华南理工-化工热力学3

1、化工热力学课程第化工热力学课程第3次辅导次辅导热力学第一、第二定律及其工程应用含盖教材内容：含盖教材内容：第第6章章 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用第第7章章 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用第第8章章 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环约占教学内容约占教学内容的的35%份量份量各章的知识点、重点和难点内容分述如下：各章的知识点、重点和难点内容分述如下：u知识点：知识点：敞开系统的热力学第一定律敞开系统的热力学第一定律轴功的计算轴功的计算可逆过程及等熵膨胀可逆过程及等熵膨胀气体压缩与膨胀过程热力学分析气体压缩与膨胀过程热力学分析u重要内容重要内容第第6章章

2、热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用 敞开系统的热力学第一定律敞开系统的热力学第一定律能量守恒与转换能量守恒与转换一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类：通常，能量可分为两大类：一类一类是系统蓄积的能是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。态的函数。另一类另一类是过程中系统和环境传递的能是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们就不是状态函数，而量，常见有功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关。与过程有关。热量热量是因为温度差别引起的能量传

3、是因为温度差别引起的能量传递，而递，而做功做功是由势差引起的能量传递。因此，热是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。量形式。能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这转化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理能量转化和守恒原理。系统在过程前后的能量变换系统在过程前后的能量变换E应与系统在该过程应与系统在该过程中传递的热量中传递的热量Q与功与功W相等。相等。Q：系统吸

4、热为正值，放热为负值；：系统吸热为正值，放热为负值；W：系统得功为负值正值，对环境做功为。：系统得功为负值正值，对环境做功为。EQWu在闭系非流动过程中的热力学第一定律：在闭系非流动过程中的热力学第一定律：UQWu稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动体系的能量平衡方程流动功包含在焓中流动功包含在焓中轴功轴功2s2uHg zQW 使用上式时要注意单位必须一致。按照使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单单位制，每一项的单位为位制，每一项的单位为 Jkg-1。动能和位能的。动能和位能的单位为：单位为：2222mkg mN mJskg skgkg可逆条件下的轴功可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般可

5、将对于液体，在积分时一般可将V当作常数。当作常数。对于气体怎么办？对于气体怎么办？对于理想气体的等温过程对于理想气体的等温过程RTVp21RdppWV p2R1lnpWRTp左式只适用于理想气体等温过程左式只适用于理想气体等温过程一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置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u喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管2212212uuHH202uH或或u透平机和压缩机透平机和压缩机sWH u节流阀节流阀0Hu混合器混合器0Hu换热器换热器QH u管路和流体输送管路和流体输送sHg zQW uBernulli 方程

6、方程实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗，则：械能转变为热力学能，有摩擦损耗，则：对于无热、无轴功交换、无摩擦粘性力对于无热、无轴功交换、无摩擦粘性力的不可压缩流体的稳流过程的不可压缩流体的稳流过程/HUpVpUV p 202pug z 则：则：202fpug zh u知识点：知识点：热力学第二定律的定性表述热力学第二定律的定性表述敞开系统的熵衡算方程敞开系统的熵衡算方程熵衡算在化工单元过程分析中的应用熵衡算在化工单元过程分析中的应用理想功、损失功和过程的不可逆性理想功、损失功和过程的不可逆性u重要内容重要内容第第7章章 热

7、力学第二定律及其应用热力学第二定律及其应用 有效能的计算有效能的计算有效能在化工能量分析中的应用及合理用有效能在化工能量分析中的应用及合理用能准则能准则 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律说明过程按照热力学第二定律说明过程按照特定特定方向，而不是方向，而不是按照任意方向进行。按照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自然界中的物理过程能够自发地自发地向平衡方向进行向平衡方向进行Clausius说法：说法：热不可能自动从低温物体传给高热不可能自动从低温物体传给高温物体。温物体。热传导过程的不可逆性热传导过程的不可逆性热流方向热流方向。Kelvin说法：说法：不可能从单一热源吸热使之完全不

8、可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。变为有用的功而不引起其他变化。功转变为热的不可逆性功转变为热的不可逆性循环过程循环过程。熵表述法熵表述法熵增原理熵增原理孤立系统的熵只能增加，或达到极限时保持不变。孤立系统的熵只能增加，或达到极限时保持不变。数学描述：数学描述：tsyssur0SSS 几个基本概念几个基本概念u热源：具有很大热容量的物系。特征是温度热源：具有很大热容量的物系。特征是温度T 不变，发生的过程视为可逆过程，如大气、天然不变，发生的过程视为可逆过程，如大气、天然水源。水源。u功源：一种可以接受功或作出功的装置。特征功源：一种可以接受功或作出功的装置。特征是只有功

9、的交换，无热量、物质的交换，可设想是只有功的交换，无热量、物质的交换，可设想为可逆过程。为可逆过程。u热机：一种产生功并将高温热源的热量传递给热机：一种产生功并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。低温热源的一种机械装置。u热效率：热转化为功的效率。热效率：热转化为功的效率。surt000QSSS 功源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%高温热源高温热源 TH低温热源低温热源 TLS1211WQQQQCarnot热机效率：热机效率：S2Carnot111WTQT SCarnot循环循环可逆过程可逆过程可逆可逆(Reverse)过程过程理想化概念理想化概念类似于类似于I

10、deal Gas 和和Ideal Solution00limTTTsysdSsysdSu可逆传热概念：可逆传热概念：u熵变熵变( )：由系统由于温度、压力变化：由系统由于温度、压力变化引起，引起， 可通过可通过pVT(x)关系进行计算关系进行计算u熵流熵流( )：由于传热过程而引起的熵变可：由于传热过程而引起的熵变可正、可负或零正、可负或零fdSfdQSTu熵产熵产( )：系统经历不可逆过程，就有熵：系统经历不可逆过程，就有熵的产生。熵产生仅仅与过程的不可逆程度的产生。熵产生仅仅与过程的不可逆程度联系在一起。联系在一起。gdSgd:000S可逆不可逆不可能敞开系统的通用衡算方程敞开系统的通用衡

11、算方程gddddddddieieMMMMtttt在在dt时间内系统时间内系统M累计量累计量=进入系统的进入系统的M量量-流出系统的流出系统的M量量+系统中产生的系统中产生的M量量熵平衡方程熵平衡方程giijjijQSmSm SSTs ursysgQSSTu稳定流动系统稳定流动系统0iijjijQmSm SSTgn绝热节流过程绝热节流过程 ，只有单股流体，只有单股流体，mimjmjiSm SSm Sgn可逆绝热过程可逆绝热过程iijjijm Sm S单股流体：单股流体：ijSSu封闭系统封闭系统f0QSTsysf0SSSg或或系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生系统在变化过程中，由于途径的不

12、同，所产生(或消耗或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想大功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的极限值的极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完可作为实际功的比较标准。所谓的完全可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全全可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度度T、压力、压力p =0.

13、1013MPa的状态。的状态。u理想功理想功(Ideal Work)理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为是可认为是个温度为个温度为T的恒温热源。根据热力的恒温热源。根据热力学第二定律学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为系统与环境之间的可逆传热量为 Qrev= TS忽略动能和势能变化忽略动能和势能变化2S2uHg zQW 2id2uWHg zTS idWHTS 损耗功损耗功系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的系统

14、在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差为损失功。实际功与完全可逆过程的理想功之差为损失功。对稳态流动过程对稳态流动过程LSidWWW2S2uWHg zQ 2id2uWHg zTS LWTSQ Q是系统与温度为是系统与温度为T的环境所交换的热量，的环境所交换的热量，S是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境时为负号，即：时为负号，即：-Q TSsur 。LsyssyssurWTSQTSTSTSt根据热力学第二定律根据热力学第二定律(熵增原理熵增原理)，S

15、t0，等号，等号表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。实际表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失的功转化为总熵增越大，损失功也越大。损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都是有代价的。都是有代价的。热力学效率热力学效率STidWW产生功idTSWW需要功以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称为有效能，理论上不能度地转化为功的能量称为有效能，理论上不能转化为功的能量称

16、为无效能。转化为功的能量称为无效能。有效能有效能u有效能的概念有效能的概念u有效能的计算有效能的计算系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态态变化到基态(环境状态环境状态)过程所作的理想功。过程所作的理想功。 u有效能的组成与计算方法有效能的组成与计算方法有效能的组成：考虑无核、磁、电及表面功的过程。有效能的组成：考虑无核、磁、电及表面功的过程。 动能有动能有 位能有位能有 物理有物理有 化学有化学有 效能效能 效能效能 效能效能 效能效能 系统与系统与 系统与系统与 环境呈环境呈 环境呈环境呈 约束平约束平 非约束非约束 衡时提衡时提 平衡

17、时平衡时 供的供的 提供的提供的CphpkXXXXXEEEEE221ugzidWidW稳流过程，从状态稳流过程，从状态1变到状态变到状态2，过程的理想，过程的理想功为：功为：当系统由任意状态当系统由任意状态(p, T)变到基态变到基态(T, p)时稳时稳定流动系统的有效能定流动系统的有效能EX为为:id2121WHHTSSXEHHTSSHTS u机械能、电能的有效能机械能、电能的有效能机械能和电能全部是有效能，即：机械能和电能全部是有效能，即：动能和位能也全部是有效能。动能和位能也全部是有效能。EX=Wu物理有效能物理有效能物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同物理有效能是指系统的温度、压力

18、等状态不同于环境而具有的有效能。化工生产中与热量传于环境而具有的有效能。化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。效能。温度为温度为T的恒温热源的热量的恒温热源的热量Q, 有效能按有效能按Carnot热机所能做的最大功计算：热机所能做的最大功计算：u热量有效能热量有效能n变温过程的热量有效能变温过程的热量有效能Carnot1XQTEWQTdd1dTTpXQpTTTpTcETSHTTcTTTcTT u 压力有效能压力有效能dddppXppppppppVVE

19、TSHTpVTpTTVVTTpT n对于理想气体对于理想气体则每则每mol气体的压力有效能为：气体的压力有效能为：RTVpddlnppXppppVREVTTpVTTpTppRTpu化学有效能化学有效能在计算化学有效能时不但要确定环境的温度和在计算化学有效能时不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物和浓度。压力，而且要指定基准物和浓度。处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换物质交换(物理扩散或化学反应物理扩散或化学反应)，最后达到与环，最后达到与环境平衡，此过程所能做的最大功为化学有效能。境平衡，此过程所能做的最大功为化学有效能。第第6章

20、章 蒸汽动力循环和制冷循环蒸汽动力循环和制冷循环知识点：知识点：u蒸汽动力循环蒸汽动力循环u节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀u制冷循环制冷循环重点内容：重点内容：u热泵热泵蒸汽动力循环蒸汽动力循环汽轮机水泵冷凝器锅炉蒸汽动力循环示意图蒸汽动力循环示意图T-S图图u12 表示过热蒸汽在汽轮机表示过热蒸汽在汽轮机(Turbine)中的可中的可逆绝热膨胀过程，对外做功。所做轴功可由膨逆绝热膨胀过程，对外做功。所做轴功可由膨胀前后水蒸汽的焓值求出。胀前后水蒸汽的焓值求出。-1S21(kJ kg )WHHH u2 3 表示乏汽在冷凝器表示乏汽在冷凝器(Condensor)中的等中的等温等压冷凝过程，

21、放出热量。温等压冷凝过程，放出热量。-1232(kJ kg )QHHH u34 表示冷凝水通过水泵表示冷凝水通过水泵(Pump)由由p3升压至升压至p4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功把水看作是不可压缩流体，则：把水看作是不可压缩流体，则： -1P43(kJ kg )WHHH 43-1P43d(kJ kg )ppWV pV ppu4 1 表示液体水在锅炉表示液体水在锅炉(Boiler)中被等压加中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸热汽化成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量收的热量-1114(kJ kg )QHHH u理想理想Rankine

22、循环的热效率循环的热效率蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，则：机的做功量，则：热效率的高低可反映出不同装置输出相同功量时热效率的高低可反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。一个重要指标。 SP1234T114WWHHHHQHHS12T114WHHQHH汽耗率汽耗率作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。表示。当对外做出的净功相同时，汽耗率大

23、的装置其当对外做出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性。装置的相对尺寸大小和过程的经济性。1-1SS13600kg kJkgkW hSSCWW工质为水蒸气工质为水蒸气水蒸气的性质不能用理想气体方程计算，需要水蒸气的性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。计算方法计算方法u状态点状态点1, 根据根据p1、t1 值可查得值可查得H1、S1值；值；u状态点状态点2, S2=S1 ，根据，根据p2、S2 值可查得值可查得H2、

24、t2值；值；u状态点状态点3, p3=p2 ，查，查p3下的饱和液体可得下的饱和液体可得 H3、V3 、S3值值;u状态点状态点4, p4=p1 ，S4=S3，根据，根据p4、S4可查得可查得 H4值；或值；或 H4=H3+V(p4-p3)。蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵过蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵过程，而是向着墒增加方向偏移，用程，而是向着墒增加方向偏移，用12 线表示线表示水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。虑不可逆的影响。蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 H2 ，它

25、小于等熵膨胀的功，它小于等熵膨胀的功H1 H2。两者之比。两者之比称为透平机的等熵效率称为透平机的等熵效率 。S12SS12WHHWHH不可u实际实际 Rankine 循环的热效率循环的热效率 123412T1414HHHHHHHHHHSu通过改变蒸汽参数提高通过改变蒸汽参数提高Rankine循环的热效率循环的热效率n提高蒸汽的过热温度提高蒸汽的过热温度l提高平均吸热温度提高平均吸热温度l受到金属材料性能的限制受到金属材料性能的限制l一般过热蒸汽的最高温度以不超一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜为宜n提高蒸汽的压力提高蒸汽的压力l压力的提高，乏汽的干度下降压力的提高，乏汽的干度下降l乏汽

26、的干度一般不应低于乏汽的干度一般不应低于0.88l蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力节流膨胀与对做外功的绝热膨胀节流膨胀与对做外功的绝热膨胀u节流膨胀节流膨胀H = 0 流体进行节流膨胀是：由于压力变化而引起的流体进行节流膨胀是：由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应。效应。JppHVTVTTpclJ0，节流后温度降低，节流后温度降低lJ = 0，节流后温度不变，节流后温度不变lJ 0，节流后温度升高，节流后温度升高l理想气体理想气体J = 0 l实际气体实际气体J 值可为正值、负值或零。值可为正值、

27、负值或零。对外做功的绝热膨胀对外做功的绝热膨胀u等熵膨胀效应系数等熵膨胀效应系数s 必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。做功，膨胀后气体温度总是下降。pSpSVTTTpc制冷循环制冷循环高温高温 环境环境低温低温 环境环境蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器膨胀机膨胀机q0q2压缩机压缩机1234T1T2TS1234蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环u逆向逆向Carnot循环循环逆逆Carnot循环示意图循环示意图逆逆Carnot循环循环T-S图图TLTHTS1234n循环的吸热量循环的吸热量q0=TL(S1-S4) n循环的放热量循环的放热量

28、q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4)HqWNn制冷系数：制冷系数：n制冷剂完成一个循环制冷剂完成一个循环H0，净功为，净功为014LqSST N02HL14iWqqqTTSS 0NqW u逆逆Carnot循环循环逆逆Carnot循环的制冷系数仅是工质温度的函数，循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质的性质无关。与工质的性质无关。在相同温度区间工作的制冷循环，以逆在相同温度区间工作的制冷循环，以逆Carnot循环的制冷系数为最大。循环的制冷系数为最大。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。 L140LCarnotNHL14HLTSSqTWTTSSTT N02Wqq N200Wqq u单级蒸汽压缩制冷单级蒸汽压缩制冷蒸发盘管蒸发盘管冷冻室冷冻室冷凝盘管冷凝盘管压缩机压缩机毛细管毛细管厨房空气厨房空气冰箱温度分布示意图冰箱温度分布示意图高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器蒸汽压缩制冷过程示意图蒸汽压缩制冷过程示意图T-S图图T0TTS12345-1s21=- kJ kgWHH各点焓值：查图、表来计算各点焓值：查图、表来计算n12 可逆绝热压缩过程可逆绝热压缩过程n24 等压冷却、冷凝过程等压冷却、冷凝过程n45 节流膨胀过程节流膨胀过程n51 等压、等温蒸发过