Cha4 河南大学 化工热力学

Chapter4

化工过程的能量分析结束放映下一页上一页

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本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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“物化”课程:封闭系统化工生产:敞开体系Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess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。结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页[教学目的]学习能量分析的原理和方法。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页[教学内容]4.1

能量平衡方程---热力学第一定律4.2

热力学第二定律—热功转化4.3熵与熵平衡4.4

理想功和损失功4.5

有效能及其计算4.6

有效能衡算及有效能效率4.7

有效能分析法及其应用

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本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页[教学要求]正确理解并熟练应用流动过程热力学第一定律的数学表达式；正确理解并熟练掌握热力学第二定律的数学表达式，了解热功转换的方向和限度；掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度；正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定义及其应用；正确理解并熟练应用有效能、有效能的衡算及其应用。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.1能量平衡方程---热力学第一定律4.1.1能量平衡方程4.1.2封闭体系的能量平衡方程4.1.3稳态流动体系的能量平衡方程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页物质的能量可分为两大类：系统蓄积的能量，如动能、势能、压强能和内能，它们都是系统状态的函数。系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页热力学第一定律（即能量转化和守恒原理）体系在过程前后的能量变换ΔE应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等：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。4.1.1能量平衡方程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.1.2封闭体系的能量平衡方程在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为：

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本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.1.3

稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。稳态流动系统的能量平衡关系式为：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)，势能(gz)和热力学能(U)。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess系统与环境交换功W由两部分组成：轴功流动功结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页稳态流动系统的能量平衡关系可写为：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess稳定流动系统的热力学第一定律表达式单位质量流体！结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页可逆条件下的轴功对于液体，在积分时一般可将V当作常数。对于气体怎么办？理想气体等温过程左式只适用与理想气体等温过程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页换热设备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。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。

mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页例5-1

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解将空气当作理想气体，并忽略压降时Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页透平机和压缩机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

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本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页透平机和压缩机是否存在轴功?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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页节流阀ThrottlingValve理想气体通过节流阀温度不变Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页是否存在轴功?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?通常可以忽略Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页混合设备混合两种或多种流体是很常见。混合器Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页当不只一个输入物流或（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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页

132混合器Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页管路和流体输送稳态流动模型通常是一个不错的近似通过泵得到轴功位能变化泵水Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页是否存在轴功?有时存在是否和环境交换热量?通常是位能是否变化?有时变化动能是否变化?通常不变化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页Bernoulli方程

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，有摩擦损耗对于无热、无轴功交换、不可压缩流体的稳流过程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.2

热力学第二定律—热功转化

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。

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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页热功转换的方向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。之所以有此结果，是由于热是无序能量，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。热量传递的方向与限度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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页热力学第二定律

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。我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4个过程①可逆等温膨胀1→2

工作介质蒸发，吸热QH

②可逆绝热膨胀2→3做功WC

③可逆等温冷凝3→4

工作介质冷凝放热QL

④可逆绝热压缩4→1

对液体做功（可忽略）Carnot循环（正热力循环，产功）结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页卡诺循环分两种情况：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）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页热机的热效率高温热源

TH低温热源TL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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页Chapter3Thermodynamicproperties结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑴，欲使，则需或，这在实际当中是不可能的，也说明了热不能完全转化为功；⑵，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。说明：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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。意义：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.3

熵与熵平衡4.3.1熵与熵增原理熵定义，由卡诺效率推导出熵是状态函数：

注意：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页熵增原理等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。孤立体系

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本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑴自然界一切自发进行的过程都是熵增大的过程；⑵自发过程进行的限度：⑶总熵变：

⑷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。结论：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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，选定某一限定容积作为研究体系：4.3.2

熵平衡入出Q1Q2将容量性质衡算通式用于熵，得Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页体系的熵有两大载体：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=热流携带的熵=Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess于是：结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess绝热过程：结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页当排除外因引起的熵变后，只要体系内部发生不可逆变化，就会有熵产生。因此，熵产生就其物理意义来讲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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess意义：当>0时，体系内部的过程不可逆或自发；当=0时，体系内部的过程可逆或平衡；当<0时，体系内部的过程不自发。熵产生：是由于体系一系列的不可逆变化引起的，它反映了体系的不可逆程度。结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页可逆过程：稳流过程：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页封闭过程：

熵产生是判断过程方向和限度的另一种方法，当环境的熵变不易求取时，可以通过熵产生来进行过程方向的判断。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页例4-2：有人声称发明了一种稳流装置，1kg温度为373K的饱和蒸汽通过此装置时能向温度为450K的高温热库输送1860kJ的热量，同时自身冷却为1atm、273K的冷却水。用于冷却蒸汽的天然水的温度为273K。问此装置是否可行？稳流装置高温热库450Kq1=1860KJ1Kg、1atm、273K的水h2=0，S2=0q0

冷却水273K1Kg、373K的饱和蒸汽h1=2680KJ/Kg，S1=7.37KJ/Kg/K解：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页以一千克饱和蒸汽为计算基准：能量衡算饱和蒸汽

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本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页熵衡算稳流过程

即熵产生小于零，说明该过程不自发，也不可能。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.4

理想功和损失功以上讨论热力学的基本定律，如何利用这些定律来指导能量的合理使用呢？目前进行化工热力学分析的方法大致有两种：①损失功法：是以热力学第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率评价。②有效能分析法：将热力学第一定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每一股物料进行分析，是用有效能效率评价。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页1）理想功定义：体系以可逆方式进行一定的状态变化，理论上可能产生的（或消耗的）有用功，即理论上可产生的最大功或理论上必须消耗的最小功，称为理想功Wid。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）。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页2）理想功的计算式①非流动体系理想功的计算式由热力学第一定律若过程可逆，则

又Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页即式中：WR——体系对环境或环境对体系所作的可逆功。它包括理想功和抵抗大气压力P0所作的无法利用的功P0(V2-V1)。

所以Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页(1)理想功决定于体系的始、终状态和环境的状态，与过程无关；(2)体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对应的理想功；(3)理想功和可逆功并非同一概念，理想功是指可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部，有些情况下可逆功不能利用，如：气缸中活塞向大气做功或大气对活塞做功都不能利用，不能算有用功。结论：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页②流动过程理想功的计算对于稳流过程，热力学第一定律表达式为忽略动能和势能变化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess？结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页若可逆传热稳流过程理想功的定义式和计算式，由于是状态函数，因此稳流过程理想功与途径无关。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess注意⑴式（5-41）忽略了进出口的动能和势能变化。完整的表达式为：⑵体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度T0，而与实际变化途径无关。结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑶要区别可逆轴功与理想功这两个概念。可逆功是系统在一定环境条件下完全可逆的进行状态变化时所做的功。比较两者的定义不难发现，虽然都经历了完全可逆变化，但理想功是可逆的有用功，而可逆功仅指经历变化时所做的功。对绝热过程故对不作轴功的过程故实质上，可逆轴功仅考虑状态变化所作的功，没有考虑体系变化对环境的影响。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页对稳流体系：又损失功由两部分组成：一是由过程的不可逆性而引起的熵增加造成的，二是由过程热损失造成的。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess可逆过程不可逆过程结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑴增大，增大⑵升高，增大⑶可逆过程：

实际过程：结论：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页3）应用举例

P115，例5-6P117，例5-7，5-8解:⑴查过热水蒸汽表，内插求H1、S1：P1=1.57Mpa,T1=757K(484℃)

当P1’=1.5Mpa,T1’=T1,内插求H1’,S1’Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页当,内插内插Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页求终态热力学性质可逆绝热膨胀当对应的饱和蒸汽的熵为所以,状态2为过热蒸汽,查饱和蒸汽表Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页根据热力学第一定律:由P2，H2查表内插得Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页求Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页例4-1：冬天室内外温度分别为25℃和-15℃。欲将298K,0.10133MPa的水变成273K、同压力下的冰，（1）将水放入冰箱；（2）直接放入室外，问哪种方法更合理？（已知0℃冰的熔解焓为334.7kJ/kg）解：忽略压力对液体水的焓和熵的影响。查附录的25℃和0℃水的焓和熵。根据溶解焓变，可以得到0℃冰的焓和熵：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页（1）在室内，环境温度为25℃（2）在室外，环境温度为-15℃当环境温度低于冰点时，理想功为负值，说明当水变为冰时，不仅不需要消耗功，理论上还可以作功，很显然，第二套方案更合理。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页

化工生产中的一切实际过程都是不可逆的！例如，各种传质、传热过程，都存在流体阻力、热阻、扩散阻力等。为了使过程得以进行，必须保持一定的推动力，如传热的温度差、流体流动的压力差、扩散的浓度差等。这样，就使得系统内部产生内摩擦、混合、涡流等扰动现象，使一部分系统分子由有序的机械运动转变为无序的热运动，导致系统内部混乱程度增大，熵产生，总熵增加，因而实际过程不可避免地有损失功。应该注意的是，损失的这部分功本来是可以做功的，但由于实际过程的不可逆而使其无偿地降解为热。所以实际过程必然伴随着能量的降级，因此，在实际生产过程中要尽量减少功的损失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.5.1

有效能的概念4.5.2

有效能的计算4.5.3

理想功与有效能的区别和联系4.5.4

不可逆性和有效能损失4.5

有效能及其计算Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.5.1

有效能的概念1)

能量的分类按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：⑴高(品）质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能；⑵

僵态能量：理论上不能转化为功的能量。如海水、地壳、环境状态下的能量；⑶

低（品）质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和以热量形式传递的能量。结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页2)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B(Ex)表示无效能（）：理论上不能转化为有用功的能量。用D(El)表示火用火无Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页对于稳流体系始态（H、S）→终态（T0、S0、H0）（环境状态）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑵

能量的表达形式对高（品）质能量，由于能量能完全转化为有用功，所以，能量=有效能对僵态能量，由于能量不能转化为有用功，所以，僵态能量=无效能对低（品）质能量，由于能量部分地转化为有用功，所以，能量一分为二：低质能量=有效能+无效能Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页3)注意点⑴有效能和无效能的其它叫法AvailableEnergy,Exergy,Availability,UtilizableEnergy，可用能，资用能⑵功可以看作100%的有效能火用Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.5.2

有效能的计算1）环境和环境状态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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页3）热量的有效能BQ

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。2）物系的有效能物系的有效能一般分为两种情况，一种是物理有效能，另一种是化学有效能。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。⑵化学有效能：物系在环境的T0、P0下，由于组成、结构、浓度等因素与环境不同而具有的有效能。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑴恒温热源热量的有效能有效能总能量无效能因为卡诺循环的热效率为Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑵变温热源热量的有效能当热量传递在变温情况下进行时，我们就需要用下列式子进行计算：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页或用H、S值来计算Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4）压力有效能

由第三章知即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页对理想气体Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页5）稳流物系的有效能B

稳定流动物系的有效能是指稳流物系从任意状态（T，P，H，S）以可逆方式变化到环境状态（T0，P0，H0，S0）时，所能做出的最大有用功。稳流物系从状态1变化到状态2所引起的有效能的变化为Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.5.3

理想功与有效能的区别和联系对稳流体系理想功和有效能的计算式分别为：理想功有效能Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页1）理想功与有效能的区别（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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页2）理想功与有效能的联系对状态1

对状态2有效能变化为H0、S0环境2（H2、S2）1（H1、S1）B2B1WidChapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页若物系对外作功若物系接受功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.5.4

不可逆性和有效能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。下面我们就讨论过程的不可逆性和有效能损失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页2）有效能损失D（El）（1）定义：不可逆过程中有效能的减少量称为有效能损失。（2）计算式：

D（El）

=实际功-理想功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页对于稳流体系，若忽略动能、势能的影响实际功理想功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页又或Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页3）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。高温物体放出热量的有效能为：

低温物体吸收热量的有效能为：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页有效能损失为由此可以看出：传热过程有效能损失是存在的，温差越大，则有效能损失越大。欲使有效能损失减少，需减小温差，因此，实际工业生产中，在满足工艺条件下，要尽量减小温差。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页②稳流体系

对稳流体系，热力学第一定律为：若忽略掉动能和势能，即能量衡算式为Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页对于管道流动，一般情况下，无热交换，无轴功由前知Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑴压力降⑵稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的(3)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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess讨论：结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页③传质过程对于敞开体系，体系与环境既有能量交换，又有质量传递有效能损失为Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess注意：结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页（4）应用举例P123，例5-10自看。例5-11

解：⑴求消耗1Kg水蒸气能蒸发液态烃的量⑵液态烃有效能变化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页液态烃318K气态烃318K饱和蒸汽0.1965MPa冷却水313KT0=293K,3.444MPa,318K下烃ΔHvap=293kJ/kg

ΔSvap=0.921kJ/(kg·K)

T=392.6K查表H气=2706kJ/kg,S气=7.133kJ/(kg·K)饱和水查表H水=167.4kJ/kg,S水=0.572kJ/(kg·K)Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页表明有效能增加⑶水蒸气有效能变化表明1Kg水蒸气供热后冷凝为水，其有效能降低Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页⑷求损失功由此可见，有效能损失的计算，首先要计算出总熵变，总熵变求出来了，有效能损失也就很容易求出。

Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页4.6

有效能衡算及有效能效率1)

有效能平衡①有效能衡算式有效能衡算式，可由热力学第一定律、第二定律推导出来，对于稳流体系

Q↓

状态1（H1，S1）→稳流体系→状态2（H2，S2）

WS↓Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页由热力学第一定律（忽略了动能和势能）（A）由热力学第二定律，分两种情况考虑（a）可逆过程有效能损失为（B）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页（A）-（B），得对这个式子我们进行数学处理，得

即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess结束放映下一页上一页

本章首页ChemicalEngineeringThermodynamics教程首页所以