的贡献可忽略,扩散：浓度变化化学反应：组成变化,热有效能EXQ压力有效能EXP,2020/5/1,4.5.2有效能的计算,1）热有效能EXQ,可见温度T越接近T0，有效能越小。,B.热量传递为变温过程,A.温度为T的恒温热源按卡诺循环所转化的最大功计算,2020/5/1,4.5.2有效能的计算,2）压力有效能EXP,2020/5/1,(1)物理有效能,计算物理有效能的方法（1）利用热力学图表查处物流在其T、p下的H、S值及其环境态T0、p0下的H0、S0值，然后代入式（6-52）（2）由式（3-59）和式（3-60）,2020/5/1,(1)物理有效能,计算出物流由（T0、p0）变化到（T、p）过程的焓变和熵变，再代入式（6-52）计算,例6-4（教材P.74）试比较1.0MPa和7.0MPa两种饱和水蒸汽的有效能的大小。取环境温度T0=298.15K,P0=0.101MPa.解：查附录水蒸汽表可得各状态下的焓和熵值，见表,2020/5/1,(1)物理有效能,2020/5/1,(1)物理有效能,计算结果分析两种不同状态的饱和蒸汽冷凝成298.15K的水放出的热量即H很接近，但有效能（能够最大限度转化为功的能量）却相差很大。7.0MPa的饱和蒸汽的有效能比1.0MPa的有效能要高出27。故化工厂一般用高压蒸汽作为动力源。但制备高压蒸汽消耗的更多的有效能,有效能的分类：1.物理有效能定义见p2012.化学有效能定义见p201细分还有动能有效能，位能有效能,2020/5/1,(1)物理有效能,当不能忽略两者时还应计算。1）动能有效能-动能火用动能火用可全部转化为有效功2）势能有效能-势能火用势能火用也可全部转化为有效功,2020/5/1,(1)物理有效能,同理，功、电能和其他机械能的有效能也都是他们本身：EX=W对于热，热也可以部分地转化为有用功。对于恒温热源，热量有效能为,对于变温热源，热量有效能为,2020/5/1,(2)化学有效能,自学,参考书：朱自强化工热力学,2020/5/1,4.5.3不可逆过程的有效能损失,当稳流系统从状态1（T1,p1)变化到状态2（T2,p2)时，有效能变化Ex为：,对照稳流过程理想功表达式（6-44）上式即为,可知，系统从状态1变化到状态2时，有效能的增加等于完全按可逆过程变化的理想功。同时还可以看出：Ex0,系统变化要消耗功，消耗的最小功为Ex,可进一步写成,根据热力学第二定律S孤立0,由（上式），可以看出,可逆过程的S孤立0，减少的有效能全部用于对外做功不可逆过程的S孤立0,实际功小于有效能的减少，减少的有效能的一部分转化为不可逆性产生的损失功。,2020/5/1,4.5.4有效能衡算及有效能效率,1、有效能衡算,可看出，系统经历一系列变化后，其有效能的变化不仅从功的角度体现，另一方面还表现在系统和环境的不可逆熵增上。即有效能的变化并不是绝对地全部转化为功，而是可能有火用的损耗，因此必须考察过程的有效能的效率。,Hin、Qin、Ws,in,Hout、Qout、Ws,out,2020/5/1,4.5.4有效能衡算及有效能效率,上式为通式，不论可逆或不可逆过程均成立。还要满足第二定律即熵平衡,对稳流过程，系统与环境既有质量（物料）的交换又有热量和功的交换，但无累积（即无质量累积、能量累积）。若忽略动能和势能项，则得能衡方程（由热力学第一定律）：,2020/5/1,4.5.4有效能衡算及有效能效率,可逆过程Sg=0,不可逆过程Sg0,Sin-随物料流进的熵；,Sout-随物料流出的熵；,Qin/Tin流进的熵流；,Qout/Toutn流出的熵流；,将上式改写成,2020/5/1,4.5.4有效能衡算及有效能效率,1、有效能衡算（推导略去）,2020/5/1,6.4.4有效能衡算及有效能效率,有效能损失E1计算,2020/5/1,5.5.3有效能衡算及有效能效率,2、有效能效率,2020/5/1,有效能效率例题,例6-6一个保温完好的换热器，热流体进出口温度分别为423K和308K，流量2.5kg/min，定压热容为4.36kJ/kgK；冷流体进出口温度分别为298K和383K，压热容为4.69kJ/kgK。试计算热、冷流体有效能的变化、有效能损失和有效能效率。环境温度298K.,解：以每分钟的流量为计算基准。（1）首先进行热量衡算，求出冷流体的流量,423K2.5kg/min,308K,298K,383K,上标代表热流体，代表冷流体；下标1-入口，2-出口。,2020/5/1,有效能效率例题,S,冷流体的流量为,（2）热流体有效能变化,注意,2020/5/1,有效能效率例题,（3）冷流体有效能变化,（4）有效能损失,（5）有效能效率,由有效能效率定义式可知，应求出冷、热流体入口的有效能之和：,2020/5/1,有效能效率例题,上式中的第一项，因所以,则可求得有效能效率为,2020/5/1,4.6化工过程能量分析及合理