合工大-化工热力学-第五章-化工过程的能量分析

第五章化工过程(guòchéng)的能量分析§5.1能量平衡方程§5.2功热间的转化§5.3熵函数§5.4理想功、损失功及热力学效率§5.5火用和火无§5.6火用衡算及火用效率§5.7化工过程与系统(xìtǒng)的火用分析5精品资料本章运用热力学的第一与第二定律，应用理想功、损失功、和等概念对化工过程中能量的转换、传递与使用进行热力学分析，评价过程或装置能量利用的有效程度，确定其能量利用的总效率，揭示出能量损失的薄弱环节与原因，为分析、改进工艺与设备(shèbèi)，提高能量利用率指明方向。

5火用火无本章是本课程的重点(zhòngdiǎn)和难点。精品资料5.1能量(néngliàng)平衡方程5.1.1能量守恒与转化(zhuǎnhuà)5.1.1

能量守恒与转化定律是自然界的客观规律。自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量是守恒的。（能量数量守恒）Helmholtz

(1821-1894)1847年，德国物理学家和生物学家Helmholtz发表了“论力的守衡”一文，全面论证了能量守衡和转化定律。

精品资料5.1.1在各种热力学过程中，体系和环境之间往往发生能量的传递。能量传递的形式有两种，即热和功。通过体系的边界，体系与体系（或体系与环境）之间由于温差而传递的能量叫做(jiàozuò)热。由于存在温差以外的其它势差而引起体系与环境之间传递的能量叫做(jiàozuò)功。精品资料5.1.1需要指出：热和功不是状态函数，热和功是能量的传递形式。它们的值与过程进行的途径和方式有关。不同的途径传递的热和功是不同的。热和功只有当体系由于过程的进行而发生变化时才出现。它们只有在过程发生时才有意义(yìyì)，也只有联系某一具体的变化过程时，才能够计算出热和功来。热和功都是被传递的能量，当能量以热的形式传入体系后，不是以热的形式储存，而是增加了该体系的内能。精品资料5.1.1有人形象地把热比作雨，池中的水比作内能(nèinénɡ)，雨落下变成池中的水，就像热传递给体系后，变为内能(nèinénɡ)一样。就热力学的观点，功和热是转移中的能量，是不能贮存的，不转移时能量总是贮存在体系和环境内。所以，体系在过程前后的能量变化△E应与体系在该过程中传递的热Q与功W之代数和相等。如E1、E2分别代表体系始、终态的总能量，则△E=E2﹣E1=Q＋W(5-1)式（5-1）就是热力学第一定律的数学表达式。规定体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。精品资料5.1.2从热力学第一定律可导出普遍条件下适用的能量平衡方程。先对敞开体系(tǐxì)，即与环境既有质量又有能量交换的体系(tǐxì)进行分析，分析中必须同时考虑质量平衡与能量平衡。5.1.2能量(néngliàng)平衡方程

图5-1所示为一敞开体系。虚线所包围的区域为研究的体系。流体从截面1经过设备流到截面2。在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示。

精品资料5.1.2在该点处假设进入(jìnrù)体系的物料为一微分量的质量δm1，流体处于距基准面z1的高度处，图5-1敞开(chǎngkāi)体系示意图其单位质量的物料所具有的总能量为E1,平均速度为u1，比容为V1，压力为P1,内能为U1等。同样在截面2处流体流出设备时所具有的状况用下标2表示。精品资料5.1.2对敞开体系而言，若体系内没有发生化学反应(huàxuéfǎnyìng)，对体系进行质量恒算，则进入(jìnrù)体系的能量=离开体系的能量+体系内积累的能量式中dm体系为体系积累的质量。再根据能量守恒原理，则得写成微分式则为移项后得（5-4）（5-3）（5-2）精品资料5.1.2式（5-4）中δW是体系与环境交换的功，它包括(bāokuò)与环境交换的轴功δWs和流动功δWf。界面(jièmiàn)1流动功：同理，界面2：

在连续流动过程中，流体内部相互推动所交换的功称为流动功。

流体流动过程中，通过机械设备的旋转轴在体系与环境之间交换的功称为轴功。用Ws表示。精品资料5.1.2流动(liúdòng)功δWf是微分量质量的流体进入体系时，环境对流体所作的流动(liúdòng)功(pVδm)1与微分量质量的流体离开体系时，流体对环境所作的流动(liúdòng)功(pVδm)2之差。所以(suǒyǐ)将式（5-5）代入式（5-4），得（5-5）（5-6）精品资料5.1.2单位质量的物料(wùliào)的总能量E：式中，U为单位质量流体的内能；EK为单位质量流体动能(dòngnéng)；EK＝1/2u2；Ep为单位质量流体位能，Ep＝gZ，g为重力加速度，Z为位高。（5-7）精品资料5.1.2将式（5-7）代入式（5-6），得（5-8）精品资料5.1.2因H＝U＋pV，式（5-8）可写成式（5-9）是一个普遍化的能量平衡(pínghéng)方程。应用时可视具体条件作进一步简化。（5-9）精品资料5.1.3能量平衡(pínghéng)方程的应用5.1.3对一个过程进行能量恒算或能量分析时，应该根据过程的特征，正确(zhèngquè)而灵活地将能量平衡方程式应用于不同的具体过程。（1）封闭体系

封闭体系是指体系与环境之间的界面不允许传递物质，而只有能量交换，即δm1=δm2=0，于是能量方程式（5-9）变成（5-10）精品资料5.1.3封闭系统进行的过程通常都不能引起外部的势能(shìnéng)或动能变化，而只能引起内能变化，即又因封闭(fēngbì)体系流动功为零，由式（5-5）得δW=δWS，于是有对单位质量的体系（5-12）又m为常数，式（5-10）中d(mE)体系＝mdE=mdU，所以

（5-11）第12次课结束2009精品资料5.1.3稳态流动过程◎物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等；但摩尔流率或体积(tǐjī)流率往往不相等。◎体系中任一点的热力学性质都不随时间而变，体系没有物质及能量的积累，（2）稳态流动(liúdòng)体系即精品资料5.1.3

（5-13）积分上式，并以δm相除，得到单位质量的稳流体系(tǐxì)的能量方程式于是，将敞开体系的能量(néngliàng)方程用于稳流体系，式（5-9）简化为

此公式是由能量守恒定律推导出来的。而能量守恒是自然界的客观规律。因而式(5-13)对可逆过程和实际过程均适用。精品资料5.1.3使用时注意公式中各项单位必须(bìxū)一致。对于微分流动(liúdòng)过程，则（5-15）如：的单位：的单位：

式（5-13）与式（5-15）是稳定流动体系的能量平衡方程。第十一次课结束2010精品资料一些常见的属于稳流体系(tǐxì)的装置喷嘴(pēnzuǐ)扩压管节流阀透平机压缩机混合装置换热装置WsWs精品资料5.1.3化工生产中，绝大多数过程都属于(shǔyú)稳流过程，在应用能量方程式时尚可根据具体情况作进一步的简化。现讨论几种常见情况。①体系在设备，如流体流经压缩机、膨胀机，进、出口之间的动能变化、位能变化与焓变相比较，其值很小，可忽略不计。（动能为1kJ/kg时，所需速度为45m/s。位能为1kJ/kg时，所需高度为102米。在许多工业装置(zhuāngzhì)中，进出口物料一般没有这样大的变化。），则式（5-13）可简化为（5-16）精品资料透平机和压缩机透平机是借助高压流体的膨胀减压(jiǎnyā)过程来产出功压缩机是靠消耗功来提高流体(liútǐ)的压力蒸汽透平精品资料5.1.3动能(dòngnéng)是否变化?透平机和压缩机是否(shìfǒu)存在轴功?位能是否变化?通常可以忽略是！不变化或者可以忽略是否和环境交换热量?通常可以忽略精品资料5.1.3动能是否(shìfǒu)变化?（5-17）②当流体(liútǐ)流经管道、阀门、换热器与混合器等设备时，是否存在轴功?位能是否变化?通常可以忽略否通常可以忽略精品资料5.1.3式（5-17）表明(biǎomíng)体系的焓变等于体系与环境交换的热量。此式是不对环境作功的稳流体系进行热量恒算的基本关系式。（5-17）精品资料5.1.3动能是否(shìfǒu)变化?（5-18）③流体经过节流(jiéliú)膨胀、绝热反应、绝热混合等绝热过程时是否存在轴功?位能是否变化?通常可以忽略否否是否和环境交换热量?通常可以忽略精品资料5.1.3（5-18）通过节流(jiéliú)膨胀，流体的焓值不变。根据此式可方便地求得绝热过程中体系的温度变化。等焓过程即对节流(jiéliú)膨胀精品资料5.1.3（5-18）换热设备(shèbèi)即：若取整个换热器作为体系，忽略(hūlüè)与环境交换的热量（热损失为零）：精品资料5.1.3对真实流体而言，考虑流体摩擦而引起的机械能损失，需在方程中增加摩擦损失项δF，由此得到(dédào)的方程称为机械能平衡方程假设流动(liúdòng)过程为可逆，dU=δQ-pdV，代入上式，得

因H=U+pV，dH=dU+pdV+Vdp将此式代入（5-15）式，得（5-19）④

机械能平衡方程精品资料5.1.3式（5-19）在应用于无粘性(zhānxìnɡ)和不可压缩流体，且流体与环境没有轴功交换时，就得到了著名的Bernoulli方程（5-20）式中ρ是流体密度。值得说明的是Bernoulli方程(fāngchéng)的提出比热力学第一定律被确认大约还要早一百年。此式也可以写成（5-21）精品资料5.1.3（5-22）⑤可压缩性流体急速变速的稳态流动。气体在绝热不做外功的流动过程(guòchéng)中，如蒸汽喷射泵及高压蒸汽在汽轮机喷嘴中的喷射是否(shìfǒu)存在轴功?位能是否变化?否否是否和环境交换热量?通常可以忽略精品资料5.1.3式（5-13）可简化得到绝热稳定(wěndìng)流动方程式此式表明，气体在绝热不做轴功的稳定流动(liúdòng)过程中，动能的增加等于其焓值的减小。（5-22）例题5-1

5-2精品资料5.1.3可逆过程与不可逆过程用热力学的方法研究体系发生状态变化时，在怎样的条件下能作出最大功或者(huòzhě)需要最小功，具有重要意义。这里牵扯到一个热力学上的重要概念，可逆过程与不可逆过程。这里重点讲讲可逆过程的特点，学生容易出错的地方，换一个角度阐明这个概念。精品资料5.1.3可逆过程的概念：某一体系经过(jīngguò)某一过程，由状态1变到状态2之后，如果能使体系和环境都完全复原（即体系回到原来的状态，同时消除了原来过程对环境所产生的一切影响），则原来的过程就称为可逆过程。反之，如果用任何方法都不可能使体系和环境完全复原，则称为不可逆过程。精品资料5.1.3可逆过程有以下特点：1、可逆过程是以无限小的变化(biànhuà)进行的，整个过程是由一连串非常接近于平衡的状态所构成，整个过程进行的速度是无限慢的，过程的推动力无限小。过程的进行需要推动力：膨胀或压缩(yāsuō)过程···············压力差传热过程···············温度差扩散过程···············浓度差化学反应过程···············化学位差精品资料5.1.32、在反向的过程中，用同样的手续，循着原来过程的逆过程，可以使体系(tǐxì)和环境都完全恢复到原来的状态。3、可逆过程产功最大，需功最小。可逆过程是一种理想的过程，是一种科学的抽象。客观世界中并不真正存在可逆过程，实际过程只能无限地趋近于它。那么提出(tíchū)可逆过程的概念有什么意义呢？精品资料5.1.3可逆过程的概念非常重要。首先，可逆过程将实际过程理想化，它忽略摩擦和体系内部温度、压力、浓度(nóngdù)不均等因素，对复杂的实际过程进行简化处理，突出主要矛盾，以便于掌握过程的基本规律，这是热力学上对过程进行分析的重要方法。类似于理想气体的情况。精品资料5.1.3其次，只有在可逆过程中，过程进行的每一步都极接近平衡状态，这时体系才有确定(quèdìng)的状态，才可以用体系的状态参数来描述过程。例如：气体的体积功通过可逆过程求状态函数（利用状态函数的变化值只与过程的始、终态有关，而与过程进行(jìnxíng)的具体途径无关的特点），如⊿H、⊿S、⊿G等。精品资料5.1.3再其次，可逆过程的概念，对于分析能量的利用效率，有重要的实际意义。大家知道，热和功不是状态函数，它们的值会因过程的不同(bùtónɡ)而改变。但是可逆过程所作的最大功（或所需的最小功）却只决定于状态的变化。从实用的观点看，这种过程最经济，效率最高。因此，可逆过程为我们衡量实际过程的效率提供了一个比较的标准，可逆过程体现了能量利用可能达到的最高效率。因此如何创造条件，使实际过程尽可能地趋近可逆过程，是改进生产，提高能量利用效率和经济效益所要考虑的一个重要方面。精品资料5.1.3不要把不可逆过程理解为根本不能向相反的方向进行。一个不可逆过程发生后，也可以使体系恢复原态，但当体系恢复到原来的状态后，必定会在环境中留下某些变化，而且这种变化一定与环境作功能力的损失相联系。不可逆过程由于存在种种不可逆因素(yīnsù)（推动力不是无限小、存在摩擦、喘动、涡流等），会使体系和环境总的作功能力下降，产生功的损耗。精品资料休息一下(yīxià)，马上回来！第一节完精品资料5.2热功间的转化(zhuǎnhuà)功可以全部转变为热，而热要全部转变为功必须消耗外部的能量，这已为大量实践所证明。热、功的不等价性（功是高质量的能量，而热是低质量的能量）是热力学第二定律的一个基本(jīběn)内容。5.2

自然界提供的能源中，约90％一般要经过热转化成各种功（如煤、石油、天然气、核能、太阳能等），因此，热成了能量转化中必经的“中间体”，研究热转化为功的效率具有特殊重要的意义。精品资料5.2热量可以经过(jīngguò)热机循环而转化为功，图5-3为一热机示意图。它由高温热源、热机和低温热源三部分组成。图5-3热机的工质从温度为T1的高温热源吸取热量Q1，热机向外作功W，然后向温度为T2的低温热源放出热量Q2，从而完成循环。根据热力学第一定律，并考虑到由于完成循环后工质回到原来状态内能没有(méiyǒu)变化，精品资料由此可以(kěyǐ)看出,从高温热源吸收的热量中，没有完全转化为功，必有一部分能量要排放到低温热源中去。循环过程产生的功W和从高温热源吸收的热量Q1之比称为热机的效率η5.2（5-23）（5-24）精品资料5.2由热力学第二(dìèr)定律知，热机的实际效率η<1，它的大小和过程的可逆程度有关。在研究和改进热机的过程中，需要知道什么样的循环热效率最高？影响热效率的因素有哪些？如何得到最高的循环效率呢？Carnot定理回答了这些问题。Carnot

(1796-1832)精品资料Carnot定理所有工作于相同等温热源和等温冷源之间的热机，以可逆机效率为最大；所有工作于相同等温热源和等温冷源之间的可逆机其效率相等(xiāngděng)，与工作介质无关。5.2式中T1，T2分别为高温热源与低温(dīwēn)热源的温度，单位是K。工质对环境做功W为负，故-W为正。（5-25）精品资料（2）热功间的转化存在着一定的方向性，即功可以自发地全部转化为热，且功与功之间理论上也可等当量完全转化。但热不能通过循环全部转化为功，有一定的条件（利用(lìyòng)热机，在两个不同温度间循环）和限度（卡诺循环热效率）。由此可见，热和功是不等价的。5.2从式（5-25）可知(kězhī)：

（1）对于可逆热机，只有当低温热源T2接近绝对零度或高温热源T1接近于无穷大时，才能通过循环将热全部转化为功。这是不现实的。第十三次课结束2009精品资料（3）从微观来看，能量转化的方向性决定于质点微观运动的方式。功是质点定向有序运动的结果，如气体(qìtǐ)分子的定向有序运动推动活塞作膨胀功；而热量却是质点的无序运动。由定向有序运动的方式转化为非定向无序运动，使混乱度增大，总是自发的，因此功能够自发地全部转化为热量。5.2（4）Carnot循环的热效率代表了热可能变为功的最大百分率，因此(yīncǐ)Carnot循环的热效率是衡量实际循环中热变为功的完善程度的标准。精品资料5.2第二节完精品资料5.3熵函数(hánshù)5.3.1熵与熵增原理(yuánlǐ)5.3.1

从Carnot循环的热效率表达式（5-25）可以导出热力学函数熵的表达式。将式（5-25）整理后得

若可逆热机在高温热源只吸收无限小的热量，而在低温热源只放出无限小的热量，构成一无限小的可逆循环，此时可得（5-27）（5-26）精品资料5.3.1由于任何一个可逆过程循环，可以看成由无限多个微小的Carnot循环组合而成。因此，只要将式（5-27）沿着某一可逆循环过程作循环积分，就得到(dédào)此循环的表示式（5-28）对于任何(rènhé)不可逆循环因此精品资料5.3.1将式(5-28)和式(5-29)合并(hébìng),得（5-30）

式中符号表示循环过程；称为微分过程的热温商。式(5-30)即为Clausius不等式。（5-29）Clausius

(1822-1888)因此(yīncǐ)不可逆循环精品资料5.3.1（5-31）由式（5-28）可导得可逆过程的热温商等于(děngyú)熵变式（5-31）就是热力学第二定律的数学表达式，它给出任何过程的熵变与过程的热温商之间的关系(guānxì)。当过程不可逆时，过程的熵变总是大于过程的热温商。由式(5-29)可导得不可逆过程的热温商小于熵变，即两式合并：精品资料5.3.1式（5-32）是熵增原理的表达式。当体系和环境经历任何变化(biànhuà)后，熵的总量只会增加，永不减少。即孤立体系经历一个过程时，总是自发地向熵增大的方向进行，直至熵达到它的最大值，体系达到平衡态。对于孤立(gūlì)体系（将体系与环境加在一起），δQ＝0，则式（5-31）变为（5-32）或精品资料5.3.1由此可以看出熵与能量的性质不同(bùtónɡ)。对孤立体系，无论是可逆过程或不可逆过程，总能量是守恒的，但总熵只在可逆过程中是守恒的，在不可逆过程中，总熵总是增加的。精品资料5.3.1不可逆等温过程：T=常数(chángshù)根据(gēnjù)熵的定义：可逆等温过程：T=常数？可逆绝热过程：不可逆绝热过程：？或等熵过程应该是：精品资料5.3.1

因为(yīnwèi)是绝热过程，体系与环境之间没有热量的交换：对不可逆绝热过程，根据(gēnjù)熵增原理：例题5-3

5-4精品资料5.3.2熵平衡(pínghéng)5.3.2以热力学第一定律为指导,以能量方程式为依据的能量恒算法在分析与解决工程上的问题是十分重要的,它从能量转换的数量关系(guānxì)评价过程和装置在能量利用上的完善性；然而它对于揭示过程不可逆引起的能量损耗，则毫无办法。

根据热力学第二定律，能量的传递和转换必须加上一些限制。熵就是用以计算这些限制的。熵平衡就是用来检验过程中熵的变化，它可以精确地衡量过程的能量利用是否合理。精品资料5.3.2体系经历(jīnglì)一个过程后，其能量、质量和体积可以发生变化。同样地，也可以导致熵的变化。类同能量平衡的处理方法，需要建立熵平衡关系式，所不同的是必须把过程不可逆性而引起的熵产生作为输入项考虑进去。精品资料5.3.2（1）敞开体系熵平衡(pínghéng)方程分析如图5-5所示的敞开(chǎngkāi)体系，得

式中熵积累是指体系的熵变，是体系由于不稳定流动所积累的；熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变；熵进入与熵离开是进入体系与离开体系的熵，分别包含由于质量进、出体系而带入、带出的一部分熵流动（miSi）和随δQ的热流动产生的熵流动。精品资料5.3.2需要指明的是随δQ的热流动产生的熵流动只同穿过界面的能量有关，而各种能量流动中，只有热量才能直接联系到熵的流动，且与物料的质量流动无关；功的传递不会引起熵的流动，但这并不意味着当有功输入(shūrù)或输出体系时，体系均不会发生熵变，只是说，这种熵变并不是由于功传递的直接结果。精品资料5.3.2（5-33）

式（5-33）中为热熵流，流入体系为正，离开体系为负。该式适用于任何热力学体系，对于不同体系可进一步简化。熵平衡(pínghéng)方程式可写成精品资料5.3.2（2）封闭(fēngbì)体系熵平衡方程（5-34）

因如果(rúguǒ)是可逆过程，⊿S产生＝0，则式（5-33）简化为熵的定义式精品资料5.3.2（3）稳态流动体系(tǐxì)熵平衡方程因体系(tǐxì)本身状态不随时间而变，⊿S体系(tǐxì)＝0（即熵积累＝0）。（5-35）例题5-5式（5-33）变为注意：此处不是说稳态流动过程中体系的熵变等于零。精品资料5.3第三节(sānjié)完精品资料5.4理想功、损失(sǔnshī)功

及热力学效率化工生产中，人们希望合理、充分地利用(lìyòng)能量，提高能量利用(lìyòng)率，以获得更多的功。本节根据热力学的基本原理，阐述理想功和损失功的概念及其计算，以便评定实际过程中能量利用(lìyòng)的完善程度，为提高能量利用(lìyòng)效率，改进生产提供一定的理论依据。5.4精品资料5.4.1理想(lǐxiǎng)功5.4.1体系从一个状态变到另一状态时，可以通过各种过程来实现。当经历的过程不同时(tóngshí)，其所能产生（或所消耗）的功是不同的，一个完全可逆的产功过程可产出最大功；而一个完全可逆的需功过程，仅消耗最小功。

理想功体系的状态变化是在一定的环境条件下按完全可逆的过程进行时，理论上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。精品资料5.4.1完全(wánquán)可逆过程①体系内部一切的变化必须可逆；②体系只与温度为T0的环境进行可逆的热交换。T0的环境——环绕我们四周的大气(dàqì)(是特别指定的)

因而，理想功是一个理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。T0——大气的温度，常温（298K或293K）第十四次课结束精品资料5.4.1因假定过程(guòchéng)是完全可逆，（1）非流动(liúdòng)过程对于非流动过程，热力学第一定律的表达式为（5-36）Q对体系为正，则对环境为负，数值相等，符号相反。体系所处的环境构成了一个温度为T0的恒温热源。精品资料5.4.1将式（5-37）代入式（5-36），即得（5-37）式中WR为体系对环境或环境对体系所做的可逆功。它包括可以利用的功及体系对抗大气压力p0所作的膨胀功p0⊿V。后者无法加以利用，没有(méiyǒu)技术经济价值，在计算理想功时应把这部分功除外；相反，在压缩过程中，接受大气所给的功是很自然的，并不需要为此付出任何代价。则（5-38）精品资料5.4.1由式可见，非流动过程的理想功仅与体系变化前后的状态及环境的温度(T0)和压力(p0)有关，而与具体(jùtǐ)变化途径无关。因此，非流动(liúdòng)过程的理想功（5-39）说明：理想功的符号与功相同

膨胀过程:⊿V>0，p0⊿V>0;

而⊿U－T0⊿S<0，加p0⊿V实为相减压缩过程:⊿V<0，p0⊿V<0;

而⊿U－T0⊿S>0，加p0⊿V实为相减精品资料5.4.1（2）稳态流动(liúdòng)过程热力学第一(dìyī)定律用于稳流过程的表达式为（5-13）

同样将Q=T0⊿S代入，即得稳流过程的理想功（5-40）

在化工过程中，动能变化、位能变化不大，往往可以略而不计，式（5-40）可简化为（5-41）精品资料5.4.1只要始、终态一定(yīdìng)（T0、p0基本是常数），则过程的理想功就一定(yīdìng)。理想功的大小与完成相同状态变化的实际过程做的功无关，也与该实际过程是否作功无关。例题(lìtí)5-6

必须指出，理想功和可逆功并非同一个概念。理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部。

由式可知，稳流过程的理想功仅决定于体系的初态与终态以及环境的温度，而与具体的变化途径无关。精品资料5.4.2而（5-13）（5-40）5.4.2损失(sǔnshī)功损失功状态变化相同时，实际过程比完全(wánquán)可逆过程少产生的功或多消耗的功。（5-42）精品资料5.4.2代入式（5-42），因为状态(zhuàngtài)变化相同（5-43）式中，Q为体系在实际过程中与温度(wēndù)为T0的环境所交换的热量。精品资料5.4.2由于(yóuyú)环境可以视为热容量极大的恒温热源，它并不因为吸入或放出有限的热量而发生变化，所以Q虽是实际过程中所交换的热量，对环境来说，可视为可逆热量，⊿S环境＝－Q/T0（因环境所吸入或放出的热量，其数值与体系放出或吸入的相等而符号相反），所以代入式（5-43），得精品资料5.4.2按照热力学第二(dìèr)定律，⊿S总≥0，则上式表明损失(sǔnshī)功也是过程可逆与否的标志，当WL＝0，过程可逆；WL>0，过程不可逆。过程的推动力越大，过程的不可逆性愈大，则总熵的增加愈大，不能用于做功的能量即损失(sǔnshī)功也愈大。因此，每个不可逆性都是有其代价的。（以能量的降级为代价）。（5-44b）（5-44a）精品资料5.4.3热力学效率(xiàolǜ)5.4.3实际过程的能量利用情况可通过损失功来衡量，也可以用热力学效率(xiàolǜ)ηT加以评定。（5-46）（5-45）精品资料5.4.3从式（5-45）和式（5-46）不难看出，热力学效率ηT必然小于1，它表示真实过程与可逆过程的差距。对Wid、WL和ηT进行计算，搞清在过程的不同部位WL的大小，这是化工(huàgōng)过程进行热力学分析的内容，从而指导化工(huàgōng)过程的节能改进。例题(lìtí)5-75-8第十五次课结束精品资料第四节完精品资料5.5和5.5.1如：流体经过节流，节流过程是等焓过程，节流前后(qiánhòu)流体的焓值并未发生变化,但损失了做功能力；这种作法是必要的,但不能全面地评价能量(néngliàng)利用情况。确定能量的数量利用率传统的作法根据第一定律进行能量衡算火无5.5.1和的概念火无火用火用何以见得？在评价过程或装置的能量利用情况时精品资料5.5.1传统的作法只能显示(xiǎnshì)“有形”的损失：废渣、烟道气、冷却水带走的、散热等，但不能显示(xiǎnshì)“无形”的损失（因过程的不可逆性造成的损失），而有时这种损失比有形损失更大。又如：冷、热两股物流进行热交换时，在理想绝热的情况(qíngkuàng)下（即散热损失等于零），热物流放出的热量等于冷物流接受的热量，冷、热两股物流的总能量保持不变，但它们总的做功能力却下降了。精品资料5.5.1为什么会产生(chǎnshēng)这样的问题呢？大量的实例说明：物质具有的能量(néngliàng)不仅有数量的大小，而且有品位的高低，即各种不同形式的能量(néngliàng)转换为功的能力是不同的。精品资料5.5.1能够全部(quánbù)转变为功热能(rènéng)和以热的形式传递的能量（如焓，内能）只能部分地转变为功全部都不可能转变为功电能、机械能海水、大气、周围自然环境等的内能和以热量形式输入或输出自然环境的能量精品资料5.5.1火用

任何体系在一定状态下的，是体系与环境作用，从所处的状态达到与环境相平衡的可逆过程中，对外界作出的最大有用功，称为该体系在该状态下的。也就是体系从该状态变至基态，达到与环境处于完全平衡（热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡）状态时此过程的理想功。不能转变为有用功的部分称为。能量由和两个部分组成。火用火用火用火无火无为了度量能量中的可利用度或比较在不同状态下可转换(zhuǎnhuàn)为功的能量大小，凯南（Keenen）提出了有效能（AvailableEnergy）的概念，我国国标称它为（exergy），本书用符号Ex表示。精品资料5.5.1①理想功就是变化过程按完全可逆地进行时所作的功；②在的研究中，选定环境的状态（T0，p0）作为基态（或称寂态、热力学死态），即将周围环境当作一个具有热力学平衡的庞大(pángdà)系统，这种状态下值为零；③是系统的一种热力学性质。但它和内能、熵、焓等热力学性质不同，系统某个状态的的数值还和所选定的平衡的环境状态有关。应该(yīnggāi)强调指出：火用火用火用火用精品资料5.5.2的计算(jìsuàn)5.5.2（5-47）（5-41）状态(zhuàngtài)1状态2则过程的理想功为火用

故当体系由任意状态（p，T）变至基态(p0，T0)时，则上式的Wid的负值就是入口状态物流的，所以，稳流系统物流的为火用火用

化工过程中，常遇到的是稳流物系。因此，下面以稳流物系为例，讨论的计算。火用精品资料5.5.2式中（H-H0）──体系具有的能量；

T0(S-S0)

——

体系具有的能量中，不能转化成功的部分，称为。(S-S0)越大，越多。火无火无

式（5-47）是基本计算公式，它适用于各种物理的、化学的或两者兼而有之的计算。它清楚地表明系统物流的大小取决于系统状态和环境状态（基态）的差异。这种差异可能是物理参数（温度、压力等）不同引起的，也可能是组成（包括物质的化学结构、物态和浓度等）不同而引起。通常把前一种称为物理，后一种称为化学。火用火用火用火用火用精品资料5.5.2当动能(dòngnéng)和位能变化不能忽略时，物流还应把动能(dòngnéng)和位能加进去。由于动能(dòngnéng)和位能都可以全部转化成有效的功，因此这两项的就是其本身。火用火用火用（1）功、电能和机械能的以功的形式(xíngshì)传递的能量（电能，机械能，动能，位能等）其即为本身数。火用火用火用下面介绍几种常见情况的计算。火用（5-48）精品资料5.5.2（5-49）（2）热的温度为T的恒温热源的热量Q，其EXQ按Carnot循环所转化的最大功计算，即

火用火用

此式表明热能是一种品位较低的能量，它仅有一部分是。热量Q中具有的大小不仅与热量的数量有关，而且与周围环境温度T0及热源温度T有关。温度T愈接近于环境温度，愈小。火用火用火用精品资料5.5.2当热量(rèliàng)传递是在变温情况下，其计算不能简单地用式（5-49）求得，应按式（5-47）计算。由热力学关系式可知等压变温过程（5-50）

式中Cp为等压摩尔热容。该式表示等压过程中体系温度不同于环境温度而对所作出的贡献。火用火用精品资料（3）压力(yālì)由热力学关系式可知(kězhī)，等温过程时火用（5-51）5.5.2精品资料5.5.2对于(duìyú)理想气体，（5-52）则每摩尔的火用

式（5-51）与式（5-52）给出了体系因压力不同于环境时而对所作出的贡献。

火用精品资料5.5.2（4）化学(huàxué)

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），最后达到与环境平衡，此时所作出的最大功即为化学。在计算化学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。和物理一样，指定基准状态的物理条件是压力为0.1MPa（1bar）,温度为298.15K(25℃)，化学条件是首先规定大气物质所含元素的基准物，取大气中的对应成分，其组成如表5-1所示，即在上述物理条件下的饱和湿空气。表5-2列出了国家标准中部分元素的基准物。火用火用火用火用精品资料5.5.2CaNaClS表5-1表5-2精品资料5.5.2值得注意的是，规定每一元素的环境状态带有人为的性质。例如硫在环境中的平衡状态是单体硫黄，还是硫铁矿，或是烟气中的二氧化硫，抑或天然石膏？钙的环境状态是石膏还是石灰石？这只能根据(gēnjù)所研究的具体对象而定。现在已有不少作者发表了化学数据，但所选环境状态均有所不同，关键是必须保持热力学上的一致性。还需注意，不能以一种物质作为两种元素的环境态，否则无法分别得出每种元素的数据，如规定NaCl是Cl的环境态，则Na的环境态将选择NaNO3。火用精品资料5.5.2化学的计算方法国内外有基准反应法，焓、熵数据法等，一般通过计算系统状态和环境状态的焓差及熵差，然后代入式（5-47）计算化学。限于(xiànyú)篇幅本文不作详细介绍。例题(lìtí)5-9火用火用第十六次课结束精品资料5.5.3

5.5.3过程的不可逆性和损失火用

一切生产实际过程都是不可逆过程,在不可逆过程中存在各种不可逆因素,例如各种传递过程和反应过程都存在着阻力,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，就必须克服阻力，保持一定的推动力，必然会造成体系的损失。火用火无

根据损失功定义，在一定环境温度下，损失功与熵产生成正比，因此过程中熵的产生是能量变质的量度。熵值愈大，就愈多，能量不可用性愈大。精品资料5.5.3即根据(gēnjù)式（5-47）分别求得体系在始态（p1,T1）和终态（p2,T2）时的EX1和EX2，两者之差（5-53）火用式中EX体为体系的变化，T0S=T0

（S2-S1）为体系的变化，其值均取决于体系的始终态。火用火无精品资料5.5.3从式（5-53）可知，体系由状态1（可逆）变化到状态2时，过程的理想功等于(děngyú)其的变化。当⊿EX>0时，体系增加，体系的变化必需消耗外功，否则不能实现，所消耗的外功最小为理想功Wid；当⊿EX<0时，体系减少，体系可对外做功，所做的功最大为理想功Wid。火用火用火用精品资料5.5.3如上所述，在可逆过程中减少的全部用于做功，因此没有损失(sǔnshī)。但对于不可逆过程，情况则不同。实际所做的功WS总是小于理想功，即小于的减少，所以必然要有损失(sǔnshī)。将式（5-42）Wid=WS--WL的关系代入式（5-53）即得火用火用火用火用T0S总＝总的变化，由此可见，在不可逆过程中，有部分降级(jiàngjí)变为而不做功，火用火无火无精品资料5.5.3即总的的损失(sǔnshī)（体系+环境）就等于损失(sǔnshī)功T0ΔS总，火用（5-54）火用式中El为损失。定义环境(huánjìng)的增加等于体系对环境(huánjìng)所作的实际功，因此火用火无对环境而言，功的符号与体系相反。精品资料5.5.3下面剖析几个典型化工(huàgōng)过程的损失，也就是能量变质问题。（1）流体输送(shūsònɡ)过程根据热力学第一定律和第二定律，封闭体系中有（5-55）此式同样适用于忽略动能和位能变化的稳流体系。火用精品资料5.5.3对于稳流体系，若忽略动能和位能(wèinéng)的变化，其能量平衡式为假如(jiǎrú)体系与环境之间既无热也无功的交换，如在一般管道中的输送，则dH=0，代入式（5-55）得（5-56）（5-57）

式（5-56）就是稳流体系和环境间没有热、功交换条件下的熵变。因此损失火用精品资料5.5.3从式（5-57）可看出，要降低流动过程的损失，就应当尽量减少流动过程的推动力，也就是减小压力降。这就要力求减少管路上的弯头和缩扩变化，适当加大管径以减小阻力(zǔlì)等。但管径加大以后，将使投资费用增加。这是一对矛盾，必须合理选择经济的流速，谋求最佳的管径，解决好阻力(zǔlì)减小因而能耗减少与投资费用增大的矛盾。火用精品资料5.5.3图5-7表示逆流(nìliú)换热器，取其中微小的一段，在这一小段中，流体1和流体2的温度分别为T1和T2。（2）传热(chuánrè)过程

假设流体的阻力为定值，没有热损失，T1>T2，则必有δQ热量从流体1流向流体2，使流体1和流体2产生换热熵变dS1和dS2，则图5-7精品资料5.5.3物系总的熵变dS总为（5-58）因温差传热过程而引起的损失火用由式（5-58）可看出，在结构一定的换热器中，当流体的阻力可以视为常数(chángshù)时，传热过程的损失与冷热流体的温差及冷热流体温度的乘积有关。火用精品资料5.5.3当冷热流体(liútǐ)的温度一定时，传热温差愈大，损失愈多；当冷热流体(liútǐ)的温差一定时，则损失与冷热流体(liútǐ)温度的乘积成反比。火用火用因而，在低温工程（T1×T2较小）中，为了减少损失，要注意采用较小的传热温差；而在高温传热的情况下，温差则可取得较大(jiàodà)一些，以使换热面积不致过大。火用精品资料5.5.3总之，在化工生产中，不能靠高消耗来获得(huòdé)高速度，这是不能持久的。应该转变传统的经济增长模式，在降低能耗的基础上发展生产。由以上分析可见，为加快传热速率，盲目地加大传热温差是不可取的。我们可以(kěyǐ)通过改进换热器的结构，使之更利于传热；改善换热器的材质，来减小传热的阻力；加强水处理，减少设备的结垢和腐蚀等措施来达到强化传热的目的。精品资料5.5.3发生传质(chuánzhì)过程的原因是两相的化学位不等。将式（5-59）应用于α、β两相，并假定此两相温度相等，Tα=Tβ，略去压力变化，假定总体系与环境之间既无热也无功的交换，则d(nH)=0，类似传热过程导得熵变公式一样，可得到传质(chuánzhì)过程中体系不可逆熵增（3）传质(chuánzhì)过程

传质过程使得体系的组成发生变化，应用变组成体系热力学性质间关系式（5-59）或（4-4）式中μi为组分i的化学位。精品资料5.5.3右图表示传质(chuánzhì)过程，取其中微小的一段，有dni物质从α相流向β相。精品资料5.5.3式中上角标α、β为相别(xiānɡbié)；下角标i为组分。（5-60）

由物理化学可知，组分i的化学位μi与其在溶液中的活度的关系为因此(yīncǐ)（5-61）精品资料5.5.3将式（5-61）代入式（5-60），得（5-63）（5-62）例题(lìtí)5-105-11则传质过程中损失

火用

从上式可知，传质过程的熵产生及损失随活度差的增大而增大。火用第十七次课结束(jiéshù)精品资料5.5幽静的海湾第五节完精品资料5.6衡算及效率(xiàolǜ)5.6.1火用火用5.6.1衡算方程火用由于任何不可逆过程必引起的损失，因此在建立平衡方程时，与能量衡算并非一样。能量衡算中，输入的各项能量之总和恒等于输出的各项能量之总和；而的输入与输出是否(shìfǒu)相等，则要看过程是否(shìfǒu)可逆。对不可逆过程，必附加一项损失。火用火用火用火用精品资料5.6.1图5-9

现以稳流过程为例，介绍的衡算。火用

稳流过程的衡算示意于图5-9。图中EX1、EX2分别为随物流输入、输出的；δQ为物系从环境获得的热量；WS为系统对环境所作的功。火用火用稳流体系衡算示意图火用精品资料5.6.1对于稳流体系，根据热力学第一定律(dìnglǜ)有（忽略动能、位能变化）当物系经历一个(yīɡè)过程时，熵产生大于或等于零，因而（A）（B）或者也可写成

式（B）中，等号表示可逆过程，不等号表示不可逆过程。精品资料5.6.1式（A）减式（B），得在各种能量流动中，只有热量才能直接联系到熵的流动，且与物料的质量流动无关(wúguān)；功的传递不会引起熵的流动。精品资料5.6.1即将式（C）写成通式(tōngshì)，即为或（C）（5-64）

式中上标“+”表示输入，“-”表示输出；下标i表示第i股物流或能流；等号表示可逆过程，即守恒；不等号表示不可逆过程，有损失。火用火用精品资料5.6.1（5-65）火用式中∑El值为输入(shūrù)系统的与输出系统的之差。可逆过程∑El=0，不可逆过程∑El>0，∑El<0的过程不可能自发进行。式（5-65）就是衡算方程。火用火用如果用El代表过程(guòchéng)中损失，则上式可写成火用精品资料5.6.1根据损失功的基本定理，通过计算参与过程的有关体系和环境(huánjìng)组成的孤立体系的总熵变，从而求得损失功；

综上所述，因过程的不可逆性引起的的损失可有两种计算方法。火用

通过衡算，来计算过程和装置的损失功。此时需要计算各物流及能流的，然后进行平衡，从而确定的损失。火用火用火用火用

由于熵增法(E1=T0⊿S总)求⊿S总时，对系统的选取是有限制的，所以衡算法较熵增法往往要方便些。火用精品资料5.6.1看起来，衡算方程与普通(pǔtōng)的能量衡算方程颇为相似，但存在着几点实质性的区别。③普通能量衡算是不同品位能量的数量衡算，它只能反映出系统中能量的数量利用情况；而衡算是相同品位能量的数量衡算，它能够反映出系统中能量的质量利用情况。火用

①普通能量衡算的依据是热力学第一定律；而衡算的依据是热力学第一，第二定律。因此，衡算的结果能更全面、更深刻地反映出过程进行的情况。火用火用火用②能量是守恒的，但在一切实际过程中并不守恒，由于过程的不可逆性，使部分转化为而损失掉。因此从能量利用的角度看，更应注重能量在转化过程中的质量变化情况。火用火无火用精品资料5.6.1尽管如此，衡算可以看成是普通能量衡算的发展。在理解和掌握了及其计算之后，注意到两种衡算方法的区别，则在普通能量衡算知识(zhīshi)的基础上，可以很容易地掌握衡算方法。实际应用时往需先经能量衡算，再进行衡算。火用火用火用火用精品资料5.6.2效率(xiàolǜ)5.6.2火用

要能够确切地衡量能量利用上的完善程度，必须用等价的能量相比较，这就是效率。因为相同数量的，不论为何种物流、能流所具有，理论上都是同品位、同价值、同数量的能量，它们都是严格的同类项。效率以热力学第一定律与第二定律为基础，用于确定过程中的利用率。目前使用较多的有下列二种。火用火用火用火用精品资料5.6.2（5-66）分母∑EX+为投入过程或设备的各种(ɡèzhǒnɡ)物流和能流的用之和；分子∑EX-为离开过程或设备的各种(ɡèzhǒnɡ)物流和能流的用之和；比值ηEX就是火用效率，它是一种最基本的热力学效率，亦称为第二定律效率。火用火用（1）普遍(pǔbiàn)（总）效率ηEX式中，精品资料5.6.2（5-67）∑El/∑EX+称为不可逆度或损失系数。如果过程(guòchéng)完全可逆，∑El=0，则ηEX=1；当过程(guòchéng)完全不可逆，∑El=∑EX+，则ηEX=0；根据衡算式，式（5-66）可写为火用式中在通常(tōngcháng)情况下，过程部分可逆，则0<ηEX<1。精品资料5.6.2（2）目的(mùdì)效率ηEX’例题(lìtí)5-12（5-68）火用

通常说的效率，往往指目的效率。普遍效率与目的效率具有共同的特点和优点，而又各有自己的含义，应用时依希望说明的问题而选择。它们已广泛地用在化工、深冷、热力等过程的分析中，成为过程热力学分析的一项主要指标。火用火用火用火用精品资料5.6第六节完精品资料5.7化工过程(guòchéng)与系统的分析5.7火用用热力学的基本原理来分析和评价过程，称之为过程热力学分析。通过计算过程或装置中各种物流和能流的，作出衡算，从而确定过程或装置的效率，由此评价能量利用情况，揭示损失的原因，指明减少损失，提高热力学完善程度的方向(fāngxiàng)，这种热力学分析方法称为分析法。火用火用火用火用火用精品资料

5.7分析法的一般步骤是：①根据需要确定被研究的物系；②确定输入及输出各物流、能流的工艺状况及热力学函数；一般需根据物料衡算和能量衡算，确定T、p、H、S，流量，气体成分等。③计算各物流、能流的；④对体系(tǐxì)进行衡算，求出损失和效率。火用火用火用火用火用第十八次课结束(jiéshù)2009精品资料为了把分析的结果直观地表示(biǎoshì)出来，通常还绘出能流图，它常与流程图、数据表相配合使用。图5-11火用火用能流图的具体画法虽各有不同，但都有共同之点，即用箭头表示(biǎoshì)流动的方向，以线条间隔的宽窄表示(biǎoshì)物流或能流的和数值的大小（但往往由于数值间相差较大，只能按比例大致地给出）。火用火用火用火无5.7精品资料图5-11所示为某物(mǒuwù)系的能流示意图。5.7图5-11火用图中，EX1、EX2为输入的能流，火用E’X1、E’X2为输出的能流，火用E10为排入环境的物流（或能流）所带走的损失，火用∑E1i则为由于过程的不可逆性引起的损失。火用精品资料综述本章所介绍的内容可知，化工过程和系统的能量分析法可分为两类、三种(sānzhǒnɡ)，现对它们进行概括评述。5.7首先，两类热力学分析方法的理论依据及评价(píngjià)指标是各不相同的。能量衡算法热力学分析法

分析法火用熵增法精品资料5.7

熵增法及分析法则以热力学第二定律以及一、二定律的结合为指导，以损失功基本方程式和方程为依据，从能量的品位和的利用程度来评价过程和装置在能量利用上的完善性，以损失功和效率作为主要评价指标。火用火用火用火用能量衡算法以热力学第一定律为指导，以能量守恒方程式为依据，从能量转换(zhuǎnhuàn)的数量关系来评价过程和装置在能量利用上的完善性，以热效率作为主要评价指标。精品资料5.7其次(qícì)，两类热力学分析法所起的作用也是不同的。能量衡算法可以知道能量在数量上的利用(lìyòng)率为多少，指出由于散热、废气、废液、废渣排放等而损失的能量以及随工艺物流、能流带走的能量为多少；但它不能揭示过程不可逆而引起的能量损耗。也就是说，热效率的高低不足以说明过程和装置在能量利用(lìyòng)上的完善程度，因而也就不可能正确指导节能工作。精品资料5.7熵增法及分析法则不仅可以揭示由于“三废”、散热、散冷等引起的损失以及工艺物流、能流所带走的，而且能够准确地查明不可逆损失以及引起的原因，指出能量(néngliàng)利用上的真正薄弱环节和正确的节能方向。火用火用火用精品资料尽管如此，能量衡算法仍十分重要，它是化工(huàgōng)工艺设计、设备设计的基础，也是分析法的基础。第二类分析法中的熵增法及分析法，所得的结果是一致的，但分析法比熵增法更为方便和清晰。近些年来分析法得到了迅速发展，比熵增法应用更为广泛。5.7例题(lìtí)5-135-145-15火用火用火用火用第十九次课第五章结束2009精品资料5.7身体(shēntǐ)倍棒，吃嘛嘛香！牙好，胃口(wèikǒu)就好！开心一刻第五章完精品资料例题例题(lìtí)5-1例题(lìtí)5-2例题(lìtí)5-3例题(lìtí)5-4例题(lìtí)5-5例题(lìtí)5-6例题(lìtí)5-7例题(lìtí)5-8例题(lìtí)5-9例题(lìtí)5-10例题(lìtí)5-11例题(lìtí)5-12例题(lìtí)5-13例题(lìtí)5-14例题(lìtí)5-15精品资料例题5-1图5-2所示的节流蒸汽(zhēnɡqì)量热计用于测量湿蒸汽(zhēnɡqì)干度。其原理是当湿蒸汽(zhēnɡqì)充分节流后，变为过热蒸汽(zhēnɡqì)。测得过热蒸汽(zhēnɡqì)的温度，压力后，得知过热蒸汽(zhēnɡqì)和湿蒸汽(zhēnɡqì)的焓值，从而求得湿蒸汽(zhēnɡqì)的干度。现有1.5MPa的湿蒸汽(zhēnɡqì)在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，试求该湿蒸汽(zhēnɡqì)的干度。解：该测量过程为节流过程，无功的传递，忽略散热、动能变化和位能(wèinéng)的变化。则式（5-13）简化成式（5-18），即图5-2精品资料H1=x1Hg+(1-x1)Hl=H2=2737kJ/kg,经整理(zhěnglǐ)得例题5-1END湿蒸汽(zhēnɡqì)1.5MPaHg=2793kJ/kgHl=845kJ/kg过热蒸汽0.1MPa，403.15KH2=2737kJ/kg节流H1=H2设节流前蒸汽的干度为x1，则有精品资料例题5-2解：据式（5-13），单位质量(zhìliàng)的稳流体系的能量方程式30℃的空气，以5m/s的速率流过一垂直(chuízhí)安装的热交换器，被加热至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，空气的恒压平均热容，试求50kg空气从换热器吸收的热量。设下标1表示入口、2表示出口，则精品资料例题5-2若将空气当成(dānɡchénɡ)理想气体处理，并忽略其压降时所以(suǒyǐ)则精品资料例题5-2若将空气当成(dānɡchénɡ)理想气体处理，根据连续性方程，对稳流过程因为进出口管径相等,管截面(jiémiàn)A也相等,忽略其压降。所以则(m是质量流量)精品资料例题5-2V、u分别为流体(liútǐ)的比容与流速注意(zhùyì)单位：精品资料例题5-2故50kg空气从换热器吸收(xīshōu)的热量Q为计算(jìsuàn)结果表明空气流经换热器所吸收的热量，主要用于增加空气的焓值，动能与位能的增量可以忽略不计。END精品资料例题5-3解：根据热力学第一(dìyī)定律，热机完成一个循环，⊿U=0，则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(fànɡchū)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？而设计者提出可供

违反热力学第一定律。精品资料又根据(gēnjù)第二定律，可逆机效率（最大的热效率）例题5-3但设计者提出该机器(jīqì)的效率END违反热力学第二定律。综上所述，这种热机设计不合理。精品资料例题5-4如图5-4所示，有人设计一种程序，使每kg温度为373.15K的饱和水蒸气经过(jīngguò)一系列的复杂步骤后，能连续地向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(lěngníng)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？图5-4精品资料蒸汽通过装置后在1.013×105Pa、273.15K时冷凝，该蒸汽的热量得到最大限度的利用，因为冷凝温度已达环境(huánjìng)中可能的最低温度（冷却水温度）。但此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，而Q1=–1900kJ（对装置中的蒸汽而言，放热为负）。例题5-4对于(duìyú)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。解：首先根据第一定律（能量衡算）来计算Q0

:精品资料由题意(tíyì)，蒸汽流动是稳定流动过程，根据热力学第一定律，若忽略蒸汽流动的动能和位能的变化，得例题5-4因为(yīnwèi)WS=0，所以⊿H=Q查水蒸汽表得373.15K时饱和蒸汽1.013×105Pa、273.15K冷凝水精品资料例题5-4而再按热力学第二定律对此装置进行校验，该程序(chéngxù)的⊿S总是否大于或小于零。⊿S总包括三部分：每kg蒸汽通过(tōngguò)此装置的熵变为精品资料例题5-4低温(dīwēn)受热器（冷却水）的熵变为高温(gāowēn)储热器的熵变为总熵变所以设计的程序是不可能实现。精品资料因在孤立体系中实际过程需⊿S总≥0，因此(yīncǐ)，要使上述过程成为可能，必须作以下更改。例题5-4设由每kg饱和(bǎohé)水蒸汽传给高温储热器之最大热量为Q1kJ/kg，则解得

若每kg饱和水蒸汽传至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。（对高温储热器而言，吸热为正）精品资料⊿S总>0，过程可以进行；⊿S总=0，体系处在平衡态（可逆过程）；⊿S总<0，不可能(kěnéng)发生的过程。例题5-4孤立(gūlì)体系达到平衡时，熵值最大。因为熵是系统的性质，因此只要系统处于一定的状态，便有一个确定的熵值。与内能相似，熵只能求得其相对值。通过上述例题，说明熵是过程进行方向的判据。精品资料例题5-4END从微观角度研究，自然界中存在各种有序性，例如晶体熔化成液体，分子(fēnzǐ)的排列由有序转向无序，随着无序程度的增加，系统的熵值增大，因此熵是分子(fēnzǐ)无序程度的量度。（熵的物理意义）精品资料例题5-5有人声称发明了一种绝热操作，不需要外功(wàigōng)的稳定流动装置，能将p=0.4MPa、298K的空气分离成质量相等的两股（见图5-6），一股是pA=0.1013MPa、273K，另一股是pB=0.1013MPa、323K。试问这样的装置可行吗？（假设空气可以视为理想气体，其恒压热容Cp=29.3kJ/(kmol•K)，以0K为计算基准）。精品资料图5-6例题5-5精品资料分析该装置的可行性，从热力学角度必须满足(mǎnzú)三个原理：质量守恒原理、能量守恒原理和熵增原理。例题5-5由此可知质量(zhìliàng)是守恒的。解：对稳流装置进行质量恒算：精品资料例题5-5按题意(tíyì)，因是绝热混合，Q=0，不需要外功，WS=0，则⊿H=0，即可见，该装置能量(néngliàng)平衡也是满足的。

根据稳流体系能量平衡方程式（5-14），若忽略设备进、出口之间的动能变化和位能变化，则该装置的能量恒算：精品资料最后由式（5-35）计算(jìsuàn)该装置的熵产生：例题5-5精品资料例题5-5根据上述三个方面(fāngmiàn)的计算，可以得到根据热力学原理建立一个发明者所声称的装置是可行的。ENDS产生是体系(tǐxì)内部不可逆性引起的熵变，应该大于零。精品资料例题5-6试计算非流动过程中1KmolN2从813K、4.052MPa变至373K、1.013MPa时可能做的理想功。若氮气是稳定流动过程，理想功又是多少(duōshǎo)？设大气的T0