第六章 化工过程能量分析6[1].2

1、6.1 能量平衡方程能量平衡方程6.2 热功间的转化热功间的转化6.3 熵函数熵函数6.4 理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率6.5 火用火用与与火无火无6.6 火用火用衡算及衡算及火用火用效率效率6.7 化工过程与系统的化工过程与系统的火用火用分析分析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熵函数熵函数熵增原理熵增原理熵平衡熵平衡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，而一切不可逆过程都可以归结为过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

2、进行行，而，而熵函数熵函数可以作为体系可以作为体系混乱度混乱度的一种量的一种量度。度。（1）熵）熵S的定义（可逆过程）的定义（可逆过程）)1()(可逆可逆TQdS PVABC(C(可逆可逆) )D ( (可逆可逆) )F ( (不可逆不可逆) )ADBACBTQTQdS可逆可逆)()(任意任意可逆过程可逆过程的热温商的值的热温商的值决定于始终状态，而与可逆决定于始终状态，而与可逆途径无关，途径无关，这个这个热温商热温商( (熵熵S) )具有状态函数的性质。具有状态函数的性质。（2）不可逆过程的）不可逆过程的熵变熵变 因因S是是状态函数状态函数，体系不可逆过程，体系不可逆过程的的熵变熵变 ，与可

3、逆过程的与可逆过程的熵变熵变相等。相等。可逆可逆不可逆)(TQdSdSPVABC C( (可逆可逆) )D ( (可逆可逆) )F ( (不可逆不可逆) )2()(不可逆TQdSAFBTQTQ不不可可逆逆可可逆逆推推导导可可得得)()( 不不可可逆逆可可逆逆 （3）Clausius 不等式不等式总结总结(1)、(2)式得式得()QdST“ ” 号为不可逆过程；号为不可逆过程；“= =” 号为可逆过程号为可逆过程Clausius 不等式不等式对于孤立体系对于孤立体系（或绝热体系）（或绝热体系） ：Q=0d0S孤立结论：结论：一个孤立体系的熵永不减少。一个孤立体系的熵永不减少。熵增原理熵增原理Qd

4、ST由由0tS熵增原理表达式。熵增原理表达式。“ ” 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体系!0 环环境境体体系系总总dSdSdS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总熵变大于变大于0 0，而不是，而不是体系的熵变大于体系的熵变大于0 0 。环境环境孤立体系孤立体系体系体系熵增原理（续）熵增原理（续）0 不可逆过程不可逆过程0S总=0 可逆过程可逆过程80)( 可可逆逆环环境境环环境境TQdS * *对于绝热体系（对于绝热体系（Q体系

5、体系=0 ；Q环境环境=0 ）(1)(1)绝热可逆过程绝热可逆过程0 总总dS环境环境Q环境环境=0孤立体系孤立体系Q总总=0绝热体系绝热体系Q体系体系=00)( 可逆可逆体系体系体系体系TQdS 0)( 可可逆逆环环境境环环境境而而TQdS 0)( 不不可可逆逆体体系系TQ 0 体体系系dS不可逆不可逆体系体系体系体系)(TQdS (2)(2)绝热不可逆过程绝热不可逆过程这是因为不管体系发生的这是因为不管体系发生的是否可逆过程，由于环境是否可逆过程，由于环境的热源无限大，环境的变的热源无限大，环境的变化可视为可逆过程。化可视为可逆过程。0 总总dS-QQdSdSTT环境环境环境体系环境热源Q

6、dST体系体系环境=QTQT体系环境体系环境 不可逆过程 可逆过程=QTQT环境环境 不可逆过程 可逆过程QdST体系环境0 环环境境体体系系总总dSdSdST T环境环境热源温度热源温度12（3 3）熵流）熵流Rsys=QdST封闭系统经历一可逆过程，从环境热源接受封闭系统经历一可逆过程，从环境热源接受 热量热量R,sysR,surQQ R=-surQdSTRQ熵流：熵流：=fQdST由于传热由于传热 而引起系统熵的变化，其符号由而引起系统熵的变化，其符号由 决定决定RQRQ13（4 4）熵产生）熵产生不可逆过程：不可逆过程：sysQdSTsysgQdSdST熵产生熵产生系统与环境系统与环境

7、的热量交换的热量交换过程的不可逆性过程的不可逆性熵产生不是系统的性质，而是仅与过熵产生不是系统的性质，而是仅与过程的不可逆程度相联系。程的不可逆程度相联系。0gdS 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的方向进行，它提供了判断过程方向的准则。当进行，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：应用熵增原理时应注意： 孤立体系孤立体系 总熵变总熵变 例例 将将35kg，温度为，温度为427的铸钢件放入的铸钢件放入135kg而温而温度为度为21的油中冷却，已知铸钢

8、和油的比热容分别的油中冷却，已知铸钢和油的比热容分别为：为：0.5 kJ /kg . K；2.5 kJ /kg.K。假使没有热损失，。假使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？则以下各项熵的变化为多少？1）铸钢件；）铸钢件；2）油；）油；3）两者一起考虑。并判断过程是否自发的。两者一起考虑。并判断过程是否自发的。 熵增原理应用熵增原理应用& 仅有仅有PVTPVT变化的变化的体系体系熵变熵变& 有相变过程的有相变过程的体系体系熵变熵变& 环境的熵变环境的熵变dPTVdTTCdSpp * *熵变的计算熵变的计算2、有、有相变相变过程的体系熵变过程的体系熵变等温等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计可

9、等温等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计可逆过程）逆过程）相变）相变）相变）(THS体系体系环境环境环境环境环境环境dSTQdS (1)体系体系可逆变化时环境的熵变可逆变化时环境的熵变(2)体系是不可逆变化时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但由于环境很大，可将体系与环境交换的热量热量设设计成另一个可逆过程交换的计成另一个可逆过程交换的热量。热量。3 3、环境环境的熵变（的熵变（重点注意重点注意）环环境境体体系系环环境境TQdS 例例：1mol理想气体在理想气体在20oC下等温，由下等温，由10 atm变化到变化到1atm ：(1)可逆膨胀，可逆膨胀，(2)不可逆膨胀，不可

10、逆膨胀，(3)真空膨胀，分别求其熵变。真空膨胀，分别求其熵变。体系，理想气体体系，理想气体10atm,20oC体系，体系，理想气理想气体体1atm,20oC环境环境1atm,20oC环境环境1atm,20oC 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。 (1) 敞开体系的熵平衡方程敞开体系的熵平衡方程TQ/ 产生产生S 物料物料热量热量熵携带者熵携带者功与熵变化无关，功不携带熵功与熵变化无关，功不携带熵。iim S入iim S出 T 限制表面

11、上热流通过处的温度限制表面上热流通过处的温度, T 代表始态温度代表始态温度, T 代表终态温度代表终态温度TTQT S 单位质量物料的熵；单位质量物料的熵； 物料携带的熵物料携带的熵 = = mS热流携带的熵热流携带的熵 = =式中式中: : m 物料的质量；物料的质量；S产生 因体系的内在原因引起的熵变化，过程因体系的内在原因引起的熵变化，过程的不可逆性引起的熵变化。的不可逆性引起的熵变化。22产生出入体系STQSmSmSiiii不可能不可能可逆过程可逆过程不可逆过程不可逆过程产生产生产生产生产生产生000 SSS热熵流表示体系因热热熵流表示体系因热流流 Q所引起的熵变所引起的熵变。T T

12、为热源温度。为热源温度。熵产生表示体系内因过程熵产生表示体系内因过程的不可逆性所引起的熵变的不可逆性所引起的熵变。0)(00)(0TQQTQQ放热吸热所以，熵平衡方程：所以，熵平衡方程： (2) 封闭体系熵平衡方程封闭体系熵平衡方程QSST体系产生0 产生产生若是可逆过程若是可逆过程 S0 出出入入iiiiSmSm TQS 体体系系则则 (3) 稳定流动稳定流动体系熵平衡方程体系熵平衡方程0 体体系系稳稳流流体体系系的的 S0iiiiQmSmSST产生入出产生出入体系STQSmSmSiiii绝热可逆？绝热可逆？25 例例 某工厂预经冷凝器将某工厂预经冷凝器将140 的饱和水蒸气冷的饱和水蒸气冷凝为凝为140 的饱和水，冷凝器用的饱和水，冷凝器用20 的大气做的大气做为冷却介质，水蒸气的流率为为冷却介质，水蒸气的流率为4kg/s。试求此冷。试求此冷凝过程产生的熵。凝过程产生的熵。 26 例例 设有温度设有温度T1=5