第五章化工过程的能量分析

1、O返回2021-10-13O返回2021-10-135.0 热力学基本概念复习热力学基本概念复习5.1 热力学第一定律与能量平衡方程热力学第一定律与能量平衡方程5.2 热功转换热功转换5.3 熵熵5.4 理想功和损失功理想功和损失功5.5 火用及其计算火用及其计算2021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习 1、体系与环境、体系与环境 2、状态和状态函数、状态和状态函数 3、过程、过程 4、热和功、热和功体系体系环境环境O返回2021-10-13体系（体系（System） 在科学研究时必须先确定在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其研究对象，把一部分物质与其余分开

2、，这种分离可以是实际余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种的，也可以是想象的。这种被被划定的研究对象称为体系划定的研究对象称为体系，亦，亦称为称为物系或系统物系或系统。环境（环境（surroundings） 与体系密切相关、有相互与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为作用或影响所能及的部分称为环境。环境。O返回2021-10-13 根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1 1）敞开体系）敞开体系 体体系与环境之间系与环境之间既有物质既有物质交换交换，又有能量交换又有能量交换。（2 2）封闭体系）封闭体系 体系与环境之间体系与

3、环境之间无物无物质交换质交换，但，但有能量交换有能量交换。O返回2021-10-13（3 3）孤立体系（）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间体系与环境之间既无物质交换既无物质交换，又无能量交换又无能量交换，故又称为故又称为隔离体系隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑环境一起作为孤立体系来考虑。2021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习2 2、状态和状态函数、状态和状态函数 状态状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。：某一瞬间体系呈现的宏观状况。 平衡状态平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果

4、：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系处于热力学平衡状态。处于热力学平衡状态。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。压力差，化学位差均为零。 状态函数状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称为状态函数。性质称为状态函数。常用的状态函数有常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G2021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习“

5、状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零。”循环过程：循环过程： 状态状态1 1 状态状态2 2 状态状态3 3 H=0,U=0,V=0,S体系体系=0（当然（当然 S总总0)2021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习3 3、过程、过程指体系自指体系自一平衡状态一平衡状态到到另一平衡状态另一平衡状态的转换的转换对某一过程的描写：对某一过程的描写：初态初态+终态终态+路径路径. 不可逆过程：不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程迹完

6、全消除，在热力学上称为不可逆过程凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。逆过程（自发过程）。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等2021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习P,V,T无限小的沙子。无限小的沙子。带活塞的气缸带活塞的气缸拿走一粒无限小的沙子，拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。推动力无限小，可以忽略不计。 可逆过程：可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程当体系完成某一过程后，如果令过程逆行逆行而能使过程中所涉及的一切而能

7、使过程中所涉及的一切(体系及环境体系及环境)都都回复到原始状态回复到原始状态而而不留下任何变化不留下任何变化，则此过程称则此过程称为可逆过程为可逆过程1）可逆过程可逆过程一旦发生，不仅一旦发生，不仅体系体系能能恢复到原来状态恢复到原来状态，而且而而且而环境环境也能也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否是可逆过程？循环过程是否是可逆过程？）2021-10-132）若是）若是可逆过程，可逆过程，位的梯度即位的梯度即推动力需为无限小推动力需为无限小；若存在；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。推动力则是实际过程，而非可逆过程。3）可逆过程可逆过程是实际过

8、程中只能趋近而永远不能实现的理想是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近推动力与阻力无限接近 ，体，体系始终无限接近平衡状态。系始终无限接近平衡状态。4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果量转换效果比较的标准比较的标准。若说某体系效率为若说某体系效率为80%，是指与是指与可逆过程比可逆过程比。5 5）可逆过程可逆过程是是效率最高效率最高的过程。的过程。体系对外做最大功。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。体系对外吸收最小功。6 6）很多热力学关系式是在

9、）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下可逆过程的前提下推导出来的。推导出来的。如：如：NoImage2021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习 4 4、热和功、热和功1 1）热和功不是）热和功不是状态函数，与途径有关状态函数，与途径有关。2 2）热和功只是能量的传递）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形形式，而不是贮存形式。式。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加增加的是内能。的是内能。 U+ 热力学第一定律热力学第一定律3 3） 按照按照国际规定国际规定:体系吸热为正，体系吸热为正，0，体系放热为负，体系放热为负,0 ，体系对环境作功，

10、体系对环境作功,02021-10-135.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习特别提醒：特别提醒：过去的教材中习惯用过去的教材中习惯用 U = Q - W表示，两种表达式完全表示，两种表达式完全等效，只是等效，只是W的取号不同。用该式表示的的取号不同。用该式表示的W的取号为：的取号为：环境对体系作功，环境对体系作功， W0 。本新版教材用的是本新版教材用的是U+，敬请注意，敬请注意！ 4)热热的推动力是的推动力是温差温差。 功功的推动力是除温差以外的的推动力是除温差以外的位的梯度。位的梯度。5）热量热量的传递是的传递是无序无序的，热量是规格的，热量是规格低低的能量。的能量。 功功的传递是的

11、传递是有序有序的，的， 功是规格功是规格高高的能量。的能量。O返回2021-10-13 2003年，创造了年，创造了11.67万亿万亿的国内生产总值的国内生产总值 （GDP），增），增长率达长率达9.1%，但投入就有但投入就有5.7万亿万亿。 2003年，中国消耗了全球总产量年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料的主要能源和原材料，创造的创造的GDP仅占世界的仅占世界的4%。 如果按每如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高45倍倍。 目前，目前，美国美国每万美元耗水为每万美元耗水为514M3，日本日本208M3，中国，中国5045M3，

12、是发达国家的，是发达国家的820倍倍。 中国很多地区的经济增长速度是靠中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高污高投资、高能耗、高污染染换来的。换来的。 胡锦涛提出的胡锦涛提出的“科学发展观科学发展观”坚持以人为本，全面、坚持以人为本，全面、协调、可持续的发展。协调、可持续的发展。O返回2021-10-13 在化工产品在化工产品成本成本中，能源所占的比重很大，一般产中，能源所占的比重很大，一般产品约占品约占20-30%，能耗高的产品可达，能耗高的产品可达70-80%。因此，。因此，化工节能有特殊重要的意义。化工节能有特殊重要的意义。 我国化工系统的能源消费量约占全国总量的我国化工系统的

13、能源消费量约占全国总量的10%。我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。 化工分离过程的能耗是世界总能耗的化工分离过程的能耗是世界总能耗的8%。 我国比国外同类产品我国比国外同类产品能耗高能耗高20-30%，有的有的高出一倍。高出一倍。 日本的日本的能量利用效率达能量利用效率达57%,在世界各国中居首位。在世界各国中居首位。O返回2021-10-13 1、原流程、原流程 原料原料 (汽汽) 一萃一萃 (液液) 一蒸一蒸 (汽汽) 冷凝器冷凝器 (液液) 二

14、萃二萃 (汽汽) 冷凝器冷凝器 (液液) 脱轻脱轻 (液液)脱重脱重 (液液) 冷凝冷凝 (液液) 物料流路程长，物料流路程长，相变次数多相变次数多，能耗大，能耗大(每吨丁二烯每吨丁二烯耗蒸汽耗蒸汽8吨吨)。 2、节能流程、节能流程 原料原料 (汽汽) 一萃一萃 (汽汽) 二萃二萃 (汽汽) 脱重脱重 (液液) 脱轻脱轻 (液液) 产品产品 相变只有一次相变只有一次，因此能耗很低，因此能耗很低，每吨丁二烯每吨丁二烯耗蒸汽耗蒸汽2.5吨吨。 对现有生产过程进行能耗的调研和分析，采用分离过程优对现有生产过程进行能耗的调研和分析，采用分离过程优化节能，可以大幅度降低能耗化节能，可以大幅度降低能耗O返

15、回2021-10-13 南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯C2H5CH3C2H3560620oC乙苯苯乙烯+H2CH4+C2H4C2H48C+O返回2021-10-13水蒸气水蒸气加热炉加热炉A AB B混合器混合器第一段脱氢第一段脱氢反应器反应器第二段脱氢第二段脱氢反应器反应器中间中间加热器加热器乙苯乙苯+ +水蒸气水蒸气反应产物去急反应产物去急冷后处理系统冷后处理系统换热器换热器图图1 1 乙苯脱氢反应模拟流程乙苯脱氢反应模拟流程O返回2021-10-13 反应器：烧重油加热反应器：烧重油加热反应物反应物至至560620oC，产生，产生高温烟高温烟道气道气 第三过热器：利

16、用第三过热器：利用高温烟道气高温烟道气加热加热高温反应物高温反应物 第二过热器：利用第二过热器：利用高温产物高温产物加热加热中温反应物中温反应物 蒸发器：利用蒸发器：利用中温烟道气中温烟道气加热加热低温反应物低温反应物 废热锅炉：利用废热锅炉：利用中温产物中温产物产生产生水蒸汽水蒸汽 我的印象我的印象：一个反应需要一个车间来完成（三层楼）：一个反应需要一个车间来完成（三层楼） 我的体会我的体会：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的：目的是能源的最大化利用（不是仅总能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。2021-10-13180C 6

17、0C 45C 40C 60C 420C 40C 350C 900C * *化工过程能量分析实例化工过程能量分析实例 硫铁矿生产硫酸工艺简介示意图硫铁矿生产硫酸工艺简介示意图焙烧焙烧转化转化98.3%硫酸硫酸98.3%或或93%成成品酸品酸尾尾气气FeSFeS2 2渣渣空空气气净化净化干燥干燥吸收吸收93%硫酸硫酸30%硫酸硫酸2021-10-13反应热的利用反应热的利用 对反应热的利用程度，是衡量硫酸工业技术水平的重要标志对反应热的利用程度，是衡量硫酸工业技术水平的重要标志。三个主要反应均为放热反应，在。三个主要反应均为放热反应，在298K时的标准反应热为：时的标准反应热为：molKJHQSO

18、HOHSOmolKJHSOOSOmolKJHOFeSOOFeSooo/31.130)3(/35.985 . 0)2(/08.331028114) 1 (29834223298322298322222021-10-13)(t/KJ.QSOHOHSO)()(t/KJ.QSOO.SO)()(t/KJ.QOFeSOOFeS)(,SOH%tC)G(CC低温余热低温余热中温余热中温余热高温余热高温余热则有则有为计算基准为计算基准若以若以6142160130236235904202261322900224210331310001502102242811411001000 2021-10-13如回收高温余热的

19、如回收高温余热的45-65%，生产中压过热蒸汽，生产中压过热蒸汽0.685-0.990t / (t100%硫酸硫酸.h)，所产生的蒸汽量用于驱所产生的蒸汽量用于驱动发电机组，实际可发电动发电机组，实际可发电150-170KW.h。若生产若生产每吨每吨硫酸的电耗按硫酸的电耗按100KW.h计，则高温余热发电量可自给计，则高温余热发电量可自给有余。有余。焙烧工段的废热锅炉回收高温余热时，通常可产出焙烧工段的废热锅炉回收高温余热时，通常可产出中压过热蒸汽中压过热蒸汽（3.9MPa、450C)0.8-1.5t / (t100%硫硫酸酸.h)。高温余热利用高温余热利用2021-10-13178C 两次转

20、化流程两次转化流程60C 442420480 SO2气气440 480 524 584420C 换热器换热器IIIIIII IIIII电炉电炉第一吸第一吸收塔来收塔来干燥塔来干燥塔来去第一吸收塔去第一吸收塔去第二去第二吸收塔吸收塔60C 205C 中温余热利用中温余热利用2021-10-134050180C 98.3%酸槽酸槽 93酸槽酸槽低温余热利用低温余热利用吸收工段低温余热的温度约为吸收工段低温余热的温度约为70度度(吸收塔出口酸温）吸收塔出口酸温）,通过水冷器回收可得热水。但国内大多数厂家不利用。通过水冷器回收可得热水。但国内大多数厂家不利用。水冷器水冷器水冷器水冷器水水串酸串酸405

21、0尾气尾气转化转化SO2炉气炉气转化转化产品产品干燥塔干燥塔吸收塔吸收塔40C 60C 吸收工段流程吸收工段流程2021-10-13化工过程强化节能化工过程强化节能 化工过程强化化工过程强化就是在实现既定生产目标的前提下，通就是在实现既定生产目标的前提下，通过大幅度过大幅度减小生产设备的尺寸减小生产设备的尺寸、减少装置减少装置的数目等方的数目等方法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产品更少。副产品更少。 生产设备的强化，包括新型反应器、新型热交换器、生产设备的强化，包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；高效填料、新型塔

22、板等； 生产过程的强化，如生产过程的强化，如反应和分离的耦合反应和分离的耦合（如反应精馏、（如反应精馏、膜反应、反应萃取等）、膜反应、反应萃取等）、组合分离过程组合分离过程（如膜吸收、（如膜吸收、膜精馏、膜萃取、吸收精馏等）、膜精馏、膜萃取、吸收精馏等）、外场作用外场作用（离心场、（离心场、超声、太阳能等）以及超声、太阳能等）以及其他新技术其他新技术（如超临界流体、（如超临界流体、动态反应操作系统等）的应用等动态反应操作系统等）的应用等 2021-10-13各章之间的联系各章之间的联系）化工热力学的任务化工热力学的任务,iiiiMf G )O返回2021-10-13 能量不仅有能量不仅有数量数

23、量，而且有，而且有质量质量（品位）（品位）。 功的功的品位品位高于热高于热 。 高级能量：高级能量：能够能够完全转化完全转化为为功功的能量，如机械能、电能、的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；水力能和风能等； 低级能量：低级能量：不能完全转化不能完全转化为为功功的能量，如热能、焓等。的能量，如热能、焓等。 高温高温热源产生的热的热源产生的热的品位品位比比低温低温热源产生的热的热源产生的热的品位品位高高。O返回2021-10-13化工过程的热力学分析化工过程的热力学分析1、能量衡算、能量衡算。2、分析能量品位的变化。、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。化工过程总是伴随着

24、能量品位的降低。 一个一个效率较高效率较高的过程应该是能量的过程应该是能量品位降低品位降低较少较少的过程的过程。 找出找出品位降低最多品位降低最多的薄弱环节的薄弱环节，指出改造，指出改造的方向。的方向。O返回2021-10-13 5.1.1 热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理 5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用O返回2021-10-13U+只适合封闭体系只适合封闭体系!热力学第一定律的热力学第一定律的数学表达式：数学表达式：O返回2021-10-13稳定流动稳定流动 敞开体系敞开体系 稳定、连续、稳定、连

25、续、流进、流进、流出，不随时间变流出，不随时间变化，没有化，没有能量和物能量和物料的积累料的积累。 化工过程中最常用化工过程中最常用不能用不能用U+来表达来表达!O返回2021-10-13 化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物物质的能量质的能量、能量传递的两种形式能量传递的两种形式。1、物质的能量、物质的能量E(以以1kg为基准为基准)v动能：动能：E Ek k= = u2/2v内能：内能：U=f(T,P, x)v位能：位能： E EP P= = gZ2、能量传递的两种形式、能量传递的两种形式(以以1kg为基准为基准) 在各种热力学过程中，体系与环

26、境之间常发生能在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即量的传递，能量传递的形式有两种，即热热和和功功。2021-10-13v热热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用的能量，用Q表示。表示。规定规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。：系统获得的热量，其值为正；反之为负。v功功W：1.对流动系统：包括两部分对流动系统：包括两部分(1) 流体通过机械设备的流体通过机械设备的旋转轴与环境旋转轴与环境所交换的能量，所交换的能量，称为称为轴功轴功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所物料在连续流动

27、过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为交换的功，称为流动功流动功Wf =PV。管道截面积管道截面积A m2 1kg流体流体 Vm3/kg P 流动功流动功F.S =（P.A）.(V/A) = PV J/K g2021-10-13注意注意：*热热和和功功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说能量，故不能说“某物质具有多少热或功某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加的是内能增加的是内能。如：如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内

28、能降低。冷流体内能增加。流体内能降低。冷流体内能增加。 *热热和和功功是过程函数，非状态函数。是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功体积功W。规定规定：系统得功，其值为正；反之为负。：系统得功，其值为正；反之为负。O返回2021-10-13 以以1Kg为基准为基准! Q为体系吸收的热量为体系吸收的热量 W为体系与环境交换为体系与环境交换的功。的功。 截面截面1的能量的能量E1E1 = U1 + gZ1+ u12/2 截面截面2的能量的能

29、量E2E2 = U2 + gZ2+ u22/2P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u2O返回2021-10-13根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：进入体系能量进入体系能量=离开体系能量离开体系能量+体系内积累的能量体系内积累的能量 稳定流动体系稳定流动体系无能量的积累无能量的积累 E1 +Q = E2 -W （1） 体系与环境交换的功体系与环境交换的功W包括与环境交换的包括与环境交换的轴功轴功Ws 和和流动功流动功Wf，即即W = Ws + Wf 其中：其中：Wf= P1V1 -P2V2 所以所以 W = Ws+ P1V1 -P2V2 (2) E = U + gZ + u2/2 (3)

30、将将(2)、(3)代入（代入（1）可得）可得(4)式式O返回2021-10-13）（422sWQuZgH 焓变焓变位能变位能变化化动能变动能变化化O返回2021-10-13喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置O返回2021-10-13 应用中的简化应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机 u20，g Z0 H=Q + Ws稳流过程中稳流过程中最常用最常用的公式的公式若绝热过程若绝热过程Q=0， Ws= H= H2-H1高压高温高压高温蒸汽带动透平产生蒸汽带动透平产生轴功轴功。sWQuZgH 22O返回2021-10-132

31、）流体通过换热器、管道、混合器）流体通过换热器、管道、混合器 Ws=0， u2=0，g Z=0 H=Q如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓体系的焓差差。 sWQuZgH 22体系状态变化，如体系状态变化，如化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相变热 显热显热 Q H 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程O返回2021-10-133）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝

32、热闪蒸过程。胀或绝热闪蒸过程。 Ws=0， u2=0，g Z=0 ，Q=0 H=0冷冻冷冻过程是过程是节流节流过程，过程，焓未变焓未变但但温度降低温度降低sWQuZgH 22O返回2021-10-134）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：例：火箭火箭、化工生产中的、化工生产中的喷射器喷射器。 Q=0，g Z=0 ， Ws=0 H= - u2/2 ； u2 u1sWQuZgH 22)(2212HHu O返回2021-10-135）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律 u2=0，g Z=0 。 H= Q + WS

33、又又 H=U+ PV U=Q + WsWQuZgH 22= =Q + W- Wf= Q + W+ P1V1 -P2V2流动功流动功Wf= P1V1 -P2V2O返回2021-10-131、注意区别：、注意区别： U=Q + W 封闭体系封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系稳定流动体系2、注意符号、注意符号： 热量热量：体系：体系吸热为正吸热为正（+），体系），体系放热为负放热为负（-） ； 功：功：外界对体系做功为外界对体系做功为正正（+），体系），体系对外做功为负对外做功为负（-） 。O返回2021-10-13 解22suHg zQW 节流过程无功的传递，节流过程无功的传递， 忽略散热、忽

34、略散热、 动能变化动能变化和位能变化和位能变化12HH T H kJ/kg1202716.61602796.2130H222716.61301201601202796.22716.6H 22736.5/HkJ kg O返回2021-10-13 1.5MPa 饱和液体焓值饱和液体焓值 Hl=844.9 kJ/kg 饱和蒸汽焓值饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2 kJ/kg 11lgHHxH x212736.5/HHkJ kg12736.5844.90.97092792.2844.9lglHHxHH O返回2021-10-13 例例2：功率为功率为2.0 kw的泵将的泵将90oC水水从贮水罐泵压到换

35、热从贮水罐泵压到换热器，水流量为器，水流量为3.2kg/s，在换热器中以，在换热器中以697.3kJ/s的速率将的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高水冷却后，水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水的第二贮水罐求送入第二贮水罐的罐求送入第二贮水罐的水温水温. 解：解：以以l kg的水为计算基准的水为计算基准。思路：思路：1）H2 = H+ H1 （H1为为90oC水的焓，查水蒸汽表得）水的焓，查水蒸汽表得）2）查水蒸汽表可得符合）查水蒸汽表可得符合H2 的饱和水的的饱和水的温度温度即得。即得。须注意：须注意： 由于水放热由于水放热Q为负、为负、泵对水做功泵对水做功W为正。为正。22uZgWQH

36、s 1) Q=-697.3 kJ/s =-697.3/3.2 kJ/kg2) Ws=2 kw=2 kJ/s =2/3.2 kJ/kg注意：计算单位为注意：计算单位为kJ/kgkJ/kgO返回2021-10-135.2.1 热功转换的不等价性热功转换的不等价性5.2.2 热力学第二定律热力学第二定律5.2.3 热机工作原理热机工作原理5.2.4 热机效率热机效率5.2.5 卡诺循环卡诺循环5.2.6 可逆机的效率可逆机的效率O返回2021-10-13热功转换的不等价性热功转换的不等价性功可以功可以100%100%转变为热转变为热热不可能热不可能100%100%转变为功。转变为功。热、功的不等价性

37、正是热力学第二定律所表热、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。述的一个基本内容。O返回2021-10-13O返回2021-10-13 我们可以使这些过我们可以使这些过程按照相反方向进程按照相反方向进行，但是需要消耗行，但是需要消耗功。功。 第一定律没有说明第一定律没有说明过程发生的方向，过程发生的方向，它告诉我们能量必它告诉我们能量必须守衡。须守衡。 第二定律告诉我们第二定律告诉我们过程发生的方向。过程发生的方向。O返回2021-10-13克劳修斯（克劳修斯（Clausius）的说法：的说法：“不可能把不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它热从低温物体传到高温物体，而不

38、引起其它变化。变化。”开尔文（开尔文（Kelvin）的说法：的说法：“不可能从单一热不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。变化。”不可能把热从低温物不可能把热从低温物体传到高温物体，而体传到高温物体，而不引起其它变化不引起其它变化O返回2021-10-13热机工作原理：热机工作原理：工质从高温工质从高温T1热源吸收热源吸收Q1的热的热量，量，一部分一部分通过热机用来对外通过热机用来对外做功做功W，另一部分另一部分Q2 的热量放的热量放给低温给低温T2 热源热源。 U=Q + W 循环过程循环过程 U=0W=Q1-Q2热机示意图热机示意图

39、O返回2021-10-13 热机效率热机效率：将将热机所作的功热机所作的功W与所吸的与所吸的热热Q1之比称为热机效率之比称为热机效率, 用用表示。表示。 热机效率大小与过程的可逆程度有关。热机效率大小与过程的可逆程度有关。卡诺定理：卡诺定理：所有工作于所有工作于同温热源和同温冷同温热源和同温冷源源之间的热机，其效率都不能超过可逆之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即机，即可逆机的效率最大可逆机的效率最大。11121211 QQQQQQW O返回2021-10-13等温可逆膨胀等温可逆膨胀绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝热可逆压缩绝热可逆压缩O返回2021-10-13TS等温可

40、逆膨胀等温可逆膨胀绝绝热热可可逆逆膨膨胀胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝绝热热可可逆逆压压缩缩卡诺定理推论：卡诺定理推论：所有所有工作于工作于同温热源同温热源与与同同温冷源之间温冷源之间的可逆机，的可逆机，其其热机效率都相等热机效率都相等，即与热机的工作物质即与热机的工作物质无关。无关。卡诺定理的意义：卡诺定理的意义：解决了热机效率的解决了热机效率的极限值问题。极限值问题。O返回2021-10-13121max1TTQW 可逆机的效率可逆机的效率： Tl高温热源的温度，高温热源的温度，K。 最高限最高限为锅炉的使用极限，约为锅炉的使用极限，约450oC。 T2低温热源的温度，低温热源的温度，K。

41、最低限最低限为环境温度。徐州夏天为环境温度。徐州夏天30oC，北极，北极-50oC 徐州夏天徐州夏天max =58%；北极；北极 max =79%。 火力发电厂的热效率大约为火力发电厂的热效率大约为40%O返回2021-10-135.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用5.3.2 熵增原理熵增原理5.3.3 熵变的计算熵变的计算5.3.4 熵平衡熵平衡O返回2021-10-13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，而一切不可逆过程都可以归结为逆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

42、加的方向进行行，而，而熵熵函数可以作为体系函数可以作为体系混乱度混乱度的一种量的一种量度。度。O返回2021-10-131、熵、熵S的定义的定义)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，这个热温商具有这个热温商具有状态函数的性质。状态函数的性质。O返回2021-10-132、不可逆过程的、不可逆过程的熵变熵变 由于由于S是是状态函数状态函数，体系不可逆过，体系

43、不可逆过程的程的熵变熵变 ，与可逆过程的与可逆过程的熵变熵变相等相等3、Clausius 不等式不等式可可逆逆可可逆逆不不可可逆逆)(TQdSdS PVABC C( (可逆可逆) )D ( (可逆可逆) )F ( (不可逆不可逆) )2()(不可逆不可逆TQdS AFBTQTQ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 O返回2021-10-13总结总结(1)、(2)式得式得(3)式式）（ 3)(TQdS “ ” 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4 4、对于孤立体系：、对于孤立体系：Q=00d 孤立孤立S

44、熵增原理：熵增原理：一个孤立体一个孤立体系的熵永不减少。系的熵永不减少。)1()(可逆可逆TQdS )2()(不可逆不可逆TQdS O返回2021-10-13“ ” 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一个孤立体系孤立体系!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O返回2021-10-130)( 可可逆

45、逆环环境境环环境境TQdS 0)( 可逆可逆体系体系体系体系TQdS 5 5、对于绝热体系（、对于绝热体系（Q体系体系=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绝热体系绝热体系Q体系体系=0环境环境Q环境环境=0O返回2021-10-130)( 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 体系体系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（Q Q体系体系=0 =0 ；Q Q环境环境= =0 0 ）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

46、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dSO返回2021-10-13 例例3：某一铸钢（：某一铸钢（Cp=0.5KJ /Kg K ），重量为），重量为40Kg，温度为，温度为4500C，用，用150Kg，250C的油（的油（Cp=2.5KJ /KgK ）冷却。假）冷却。假使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？1）铸钢；）铸钢；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。解：铸钢散失的热为解：铸钢散失的热为Q1=150*0.5（T-450）；油获取的热为）；油获取的热

47、为Q2=150*2.5（T-25）。）。Q1=-Q2 解得解得T=46.520C K/kJ.TTlnCnTTCnSpTTp3316d11221 铸铸钢钢铸铸钢钢铸铸钢钢铸铸钢钢铸铸钢钢） K/kJ.TTCnSTTp13526d221 油油油油油油）同同理理： K/kJ.SSS80913263163 铸铸钢钢油油总总） 答：该过程是自发过程。答：该过程是自发过程。5.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用O返回2021-10-13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举行，它提供了判断过程方向的准则。当举行，它提供了判断过程方向的准则。

48、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O返回2021-10-13& 仅有仅有PVTPVT变化的熵变变化的熵变& 有相变过程的熵变有相变过程的熵变& 环境的熵变环境的熵变O返回2021-10-13dPPSdTTSdSTp VTSSdSdTdVTV dPTVdTTCdSpp VVCPdSdTdVTT 熵变的计算熵变的计算用用EOS计算计算1）理想气体（物理化学中学过）理想气体（物理化学中学过）2）真实气体用）真实气体用SRK,PR方程方程需要特别指出的是：工程上多数

49、使用图表直接得到不同需要特别指出的是：工程上多数使用图表直接得到不同状态的状态的S（第三章），继而得到熵变。（第三章），继而得到熵变。O返回2021-10-13(1)理想气体理想气体等温等温变化变化21ln()VSnRV )ln(21ppnR (2)物质的量一定的物质的量一定的等容等容变温过程变温过程 21dm,TTpTTnCS(3)物质的量一定的物质的量一定的等压等压变温过程变温过程 21dm,TTVTTnCSO返回2021-10-1321,m12dln()TpTnCTpSnRpT 2). 先等温后等压先等温后等压22,m,m11ln()ln()pVVpSnCnCVp * 3). 先等压后等

50、容先等压后等容(4)物质的量一定物质的量一定从从 到到 的过程的过程。这种情。这种情况一步无法计算，要况一步无法计算，要分两步分两步计算，有三种分步方法：计算，有三种分步方法：111,p V T222,p V T1.) 先等温后等容先等温后等容21,m21dln()TVTnCTVSnRVT O返回2021-10-13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：可逆变化：(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，可将体但由于环境很大，可将体系与环境交换的系与环境交换的热量热量设计设计成另一个可逆过程交换的成另一个可逆过程交换的热量。热量。3 3、环境

51、环境的熵变的熵变2、有、有相变相变过程过程的熵变的熵变等温等压可逆相变等温等压可逆相变（若是不可逆相变，（若是不可逆相变，应设计可逆过程）应设计可逆过程）(HST 相相变变）相相变变）相相变变）环环境境体体系系环环境境TQdS O返回2021-10-13 例例4：1mol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，不可逆膨胀，(3)真空膨胀，分别求其熵变。真空膨胀，分别求其熵变。 解：解：molcalPPRTPdVTQS/6 . 4ln21 体体系系体体系系体系，理想气体体系，理想气体10atm,20oC体系

52、，体系，理想气理想气体体1atm,20oC环境环境1atm,20oC环境环境1atm,20oC1 1）可逆过程可逆过程molcalPPRSS/6 . 4ln21 体体系系环环境境0 总总S PdVWQU体体系系体体系系等等温温0 U=Q + WO返回2021-10-13 环境环境环境环境TPdVS环境环境外外（TVVP)12 21(RTRTPTPP 外外体体系系体体系系环环境境）2 2）不可逆过程不可逆过程12ln4.6/PSRcal molP 体体系系环环境境体体系系环环境境环环境境环环境境TQTQS molcalS/8 . 2 总总molcal /8 . 1 PdVWQU体体系系体体系系等

53、等温温0 U=Q + WO返回2021-10-13 环境环境环境环境TPdVS0环境环境外外（TVVP)12 3)3)真空膨胀真空膨胀molcalPPRS/6 . 4ln21 体体系系环环境境体体系系环环境境环环境境环环境境TQTQS molcalS/6 . 4 总总4)4)比较比较可逆可逆总总不可逆不可逆总总真空真空总总）（）（）（SSS 不可逆性越大，不可逆性越大，总熵变越大！总熵变越大！O返回2021-10-13），冰冰（），水水（凝凝，？atmCatmCoHSo110110263 11HS ），冰（冰（atmCo10例例5：求：求1mol过冷水在过冷水在1atm，-10oC的凝固为冰的

54、熵差。的凝固为冰的熵差。已知已知H2O在在1atm、0oC的凝固热为的凝固热为-6020J/mol，Cp冰冰=37.6J/mol.K；Cp水水=75.3J/mol.K。解33HS ），水（水（atmCo10 ，可逆相变，可逆相变，凝，凝，2732HSO返回2021-10-13NoImageK/J.TTlnnCS,p82121 水水 K/J.TTlnnCS,p41213 冰冰 KJTHS/0 .2215.27360202732 凝凝凝凝，KJS/59.204 . 10 .2281. 2 环境环境体系体系环境环境环境环境环境环境TQTQS KJH/44.2115.263564315.263263

55、凝凝，JHHHH564332731263 凝凝，凝凝，044.2159.20 环环境境体体系系总总SSS该过程是自该过程是自发进行的！发进行的！dTCHdTCHpp 10030101，冰，冰，水，水O返回2021-10-13，饱饱和和水水，水水蒸蒸汽汽，解解：不不可可逆逆相相变变，CCMPaoSo252857 例例6：有一股压力为：有一股压力为7.0MPa的水蒸汽，经稳流过程变的水蒸汽，经稳流过程变成成250C的饱和水，求体系的熵变。的饱和水，求体系的熵变。，水，水，水汽，水汽，可逆相变，可逆相变，CMpa.CMpa.oSo10010130100101302 ，水水蒸蒸汽汽，CMPao1007

56、这些物化的这些物化的方法太繁！方法太繁！怎么办？怎么办？O返回2021-10-13P,MPaT,0CS(KJ/Kg.K )7.00（蒸汽）（蒸汽） 2855.8133水水250.3674 化工热力学的方法：化工热力学的方法：1）先用公式计算好数据画成图表）先用公式计算好数据画成图表（第三章（第三章S、H的计算）的计算） ；2）应用时查图表直接得到）应用时查图表直接得到不同状态的不同状态的S ，继而得到熵变。，继而得到熵变。 更现代的方法是直接用更现代的方法是直接用EOS计算。计算。，饱饱和和水水，水水蒸蒸汽汽，解解：不不可可逆逆相相变变，CCMPaoSo252857 S体系体系=0.3674-

57、5.8133=-5.445 KJ/Kg.K查水蒸汽表：查水蒸汽表：该方法简单，直接！该方法简单，直接！O返回2021-10-13过程过程S总总S体系体系S环境环境总则总则0，+0，+，-0，+，-可逆可逆0不可逆不可逆+绝热可逆绝热可逆000绝热不可逆绝热不可逆+0可逆循环可逆循环000不可逆循环不可逆循环+0+环境环境体系体系TQ 可逆可逆体系体系 )(TQ 可可逆逆体体系系 )(TQ 可逆可逆体系体系 )(TQ O返回2021-10-13 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

58、确地衡量过程的能量有效利用能量有效利用O返回2021-10-13 敞开体系的熵平衡方程敞开体系的熵平衡方程NoImage入入iiSm 出出iiSm TQ/ 产产生生出出进进积积累累熵熵熵熵熵熵熵熵 产生产生出出入入体系体系SSmTQSmSiiii 产生产生S 不不可可能能可可逆逆过过程程不不可可逆逆过过程程产产生生产产生生产产生生000 SSSO返回2021-10-131、应用于封闭体系、应用于封闭体系产生产生体系体系STQS 0 产生产生若是可逆过程若是可逆过程 S0 出出入入iiiiSmSm TQS 体体系系则则产产生生出出入入体体系系STQSmSmSiiii 2、应用稳定流动过程应用稳定

59、流动过程0 体体系系稳稳流流体体系系的的 S0 产生产生出出入入STQSmSmiiii O返回2021-10-13 例例7：有人有一发明如下，请判断它的可行性：有人有一发明如下，请判断它的可行性水水CKg 0 ,1饱和蒸汽饱和蒸汽CKg 100,1装置T=450KT=450K环境环境1 1T=273KT=273K环境环境2 20QKgKJQ/18601 kKgKJSKgKJH./354. 7/1 .267622 0011 SH高温储高温储热器热器冷却水冷却水O返回2021-10-13 解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定律（能量守恒、总熵变律（能量守

60、恒、总熵变 0 ）；）稳流体系，）稳流体系，解：解：KgKJQHHQQHWS/1 .81618601 .26760011210 ；）蒸蒸汽汽经经过过装装置置的的蒸蒸汽汽KgKJSSS/3549. 721 816.12.9894273S环境环境0/2322. 0 KgKJSSSS环环境境环环境境蒸蒸汽汽总总答：不可行答：不可行18604.1333450S环境环境P.111P.111例例 5-45-4O返回2021-10-13 理想功理想功Wid 损失功损失功WL 热力学效率热力学效率O返回2021-10-13）（膨胀膨胀12VVPWe 设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中克服外压克