热力化学第六章-化工过程热力学分析

化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics华北科技学院第六章化工过程热力学分析1.能量的级别(品位)6.1基础理论能量的贬质：

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。

自然界能量

高级能量

低级能量僵态能量转化为功的程度节能：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。2.理想功wid6.1基础理论定义：

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。

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。

6.1基础理论表达式：

系统熵变可逆化学反应例题6-1，2，3，4

2.理想功1.理论上的一个理论极限值，在与实际过程相同的始末态下，作为评价实际过程能量利用的标准；2.理想功与可逆功是有区别的；3.理想功的大小与体系始末态和环境的条件有关。3.不可逆过程的损耗功6.1基础理论损耗功：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。

表达式：

WL=Ws-Wid

相减不可逆

可逆例题6-6，7，8

6.1基础理论4.热力学效率耗功过程：ηa=Wid/Ws产功过程：ηa=Ws/Wid

理想功Wid+损耗功WL=实际功Ws理想功与实际功的比例为热力学效率，表示实际过程与可逆过程的差距。ηa是两个同品位的能量之比，所以比ηT更合理。ηa反映过程可逆的程度，故又称为可逆度。ηa=1时表示为可逆过程。不可逆过程ηa恒小于1。

ηa越接近于1，越节能。例题6-5

化工过程热力学分析方法之一通过计算理想功、损耗功和热力学效率，找到工艺中损失功较大的部分，进行节能改造。1.流体流动过程的热力学分析6.2化工单元过程的热力学分析由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及流体与管道、设备的摩擦，使流体的一部分机械能耗散为热能，导致功损耗，并有熵产生。

流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程，也有熵产生。问题的提出：

讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生与压力降之间的关系：6.2化工单元过程的热力学分析与外界无热功交换的稳流过程：T0为环境温度T为物系温度热力学分析：(1)WL∝(p1-p2),(p1-p2)∝u2→WL∝u2

；u↓→d↑，则设备投资费用↑，应权衡能耗费和设备费选择合适的流速。(2)

添加减阻剂或抛光管道内表面，减小阻力，WL↓。(3)(p1-p2)恒定,

WL∝T0/T，

T↑→WL↓。(4)节流过程：等焓，不可逆，熵增，有功损耗，因此，化工生产中应尽量少用节流，以便减少无谓的功损耗。(5)WL∝V，由于Vg>Vl，气体节流比液体节流损耗功大。

思考：(1)结合化原的知识考虑实际生产中如何选择合适的流速？(2)当制冷的温度一定时，如何降低损耗功？6.2化工单元过程的热力学分析2.传热过程的热力学分析换热器，没有外功，忽略动、位能变化。由稳流体系的热力学第一定律知：△H=Q损若保温很好，换热器对环境散热可忽略，则：

Q损=0，△H=△HH+△HL=0|QH|=|QL|=Q△HH=QH，△HL=QL热量的最大作功能力：损耗功：

6.2化工单元过程的热力学分析

若流体的温度为变量（即单纯的变温过程），TH、TL用热力学平均温度代替。热力学分析：Tm=(T2-T1)/ln(T2/T1)(1)换热器Q损=0，热量在数量上完全收回，仍有功损耗。(2)环境温度T0、传热量Q及传热温度之积(THm·TLm)一定时，WL∝(THm-TLm)。(3)T0、Q及传热温差

(THm-TLm)一定时，WL∝1/THmTLm，低温传热的WL比高温传热的大。6.2化工单元过程的热力学分析思考：(1)热量全部回收，仍有功耗，为什么？(2)为减小功损耗，换热器的冷热流体温差是否越小越好？(3)如何根据生产的实际温度选择合适的传热温差？无温差的传热过程，若无散热损失：，但实际生产中均为不可逆的有温差传热：(4)换热过程的热力学效率：例题6-96.2化工单元过程的热力学分析3.分离过程的热力学分析(1)将1mol理想气体混合物分离成纯物质的理想功为：

(2)分离1mol理想溶液的理想功为：

(3)若分离非理想溶液，混合时热效应为△Hm，则：思考：若分离的产品并不要求是纯产品，而只要达到某一定的纯度或达到一定的浓度，如何计算理想功？例题6-106.3过程热力学分析法1.和定义体系由所处的状态变到基态时所提供的理想功。度量能量的可利用程度——“有效能”(1)

（有效能或可用能）

热力学上，通常规定末态即为环境状态(T0、p0)，为基态或热力学死态。基态，体系没有做功能力。(2)

（无效能）

在给定环境下，能量转变成有用功的部分称为有效能；余下不能转变成有用功的部分称为。能量=有效能+无效能6.3过程热力学分析法2.有效能(1)基态：系统与环境达到热力学平衡的状态，即热平衡、力平衡、化学平衡的状态。A.有效能定义的理解约束性平衡：仅有热平衡和力平衡，未达到化学平衡非约束性平衡：达到热力学平衡；能级Ω：单位能量所含的有效能。能级表示能量品质的优劣。0≤Ω≤16.3过程热力学分析法(3)为了表达体系处于某状态的作功能力，必须确定基态。讨论有效能的大小，首先要规定基态。(4)有效能是复合的状态函数。其终态必须是基态。(2)基态下，体系做功为零，即Ex=0。偏离基态，Ex≠0。偏离的越远，Ex越大，因此，有效能反映了体系处于某状态时所具有的最大作功能力。6.3过程热力学分析法B.有效能与理想功体系由状态1（p1、T1）变到状态2（p2、T2）时，基态的有效能为零，状态1，2的有效能分别为：(H-H0)表示相对于基态时体系具有的能量；T0(S-S0)部分不能用于作功，为无效能。体系任意状态（p、T）变到基态，有效能写成：思考：1.T0(S-S0)为什么不能作功？2.理想功与有效能的区别与联系6.3过程热力学分析法C.不可逆过程的有效能损失

体系由状态1（p1、T1）变到状态2（p2、T2）时，有效能变化为：体系由状态1变到状态2时，有效能的增加等于按完全可逆过程完成该状态变化的理想功；△Ex<0，体系对外作功，为绝对值最大的有用功；△Ex>0，体系变化要消耗外功，为消耗的最小功；WL=Ws-Wid

WL=T0△Sg

-△Ex=-Wid=-Ws+T0△Sg△Sg≥01、可逆过程，△Sg=0，减小的有效能全部用于对外作功，有效能无损失；2、不可逆过程，△Sg>0，实际功的减少量小于有效能的减少，减少的有效能一部分转化为过程不可逆性产生的损失功。6.3过程热力学分析法6.3过程热力学分析法D.有效能的计算有效能的组成：1）动能100%转化为理想功。2）位能100%转化为理想功。3）物理

部分转化为理想功。4）化学

部分转化为理想功。

稳流过程，流体具有的总有效能为：6.3过程热力学分析法体系从状态（p、T）变到基态：100%转化为理想功。1）动能和位能物理

的计算2）对于理想混合物，6.3过程热力学分析法定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。对于恒温热源：对于变温热源：

3）化学

的计算4）热量

的计算6.3过程热力学分析法3.两种效率效率：

第一定律效率第二定律效率第一定律效率

以第一定律为基础，用于确定过程总能量的利用率。

定义：

第一定律效率在不同的过程中，形式不同，例如:蒸汽动力循环、蒸汽压缩制冷、热泵第二定律效率

以第一、第二定律为基础，用于确定过程有效能的利用率。定义：输出的有效能与输入的有效能之比(1)普遍有效能效率

定义：

6.3过程热力学分析法可逆过程,ηE=1，无损失;有损失

不可逆过程,ηE≠1，可逆过程：

，不可逆过程：，传热：

6.3过程热力学分析法TH与TL相差越大，ηa越小，

的利用率低。

因此，第二定律效率反