矿大(北京)化工热力学06第六章(3-28)

第6章

化工过程的能量分析

化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从最原始的意义上来说，热力学是研究能量的科学，用热力学的观点、方法来指导能量的合理使用已成为现代热力学一大任务。

进行化工过程能量分析的理论基础是

热力学第一定律热力学第二定律

在“物化”课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。但“物化”上着重介绍两大定律在封闭系统中的应用，而在实际化工生产中大量遇到的是敞开体系，这类体系中进行的是流动过程，因此在化工热力学课程中进一步讨论两大定律对流动过程的应用。6.1能量平衡方程6.1.1能量守恒与转化自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的，能量也是守恒的，热力学第一定律明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循守恒规律。用数学式来表示就是Δ（体系的能量）+Δ（环境的能量）=0或Δ（体系的能量）=-Δ（环境的能量）6.1.1能量守恒与转化体系的概念1、封闭体系（限定质量体系）与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的。2、敞开体系（限定容积体系）与环境既有能量交换也有质量交换。由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的。3、稳流过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，限定容积体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同），则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。化工生产中大都为稳定流动体系4、均流过程如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容积内物质的状态是均匀的，限定容积内任一点都处于相同的状态（但整个限定容积内的状态随时间而变），则此过程称为均匀流动过程，简称均流过程。如：钢瓶充气或排气的过程6.1.2能量平衡方程“物化”中我们已经讨论了封闭体系的能量平衡方程，形式为：△U=Q+W体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。体积膨胀功能量通常有以下几种（储存能和传递能）

(1)内能U系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外，全部能量的总和。分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平动、转动和振动。分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分子间存在相互间的距离。分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一定能量。(2)动能EK

物质具有质量m，并且以速度u运动，物系动能EK

=1/2mu2

。(3)重力势能Ep物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系就具有势能EK

=mgz。(4)热Q由于温差而引起的能量传递叫做热。规定物系得到热时Q为正值，物系向环境放热时Q为负值。(5)功W除热Q之外的能量传递均叫做功。物系得到功作用，记为正值；而物系向环境做功，记为负值。能量通常有以下几种：

容量性质的数量衡算：进入体系的量-离开体系的量=体系积累的量可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式物料平衡方程：6.1.2能量平衡方程能量平衡方程：进入体系的能量=微元体本身具有的能量+环境对微元体所作的流动功+环境传入的热量进入体系的能量-离开体系的能量=体系积累的能量能量平衡方程：离开体系的能量=微元体带出的能量+流体对环境所作的流动功+体系对环境所作的轴功体系积累的能量=能量平衡方程：注意：⑴E

—单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能。能量平衡方程：⑵pV—流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功。pApVdlW流=力×距离=pAdl=pV可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量。p1V1—输入流动功，环境对体系做功p2V2—输出流动功，体系对环境做功对流动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在。2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化。3、W流＝pV与所处状态有关，是状态量。4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量。⑶Ws—单位流体通过设备的运动机构时，由轴传递的流体对环境或环境对流体所作的功。可逆功：可逆轴功为对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？⑷能量平衡方程的一般形式：普遍化的能量平衡方程：不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。6.1.3能量平衡方程的应用1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换

封闭体系过程通常都不能引起外部的势能或动能变化，只能引起内能的变化。单位质量的封闭体系：2）稳定流动体系稳定流动体系没有物质及能量的积累单位质量稳流体系的能量方程：注意：⑴单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；⑵式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸热为正，WS以体系得功(环境对体系做功）为正；⑶应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置①流体输送、增压或减压设备提高流体压力：泵、压缩机、风机等（消耗功）降低流体压力：膨胀机（透平）（产出功）能量平衡方程的应用与简化透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功。压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功。

单级透平结构图（Turbine）△H=Q+WS是否存在轴功?是!是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?不变化或者可以忽略动能是否变化？通常可以忽略①流体输送、增压或减压设备绝热压缩或膨胀过程：△H=WS整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。

mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量②换热设备②换热设备热交换器（蒸发器、冷凝器）、反应器、加热炉和传质设备（吸收器、蒸馏塔和增/减湿器）

∵△Ek=0；△Ep=0；WS=0

Q=△H=H2－H1Q为过程的热负荷（如反应的热效应、流体的相变热等）体系状态变化，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）等于体系的焓差。例解

30℃的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150℃，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kgK)，求50kg空气从换热器吸收的热量。将空气当作理想气体，并忽略压降时换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计③对化工机器的绝热过程△Ek=0；△Ep=0；Q=0

∴Ws

=△H在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系对环境所做的功等于体系焓的减少，功和热都是过程的函数，但焓是状态函数，在特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立。④阀门的节流

将流体通过阀门前后所发生的状态变化。——节流过程

throttlingprocess

∵△Ek=0；△Ep=0；Ws=0；Q=0

∴△H=0H1=H2理想气体通过节流阀温度不变混合设备混合两种或多种流体是很常见。混合器混合设备是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是否变化?否动能是否变化?否当不止一个输入物流或（和）输出物流时

Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。

Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。为一股物流的质量流量。为总质量流量。混合设备

132混合器例1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，求湿蒸汽的干度。解节流过程无功的传递，忽略散热、动能变化和位能变化T℃HkJ/kg1202716.6130H21602796.21.5MPa饱和液体焓值Hl=844.9饱和蒸汽焓值Hg=2792.2⑤喷嘴与扩压管

进出口的截面积变化很大喷嘴：流体流动时沿着流动方向压力降低，流速加快。扩压管：流体流动时沿着流动方向压力升高，流速减缓。喷嘴扩压管∵△Ep=0；Ws=0；Q=0；Venturi喉管⑥机械能平衡方程

Bernoulli方程——管路及流体输送∵Ws=0；Q=0；△U=0流体不可压缩Bernoulli方程泵水例：现利用功率为2.0kW的泵将95℃、流量为3.5kg·S-1的热水从低位贮水槽抽出，经过热交换器以698kJ·S-1的速率冷却，送入高出15m的高位贮水槽，试求高位贮水槽的水温。解：体系的输入与输出相等，m1=m2，故以1kg水为计算基准，有输入功输出热位能变化稳定流动过程的热力学第一定律：由饱和蒸汽表知，95℃的饱和热水的焓值为H1=397.96kJ·kg-1，故再查饱和蒸汽表，反推出高位贮槽的水温为47.5℃热力学第一定律是从能量传递或转换过程中总结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程是否一定会自发发生呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律。6.2功热间的转化6.2功热间的转化热力学第二定律

克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。开尔文说法：不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。热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。6.2功热间的转化由物化知道，热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解决方向和限度问题。>0可逆时=0不可逆时对孤立体系

1）基本概念自发过程是不消耗功即可进行的过程；非自发过程需要消耗功才可进行。如：夏天水变成冰就是非自发过程，冬天水变成冰就是自发过程。可逆过程：没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；对产功的可逆过程，产功最大；对耗功的可逆过程，耗功最小；逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。1）基本概念不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度，体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。1）基本概念2）热功转换与热量传递的方向和限度

自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给低温物体，气体向真空或低压膨胀，由高处流向低处这些过程都不需要借助外力即可进行。自然界中类似的自发过程的进行有一定的方向性。水往低处流气体由高压向低压膨胀热由高温物体传向低温物体热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的限度是温度达到一致，不存在温差。热量传递的方向与限度动力机械：热功制冷设备：功热能量质量的差异某种形式能的“品质”（quality）取决于其它形式转换的能力。热量传递的方向与限度（1）可无限转换的能量：机械能（水的动能和位能）、电磁能和风能等。能量的品质与数量完全统一，可认为是品质完美的能量。（2）有限转换的能量：各种热过程释放的热。不能单纯用它的数量来度量它的品质，可认为是品质有限的能量。（3）不可转换的能量：环境介质的内能。在环境条件下已无法无限制地转换为其它形式的能量。热不可能全部地转化为功，它只具有部分的转换性；功可以连续、全部地转化为热，它具有完美的转换性。能量质量的差异热功转换的方向性是指功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功。

由于热是无序能量，而功是有序能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可以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。热功转换的方向正卡诺循环和逆卡诺循环。正卡诺循环是指工质吸热温度高于排热温度，是产功过程；（热电厂、蒸汽机）逆卡诺循环是指吸热温度低于排热温度，是耗功过程。（空调、冰机、热泵）热功转换的限度——卡诺循环卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可逆过程完成一个工作循环，卡诺循环解决了工质从高温热源吸收的热量转换为功的最大限度。热功转换的限度——卡诺循环高温热源TH低温热源TLCarnot循环（正热力循环，产功）4个过程①可逆等温膨胀1→2工作介质蒸发，吸热QH②可逆绝热膨胀2→3做功WC③可逆等温压缩3→4工作介质冷凝放热QL④可逆绝热压缩4→1对液体做功（可忽略）卡诺循环的热效率最大,可以根据热力学第一定律推出卡诺循环的热效率。

△H

为状态函数，工质通过一个循环△H=0

Carnot循环（正热力循环，产功）卡诺循环的结果是热部分地转化为功，其经济性用热效率来评价。热效率的物理意义为工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。Carnot循环（正热力循环，产功）Carnot循环（正热力循环，产功）注意:

⑴η<1

，欲使η=1

，则需TH

→∞或TL→0，这在实际当中是不可能的，也说明了热不能完全转化为功；

⑵η=f(TH,TL)，欲使效率增大，需要TH升高，TL降低，工程上采用高温高压，提高吸热温度TH，但要受到材质的影响；⑶若TH=TL，则η=1，Wc

=0这说明单一热源不能转化为功，必须有两个热源；⑷卡诺循环，η可逆最大，相同的TH、TL无论经过何种过程，η可逆是相同的，实际上热机只能接近，不能达到。意义：虽然可逆过程只是一个理想过程，实际上无法实现，由可逆过程组成的卡诺循环发动机也无法制造，但是，卡诺循环在热力学中具有重大的意义。卡诺循环在历史上首先奠定了热力学第二定律的基本概念，对如何提高各种热机的效率指明了方向。6.3熵函数6.3.1熵与熵增原理高温热源只吸收无限小的热量，低温热源只放出无限小的热量，构成无限小的可逆循环。6.3.1熵与熵增原理ST表示体系在可逆吸热与可逆放热阶段某状态函数的增量，人们就把此函数定义为熵。熵定义，由卡诺效率推导出熵变6.3.1熵与熵增原理可逆过程：不可逆过程：这两个式子说明，可逆过程的熵变等于其热温商，不可逆过程的熵变则大于其热温熵。注意：⑴熵是状态函数。只要始态、终态相同，

△S不可逆=△S可逆

⑵对于不可逆过程，可以设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温商积分计算熵变。熵增原理对于孤立体系熵增原理表达式:不可逆过程可逆过程不可能进行的过程>0=0<0热力学第二定律数学表达式自然界一切能够进行的过程都是向着熵增大方向进行。⑴自然界一切自发进行的过程都是熵增大的过程；⑵自发过程向着熵增大的方向进行；⑶自发进行的限度；⑷为总熵变⑸只有同时满足热力学第一定律和热力学第二定律的过程，在实际当中才能实现，违背其中任意一条，过程就不能实现。熵增原理熵变的计算①由可逆过程的热温商计算（熵定义）对于理想气体：②相变化熵变相变化都属于可逆过程，并且相变化的热量根据能量平衡方程知相变化的熵变为③环境熵变热力学环境一般指周围大自然，可视为恒温热源，例：有人设计了一种热机，该机从温度为400K处吸收25000J/s热量，向温度为200K处放出12000J/s热量，并提供16000W的机械功。试问你是否建议投资制造该机器？解：根据热力学第一定律，热机完成一个循环，△H=0，则W=－Q=－(Q1+Q2)=－(25000－12000)=－13000J/s而设计者提出可供W’=－16000J/s综上所述，这种热机设计不合理。违反热力学第一定律。又根据第二定律，可逆机效率设计者提出该机器的效率违反热力学第二定律例：有人设计一种程序，使每kg温度为373.15K的饱和水蒸气经过一系列的复杂步骤后，能连续向463.15K的高温储热器输送1900kJ的热量，蒸汽最后在1.013×105Pa、273.15K时冷凝为水离开装置。假设可以无限制取得273.15K的冷却水，试从热力学观点分析该程序是否可能实现？对于理论上可能发生的任何程序，它必须符合热力学第一及第二定律。蒸汽通过装置后冷凝，该蒸汽的热量得到最大限度的利用，因为冷凝温度已达到环境中可能的最低温度（冷却水温度）。但此时蒸汽的热量不可能全部传入高温储热器，否则违反热力学第二定律（热量由低温传向高温而不引起其他变化）。所以必须有Q0热量传给冷却水。稳流过程热力学第一定律：△H=Q+WS因为WS=

0，△H=Q，查水蒸气表得：373.15K饱和蒸汽H1=2676.1KJ/kg，S1=7.3549kJ/(kg·K)1.013×105Pa、273.15K冷凝水H2=0，S2=0再按热力学第二定律对此装置进行校验，该程序的△S总是否大于或小于零。每kg蒸汽通过此装置的熵变为：高温储热器的熵变为：低温受热器（冷却水）的熵变为：所以设计的程序是不可能实现的。因在孤立体系中实际过程需△S总≥0，要使上述过程成为可能，必须作改正。设由每kg饱和水蒸气传给高温储热器之最大热量为Q1kJ/kg,则：若每kg饱和水蒸气传至463.15K高温储热器的热量小于1679.5kJ/kg，则上述过程是可能实现的。6.3.2熵的产生与熵的平衡（1）熵产生

由孤立体系熵产生可知，当排除外因熵变化后，只要体系内部发生不可逆变化，就会有熵产生，因而熵产生就其物理意义来说，就是由于体系内部的不可逆性引起的熵变化。这样就可以用熵产生作为判断过程方向的准则。根据热力学第二定律:系统的总熵变由两部分组成。一部分是由于与外界存在热交换Q（可逆或不可逆）而引起的，被称为热熵流）；另一部分是由于经历的过程的不可逆性而引起的。（2）熵产生积分熵产生当△S产生>0时，体系内部的过程不可逆或自发当△S产生=0时，体系内部的过程可逆或平衡；当△S产生<0时，体系内部的过程不自发。（2）熵产生熵与质量和能量的性质不同，无论是可逆或不可逆，孤立系统的质量和能量都是守恒的，而熵却不同，可逆过程的熵守恒，不可逆过程的熵不守恒。不可逆造成了能量品位的降低，结合熵产生，可以认为熵产生与做功能力之间必然有联系。过程的不可逆造成的熵产生，减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，造成的能量品位降低越多。（2）熵产生熵函数既是状态函数，又是容量性质，因此熵也可以按容量性质进行衡算，对于敞开体系，我们选定某一限定容积作为研究体系：入出(2)敞开体系熵平衡方程W体系的熵由两部分携带：物料和热量，功与熵变化无关，因此功不携带熵。物料携带的熵=mS热流携带的熵=熵平衡方程：(2)敞开体系熵平衡方程熵产生：体系内部不可逆性。绝热过程：可逆过程：稳流过程：封闭过程：例:试问以下稳流过程是否可能：空气在7×105Pa、294K下进入到一个与环境绝热的设备中。由设备流出的空气一半为1×105Pa、355K；另一半为1×105Pa、233K。设备与环境没有功的交换。以上温度范围内假定空气为理想气体，并取其平均等压热容Cp为25.5J·mol-1·K-1。首先，衡量能量的变化。满足热力学第一定律。再衡量是否满足热力学第二定律。解:假设空气共有2mol，从设备流出后每股出料含空气1mol；满足热力学的第一定律和第二定律，可以发生Reversible6.4.1理想功

定义：体系以可逆方式进行一定的状态变化，理论上可产生的最大功或理论上必须消耗的最小功。也就是体系从状态1完全可逆的变化到状态2时的最大功或最小功。

完全可逆是指：状态变化可逆；传热可逆（物系与环境）。6.4理想功和损失功状态变化可逆是指物系内部所有变化都是可逆的，若物系进行化学变化、相变化、膨胀、压缩等过程都是在可逆条件下进行，过程的推动力无限小。传热可逆是指物系与环境间的换热也必须是可逆的，这里的环境指的是我们周围的大气。由于环境热容量大，因而环境可视为体系外的一个恒温热源。由此可见，理想功是一个极限值，任何实际过程的功都不可能高于（或低于）理想功。6.4.1理想功1、非流动过程完全可逆：体系所处的环境构成了一个极大的温度为T0的恒温热源（非流动、稳定流动过程）膨胀过程：体系对抗大气压力做的膨胀功，不能被利用。压缩过程：接受大气所给的功，不需要为此付出任何代价。2、稳定流动过程化工过程中，动能和位能的变化不大，可忽略。

稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。理想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度。2、稳定流动过程计算稳态流动过程N2中从813K、4.052MPa变到373K、1.013MPa时可做的理想功。N2的等压热容Cp=27.89+4.271×10-3TkJ/(kmol·K),T0=293K。例解例求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为(1)298K；(2)248K。解：忽略压力的影响。查得有关数据状态温度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kg·K))H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)环境温度为298K，高于冰点时若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。(2)环境温度为248K，低于冰点时

当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。

理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。6.4.2损失功定义：体系完成相同状态变化时，理想功和实际功的差值，即：产生原因：1、过程的不可逆性引起的熵的增加。2、过程的热损失造成。环境视为热容量极大的恒温热源：过程的不可逆性愈大，总熵的增加愈大，损失功愈大。6.4.3热力学效率实际过程的能量利用情况可以通过损失功来衡量，也可以用热力学效率来衡量。对产功过程：对耗功过程：例用1.57MPa，484℃的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85％。另有少量的热散入293K的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。解可逆绝热过程透平机1.57MPa，484℃过热蒸汽0.0687MPaQ=7.12kJ/kgWs=0.85WRH2,S2Ws查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa，484℃时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg,S1=7.5035kJ/(kg·K)若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.0687MPa时,熵为S´2=S1=7.5035kJ/(kg·K)查过热水蒸汽表0.035MPaHS0.07MPaHS0.0687MPaHS饱和蒸汽2631.47.71532660.07.47972658.97.4885100℃2684.47.86042680.07.53412680.27.5462透平机1.57MPa，484℃过热蒸汽0.0687MPa?Q=0WRHkJ/kgSkJ/(kg·K)2658.97.4885H2´7.50352680.27.5462P=0.0687MPa此透平机实际输出轴功依据稳流系统热力学第一定律得到实际状态2的焓为0.035MPaHS0.07MPaHS0.0687MPaHS120℃2723.17.96442719.97.63752720.07.6496160℃2800.68.15192798.27.82792798.37.8399HkJ/kgSkJ/(kg·K)2720.07.64962773.3S22798.37.8399或6.5有效能6.5.1

有效能概念在实际的能量传递和转换过程中，能量可以转化为功的程度，除了与能量的质量、体系所处的状态有密切关系外，还与过程的性质有关，如果过程接近于可逆过程，其转化为功的程度就大，否则就小。为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。有效能⑴定义：一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态相平衡时，理论上所能做出的最大有用功。用Ex

表示。无效能：理论上不能转化为有用功的能量。用El表示⑴环境：一般指恒T、P、x下的庞大静止体系，如大气、海洋、地壳等。⑵环境状态：热力学物系与环境处于完全平衡时的状态，常用T0、P0、H0、S0等表示。环境和环境状态注意：理想功就是变化过程按完全可逆地进行时所作的功。在有效能的研究中，选定环境的状态（p0,T0）作为基态，将周围环境当作一个具有热力学平衡的庞大系统，这个状态下的有效能为零；有效能是系统的一种热力学性质，和所选定的平衡的环境状态有关。能级Ω定义：单位能量所含的有效能。能级是衡量能量质量的标准，它的大小代表体系能量品质的高低。能全部转化为功的能量的能级为1，如电能、机械能等。

0≤Ω≤1完全不能转化为功的能量其能级为零。低级能量的能级大于零小于1。6.5.2有效能的计算稳流物系体系由任意状态（T，p）变至基态（T0，p0）有效能的基本计算公式系统具有的能量不能用于做功物系的有效能的大小取决于系统状态和环境状态（基态）的差异。⑴物理有效能：物系由于T、P与环境(T0、P0)不同而具有的有效能。物理参数（温度、压力等）不同引起。⑵化学有效能：物系在环境的T0、P0下，由于组成（物质的化学结构、物态和浓度等）与环境不同而具有的有效能。物系的有效能几种常见情况的有效能的计算（1）功、电能和机械能的有效能（2）热的有效能定义：物系传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆方式所能做出的最大有用功。1、恒温热源热量的有效能卡诺循环的热效率温度为T的恒温热源的热量Q2、变温热源热量的有效能等压变温过程（3）压力有效能等温过程对理想气体（3）压力有效能（4）化学有效能化学有效能：处于环境温度和压力下的体系，与环境之间进行物质交换（物理扩散或化学反应），最后与环境达到环境平衡时所做的最大功。指定基准态的物理条件：压力为0.1MPa，温度为298.15K(25℃)N20.7557CO20.0003O20.2034Ne1.8×10-5Ar0.0091He5.24×10-6H2O0.0316环境基准态的下大气组成(摩尔分数)理想功与有效能的区别和联系（1）终态不一定相同，理想功的终态不确定，而有效能的终态为环境状态；（2）研究对象不同，理想功是对两个状态而言，可正可负，而有效能是对某一状态而言，与环境有关，只为正值。状态2(T2,p2,H2,S2)状态1(T1,p1,H1,S1)环境(T0,p0,H0,S0)例比较l.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa,573K的过热蒸气的有效能大小。取环境状态P0＝0.1013MPa、T0＝298.15K,并就计算结果对蒸气的合理利用加以讨论。

P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kgEx/kJ/kg水

0.1013298.15饱和蒸汽1.013453267181430.66过热蒸汽1.013

573294893431.68饱和蒸汽6.868557.52670104339.06饱和蒸汽8.611

5732678109240.78一般供热0.5~1MPa饱和蒸汽6.5.3过程的不可逆性和有效能的损失理想功是通过可逆过程来体现的，实际过程都是不可逆过程，不可逆过程由损失功和热力学效率来体现；有效能反映的也是可逆过程的行为，实际过程的不可逆性要用有效能损失和有效能效率来衡量。1）不可逆性热力学第二定律认为自然界中一切过程都是具有方向性和不可逆性的。大于零时为不可逆过程，等于零时为可逆过程。有效能的变化也具有方向性和不可逆性。各种不可逆的因素：各种传递过程都存在着阻力，如流体阻力、热阻、扩散阻力和化学反应阻力等。要使过程以一定的速度进行，必须克服阻力，保持一定的推动力造成体系有效能的损失。有效能的方向性和不可逆性表现在：（1）当过程可逆时，有效能不会向无效能转变，有效能的总量保持不变；（2）当过程不可逆时，有效能将向无效能转变，使有效能总量减少。不可逆过程有效能的减少，就称为有效能的损失。2）有效能损失El（1）定义：不可逆过程中有效能的减少量为有效能损失。（2）计算式：

El=实际功-理想功体系的变化需消耗外功，否则不能实现，所消耗的外功最小为理想功。体系对外做功，所做的功最大为理想功。不可逆过程，实际所做的功WS总是小于理想功，即小于有效能的减少，有效能必然要有损失。不可逆过程，部分有效能降级变为无效能，而不做功，总的有效能的损失等于损失功。2）有效能损失El3）典型过程的有效能损失①传热过程传热过程在实际当中我们是经常碰到的，当两种温度不同的物质接触时，热量就会从高温物体向低温物体传递，传热过程中有效能的损失是存在的，它是由于存在温差而造成的。T2T1流体1流体2逆流换热器示意图假设流体的阻力为定值，没有热损失，T1>T2因温差传热过程而引起的有效能的损失①传热过程传热过程有效能损失是存在的，当冷热流体的温度一定时，传热温差愈大，有效能的损失愈多；当冷热流体的温差一定时，则有效能与冷热流体温度的乘积成反比。在低温工程中，为了减少有效能的损失，采用较小的传热温差；在高温传热下，温差可取得较大一些，使换热面积不至于过大。①传热过程②流体输送过程封闭体系：稳流体系：假设体系与环境之间既无热也功的交换，一般管道中的输送有效能的损失：⑴El

∝△p

压力降⑵稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的稳定流动过程要减少有效能损失，首先要考虑减少压力降，但欲使压力降减少，必然使流速降低，使设备费用增加。因此考虑能量的合理利用的同时，还要考虑设备材料费用的问题。②流体输送过程对于敞开体系，体系与环境既有能量交换，又有质量传递。发生传质的原因是两相的化学位不等。

③传质过程略去压力变化传质过程中有效能损失为③传质过程注意⑴有效能损失在任何不可逆过程中都是存在的；⑵有效能损失的大小与过程的推动力有关，推动力增大，则有效能损失增大。例裂解气在中冷塔中分离，塔的操作压力为3.444MPa，液态烃（由C2、C3、C4等组成）由塔底进入再沸器，其温度为45℃；经0.1965MP的饱和蒸汽加热蒸发回到塔内。已知再沸器中冷凝水为40℃，大气温度Ｔ0为20℃，液态烃在45℃

，3.444MPa下汽化热为293