化工热力学主题知识讲座

第六章化工过程能量分析讲师：杨晓燕化工热力学主题知识讲座第1页3.功热间转化化工生产过程离不开能量传递和能量之间转化，依据能量平衡原理，各种形式能量能够等量地相互完全转化，只要总能量守恒，别无其它任何限制。仅从热力学第一定律，热和功并无本质差异，能够无条件等当量转化。但经过对热机研究和改进，证实热转化为功是有条件，转化效率也是有一定程度。实践认为功能够全部转化为热。另外，热总是从高温自动地传至低温，并能够利用这一过程经过热机对外做功，但，要将热由低温传至高温，必须消耗外功。故，热力学第一定律并没有说明能量传递和能量转化过程中相关传递方向、转化条件和程度问题，这些问题与能量利用亲密相关，是热力学第二定律所要研究。化工热力学主题知识讲座第2页一、基本概念（1）自发过程不消耗功即可进行过程。比如，热量从高温热源向低温热源水往低处流（2）非自发过程需要消耗功才可进行过程。比如，低位水向高位输送，必须用泵化工热力学主题知识讲座第3页（3）可逆过程I.没有摩擦，推进力无限小，过程进行迟缓；II.体系内部均一一致，处于热力学平衡；III.对产功可逆过程，其产功最大，对耗功可逆过程，其耗功最小；IV.逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹（无功热得失和状态改变）。化工热力学主题知识讲座第4页（4）不可逆过程I.有摩擦，过程进行有一定速度；II.体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象）；III.逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹；IV.若相同始末态可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。化工热力学主题知识讲座第5页（5）区分I.自发与非自发过程决定物系始态、终态与环境状态；II.可逆与不可逆过程与体系始末态无关，只是过程进行一个方式。

可逆过程是一个理想过程，实际过程都是不可逆。但因为可逆过程产功最大，耗功最小，可作为实际过程比较标准，表达能量利用可到达最高效率。故可逆过程研究至关主要。化工热力学主题知识讲座第6页二、功热转换与能量传递方向和程度（1）热量传递方向和程度

（2）功热转化方向自发非自发高温低温100%自发100%非自发功热热是无序能量，功是有序能量；有序运动能够自发转变为无序运动，而无序运动不能自发转变为有序运动化工热力学主题知识讲座第7页（3）热功转化程度——卡诺循环卡诺循环是由四个可逆过程完成一个工作循环，能够最大程度地将工质从高温热源吸收热量转化为功。卡诺循环由三部分组成：热机、高温热源（恒TH）、低温热源（恒TL），热机工质从高温热源TH吸收热量，部分转化为功，其余排至低温热源TL。化工热力学主题知识讲座第8页卡诺循环可分为四个过程进行：（1）可逆等温膨胀过程。热机工质缓缓地由高温热源吸收QH作等温可逆膨胀。1→2（2）可逆绝热膨胀。工质绝热膨胀，系统膨胀做功，但不吸热，故消耗内能，温度由TH降至TL，并经过热机对外做功WC。2→3（3）可逆等温压缩。工质将剩下热量QL可逆地传给温度为TL低温热源，作可逆等温压缩。3→4（4）可逆绝热压缩。工质温度由TL→TH，回到初态。化工热力学主题知识讲座第9页卡诺循环结果是热部分地转化为功，其经济性用热效率评价。η=-WC/QH其物理意义：工质从高温热源吸收热量QH转化为净功WC比率。卡诺循环为稳定流动体系，其动能、位能改变可忽略不计，由其能量平衡方程∆H=Q+WC化工热力学主题知识讲座第10页5.4理想功、损失功及热力学效率以上讨论了热力学基本定律，了解了相关化工过程能量平衡方程及能量之间转化方向及程度。怎样利用这些知识来指导能量合理利用，包含对化工生产过程中能量传递、转化和损失情况，并揭示能量消耗多少，原因与部位，为改进化工过程，提升能量利用率指出方向。进行化工过程热力学分析方法大致有两种：①损失功法；②有效能法。化工热力学主题知识讲座第11页一、理想功Wid1.定义在一定环境条件下，体系状态改变按完全可逆方式进行时，理论上可产生最大功或消耗最小功，是理想极限值，用来做实际功比较标准。“完全可逆”是指：①体系内全部改变过程都是可逆（化学改变，相改变，膨胀，压缩等都是在可逆条件下进行，过程推进力无限小）；②体系与环境之间能量交换也是可逆（环境指周围大气，因为其热容量大，可视为恒温热源）。化工热力学主题知识讲座第12页2.理想功计算（1）非流动过程由热力学第一定律可知：∆U=Q+W若过程完全可逆，则∆S总=∆Ssys+∆Ssur=0因∆Ssur=-Q/T0则Q=-T0∆Ssur=T0∆Ssys=T0∆S即：可逆功WR=-T0∆S+∆U=(U2-U1)-T0(S2-S1)化工热力学主题知识讲座第13页在飞轮上做可利用功Wid体系反抗大气压所做膨胀功-p0∆V，无法加以利用，但又无法防止；相反，在压缩过程中，接收大气所给功是很自然，不需付出代价，在计算理想功时应将其扣除。故非流动过程Wid为：Wid=

WR+p0∆V=(U2-U1)-T0(S2-S1)+p0∆V

结论：①

Wid决定于体系始末态和环境状态(T0,p0)，与过程无关；②体系发生状态改变每一个实际过程都有其对应理想功。WR化工热力学主题知识讲座第14页(2)稳态流动过程由热力学第一定律可知：大多情况下，所以过程完全可逆，即：Q=QR=T0∆S稳流过程有用功就是轴功所以，Wid=WS=∆H-T0∆S结论：①稳流过程Wid决定于体系始末态和环境温度T0，与过程无关；②每一个实际过程都有其对应Wid。化工热力学主题知识讲座第15页Note：理想功和可逆功区分：①二者并非同一概念；②理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功全部；③所假设可逆过程必须以实际过程为原型来确定。化工热力学主题知识讲座第16页二、损失功体系完成一定状态改变，只有在完全可逆情况下进行，才能对外做最大功（产功过程）或消耗最小功（耗功过程），而实际过程都是不可逆，所以，产功应小于理想功，耗功应大于理想功。定义：体系完成相同状态改变时，实际功与理想功差值。WL=Wac-Wid化工热力学主题知识讲座第17页稳流体系：

Wac=WS=∆H-QWid=∆H-T0∆Ssys所以WL=Wac-Wid=∆H-Q-∆H+T0∆S=T0∆Ssys-Q又因为-Q=T0∆Ssur所以WL=T0(∆Ssys+∆Ssur)=T0∆S总≥0=0时，过程可逆；>0时，过程不可逆。Note：不可逆性越大，则总熵增加越大，不能用于做功能量即损失功也越大。化工热力学主题知识讲座第18页三、热力学效率ηT产功过程：ηT=Wac/Wid耗功过程：ηT=Wid/Wac对Wid、WL和ηT进行计算，搞清在过程不一样部位WL大小，是进行化工过程热力学分析内容，从而指导化工过程节能改进。化工热力学主题知识讲座第19页5.5㶲与火无能量不但有数量，而且有质量（品位），在能量转换与传递过程中，数量上含有守恒性，质量上含有品位性，即贬值性。所谓品位高低即不一样形式能量转换为功能力大小。1度电=1KWhr=3600KJ=860Kcal但860Kcal热不能变成1度电，热转变为功效率为30%，功品位高于热。高温热源产生热品位比低温热源产生热品位高。高压蒸汽做功效力高于低压蒸汽。大气中能量全部不能做功。化工热力学主题知识讲座第20页一、㶲与火无定义1.能量分类按能量转化为有用功多少，可分为三类：（1）高质能量：理论上能完全转化为有用功能量，如电能、机械能。（2）僵态能量：理论上不能转化为有用功能量，如海水、地壳、环境状态下能量。（3）低质能量：能部分转化为有用功能量，如热量和以热量形式传递能量。化工热力学主题知识讲座第21页在实际能量传递和转换过程中，能量能够转化为功程度，除了与能量质量、体系所处状态亲密相关外，还与过程性质相关。若过程靠近于可逆过程，其转化为功程度就大，不然就小。为了衡量能量可利用程度或比较体系在不一样状态下可用于做功能量大小，1932年Keenen提出了㶲概念。化工热力学主题知识讲座第22页2.㶲(Exergy,Ex)定义：任何体系在一定状态下㶲Ex是该体系由所处状态(p,T)以完全可逆方式改变到与环境处于平衡状态(p0,T0)时所作出最大有用功（即理想功）。3.火无(Ax)不能转变为有用功那部分能量。化工热力学主题知识讲座第23页Note：（1）因为是理想功，所以过程完全可逆；（2）基准态：体系与环境处于平衡状态，也称为寂态，热力学死态，基准态下Ex为0；（3）所谓平衡即为热力学平衡，包含机械平衡（p）、热平衡（T）、化学平衡（组成）；（4）

Ex是体系一个热力学性质，但其与U，S，H不一样，除与始末态相关，还与选定平衡态相关；化工热力学主题知识讲座第24页4.能级Ω定义：单位能量所含㶲，称为能级Ω

（或㶲浓度），是衡量能量质量标准。

Ω=Ex/总能量0≤

Ω

≤1能量是用数量来衡量，㶲是用质量来衡量。化工热力学主题知识讲座第25页一些能量能级分布：高质能量Ω=1；低质能量0<

Ω<1；僵化能Ω=0。

总能量=Ex+Ax化工热力学主题知识讲座第26页5.能量仅包含热力学第一定律，而㶲包含了热力学第一和第二定律。化工热力学主题知识讲座第27页二、㶲计算1.稳流体系㶲定义：稳流物系从任意状态（p,T,H,S）以可逆方式改变到环境状态（

p0,T0,H0,S0

）时，所能做出最大有用功。对于稳流体系，从状态1→状态2：Wid=(H2-H1)-T0(S2-S1)化工热力学主题知识讲座第28页故当体系由任意状态(p,T)→基态(p0,T0)时，则上式Wid负值就是入口状态物流含有㶲：0-Ex=Wid

Ex=-Wid=-[(H0-H)-T0(S0-S)]所以，

Ex=T0∆S-∆H=T0(S0-S)-(H0-H)上式为㶲基本计算式，适合用于各种物理、化学或者二者兼而有之㶲计算。化工热力学主题知识讲座第29页Note：

Wid与Ex区分及联络Wid=∆H-T0∆S=(H2-H1)-T0(S2-S1)Ex=T0∆S-∆H=T0(S0-S)-(H0-H)(6-47)式(6-47)表明体系㶲大小取决于系统状态和环境状态差异，这种差异可能是物理参数(T,p)不一样引发，也可能是组成不一样引发。化工热力学主题知识讲座第30页（1）区分①终态不一定相同。

Wid：终态不定Ex：终态为环境状态(p0,T0)；②研究对象不一样。

Wid：对两个状态而言（某个过程），可正可负；Ex：对某一状态而言，与环境相关，只为正值。化工热力学主题知识讲座第31页（2）联络当体系从状态1到状态2时，此过程㶲改变恰好是此过程理想功。Ex1=T0(S0-S1)-(H0-H1)Ex2=T0(S0-S2)-(H0-H2)∆Ex=Ex2-Ex1=(H2-H1)-T0(S2-S1)=∆H-T0∆S=Wid∆Ex<0,Wid<0,物系对外做功，㶲降低；∆Ex>0,Wid>0,物系接收做功，㶲增加。化工热力学主题知识讲座第32页2.㶲计算（1）㶲分类

I.物理㶲：Exph，浓度、组成不变，

(T,p)→(T0,p0)引发㶲改变①热㶲：ExQ②压力㶲：Exp化工热力学主题知识讲座第33页II.化学㶲：处于环境温度T0和环境压力p0下体系，与环境之间进行物质交换，到达与环境平衡，此过程所做最大功。①扩散：浓度改变②化学反应：组成改变III.功㶲，即是功。化工热力学主题知识讲座第34页（2）㶲计算I.热㶲ExQ物系传递热量，在给定环境条件下，以可逆方式能做出最大有用功。①恒温热源热量㶲可构想将此热量可逆地加给一个以环境为低温热源可逆卡诺热机，所能做出有用功，即为热量㶲。化工热力学主题知识讲座第35页上式表明热能是低质能量，仅有一部分是㶲，

ExQ不但与Q大小相关，还与环境温度T0及热源温度T相关。化工热力学主题知识讲座第36页②变温热源热量㶲当热量温度并不恒定为T，而是由T变为T0，放出热量Q。或用式（6-47）计算ExQ=T0∆S-∆H=T0(S0-S)-(H0-H)化工热力学主题知识讲座第37页对于等压变温过程化工热力学主题知识讲座第38页II.压力㶲当体系温度与环境温度相同，而压力不一样时，需考虑压力㶲。由式（6-47）可知：Exp=T0∆S-∆H=T0(S0-S)-(H0-H)对于等温过程化工热力学主题知识讲座第39页理想功是经过可逆过程来表达，实际过程都是不可逆过程，不可逆过程有损失功和热力学效率来表达；㶲反应也是可逆过程行为，实际过程不可逆性要用㶲损失和㶲效率来衡量。下面我们就讨论过程不可逆性和㶲损失。化工热力学主题知识讲座第40页三、不可逆性和㶲损失1.不可逆性热力学第二定律认为自然界中一切过程都含有方向性和不可逆性。∆S产生≥0：>0时，不可逆；=0时，可逆。㶲改变也含有方向性和不可逆性：①过程可逆时，㶲不会向火无转变，㶲总量保持不变；②过程不可逆时，部分㶲将向火无转变，使㶲总量降低。化工热力学主题知识讲座第41页2.㶲损失定义：不可逆过程中㶲降低许。状态1→2可逆：∆Ex=Wid，㶲降低全部用于做功，㶲总量不变；不可逆：∆Ex=Wid=WS+WL=WS+T0∆S在不可逆过程中，有部分㶲降级变为火无而不做功，总㶲损失等于损失功WL。则EL=WL=T0∆S㶲降低许化工热力学主题知识讲座第42页3.经典过程㶲损失①传热过程传热过程在实际当中经常碰到，当两种温度不一样物质接触时，热量就会从高温物体向低温物体传递，传热过程㶲损失是存在，它是因为存在温差而造成。流体2流体1T2T1逆流换热器示意图化工热力学主题知识讲座第43页高温物体放出热量δQ㶲为：低温物体吸收热量δQ㶲为：故：传热过程㶲损失是存在，温差越大，则㶲损失越大。欲使㶲损失降低，需减小温差，所以，实际工业生产中，在满足工艺条件下，要尽可能减小温差。化工热力学主题知识讲座第44页②稳流过程化工热力学主题知识讲座第45页小结①㶲损失是任何不可逆过程中都存在。②㶲损失大小与过程推进力相关，推进力越大，不可逆性越强，㶲损失越大。化工热力学主题知识讲座第46页5.6㶲衡算及㶲效率一、㶲衡算㶲守恒是否与过程可逆性相关。过程可逆，无㶲损失，㶲是守恒；过程不可逆，部分㶲向火无转变，产生㶲损失。所以，在建立㶲衡算方程时，应附加一项㶲损失作为㶲输出项。输入㶲=输出㶲+㶲损失㶲衡算式，可由热力学第一定律和第二定律推导出来。化工热力学主题知识讲座第47页以稳流体系为例由热力学第一定律：∆H=Q+WS即：H2-H1=Q+WS(A)状态1H1,S1状态2H2,S2QWS化工热力学主题知识讲座第48页分两种情况考虑：（1）可逆过程∆S总=∆Ssys+∆Ssur=0所以EL=T0∆S总=0因为∆Ssys=S2-S1，∆Ssur=∆SQ=-Q/TQ所以EL=T0∆S总=T0[(S2-S1)-Q/TQ]即：T0(S2-S1)=T0Q/TQ(B)化工热力学主题知识讲座第49页由(A)-(B)，得化工热力学主题知识讲座第50页（2）不可逆过程（A）式同上（B）式推导：∆S总=∆Ssys+∆Ssur>0最终可推出：∑Ex+>∑Ex-因为不可逆过程中㶲损失是存在，而且EL>0，所以∑Ex+=∑Ex-+∑EL化工热力学主题