化工熱力學(xué)-第五章

1、第五章第五章化工過(guò)程的能量分析化工過(guò)程的能量分析 5.1 5.1 能量平衡方程能量平衡方程 n一一熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)就是能量在數(shù)量上是守恒的熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)就是能量在數(shù)量上是守恒的基本形式為：基本形式為： （體系的能量）體系的能量）（環(huán)境的能量）環(huán)境的能量）0 0或或 （體系的能量）體系的能量）（環(huán)境的能量）環(huán)境的能量）體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。體系的能量的增加等于環(huán)境的能量的減少。 在實(shí)際生產(chǎn)中大都遇到兩種體系，即敞開(kāi)體在實(shí)際生產(chǎn)中大都遇到兩種體系，即敞開(kāi)體系和封閉體系。系和封閉體系。1. 1. 封閉體系：封閉體系： （限定質(zhì)量體系）

2、（限定質(zhì)量體系） 與環(huán)境僅有能量交換，沒(méi)有質(zhì)量交換。與環(huán)境僅有能量交換，沒(méi)有質(zhì)量交換。體系內(nèi)部是固定的。封閉體系是以固定的物體系內(nèi)部是固定的。封閉體系是以固定的物質(zhì)為研究對(duì)象。質(zhì)為研究對(duì)象。2. 2. 敞開(kāi)體系：敞開(kāi)體系： （限定容積體系）（限定容積體系） 與環(huán)境有能量交換，也有質(zhì)量交換。與環(huán)境有能量交換，也有質(zhì)量交換。 二二. .能量平衡方程能量平衡方程 n1.一般形式一般形式 WsQm2 m1 P1 V1 C1 U1P2 V2 C2 U2Z1Z2（1 1）物料平衡方程：根據(jù)上式：得到）物料平衡方程：根據(jù)上式：得到m m1 1-m-m2 2=m=m體系體系（2 2）能量平衡方程）能量平衡方程

3、 進(jìn)入體系的能量離開(kāi)體系的能量進(jìn)入體系的能量離開(kāi)體系的能量= =體系積累的能量體系積累的能量 進(jìn)入體系的能量進(jìn)入體系的能量: : 微元體本身具有的能量微元體本身具有的能量 E1m1 環(huán)境對(duì)微元體所作的流動(dòng)功環(huán)境對(duì)微元體所作的流動(dòng)功 P1V1m1 環(huán)境傳入的熱量環(huán)境傳入的熱量 Q 環(huán)境對(duì)體系所作的軸功環(huán)境對(duì)體系所作的軸功Ws 離開(kāi)體系的能量離開(kāi)體系的能量: : 微元體帶出能量微元體帶出能量E2m2 流體對(duì)環(huán)境所作的流動(dòng)功流體對(duì)環(huán)境所作的流動(dòng)功 P2V2m2 體系積累的能量體系積累的能量 d（mE） 能量恒等式為：能量恒等式為： E E1 1mm1 1+P+P1 1V V1 1mm1 1+Q +W

4、s -E+Q +Ws -E2 2mm2 2-P-P2 2V V2 2mm2 2= =d(mEd(mE) )(A)(A)1 ) 1 ) E E單位質(zhì)量流體的總能量，它包含有熱力學(xué)單位質(zhì)量流體的總能量，它包含有熱力學(xué)能、動(dòng)能和位能。能、動(dòng)能和位能。 注意：注意：gZCUE222) 2) PVPV流動(dòng)功，表示單位質(zhì)量流體對(duì)環(huán)境流動(dòng)功，表示單位質(zhì)量流體對(duì)環(huán)境或環(huán)境對(duì)流體所作的功或環(huán)境對(duì)流體所作的功功力功力* *距離距離P P* *A A* *V/A=PVV/A=PVP P1 1V V1 1輸入流動(dòng)功，環(huán)境對(duì)體系作功輸入流動(dòng)功，環(huán)境對(duì)體系作功P P2 2V V2 2輸出流動(dòng)功，體系對(duì)環(huán)境作功。輸出流動(dòng)功

5、，體系對(duì)環(huán)境作功。 3)3)WsWs單位流體通過(guò)機(jī)器時(shí)所作的軸功單位流體通過(guò)機(jī)器時(shí)所作的軸功 可逆軸功可逆軸功21PPSRVdPW對(duì)于可逆總功對(duì)于可逆總功 WsVPVPPdVWVVR11222111221122VPVPPdVVPVPWWsRd(PV)=d(PV)=PdV+VdPPdV+VdPVdPPdVVPVPPVdVPVP11222211)(積分式積分式? ?VdPVdPPdVPdVWs2.2. 能量平衡方程一般形式能量平衡方程一般形式代入（代入（A A）式，整理，得到式，整理，得到 gZCUE22將將H=U+PV11211)2(mgZCHWsQmgZCH22222)2()2(2gZCUmd

6、(5-9) (5-9) 三三. .能量平衡方程的應(yīng)用能量平衡方程的應(yīng)用 n1.1.封閉體系：無(wú)質(zhì)量交換，限定質(zhì)量體系封閉體系：無(wú)質(zhì)量交換，限定質(zhì)量體系 m1=m2=m m1=m2=dm=0 Q+Ws=mdE 不存在流動(dòng)功不存在流動(dòng)功0)2(2Cd0gZd若若Ws=WQ+Ws=mdU 或或 Q+W=mdU (5-11)(5-11) 積分：積分：Q+W=U 2.2.穩(wěn)定流動(dòng)體系穩(wěn)定流動(dòng)體系 穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，表現(xiàn)在流動(dòng)過(guò)程中體系內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，表現(xiàn)在流動(dòng)過(guò)程中體系內(nèi) (1)(1)每點(diǎn)狀態(tài)不隨時(shí)間變化每點(diǎn)狀態(tài)不隨時(shí)間變化(2)(2)沒(méi)有質(zhì)量和能量的積累沒(méi)有質(zhì)量和能量的積累由式由式(5-9)(5-9)可得

7、到穩(wěn)流體系的一般能量平衡方程可得到穩(wěn)流體系的一般能量平衡方程 (1)(1)一般能量平衡方程一般能量平衡方程 對(duì)穩(wěn)流體系對(duì)穩(wěn)流體系, ,由式由式(5-9)(5-9)得：得： 11211)2(mgZCHWsQmgZCH22222)2(=0m1=m2=dm (H2-H1) m+ (C22-C12) m+g(Z2-Z1) m-Ws-Q=0 21積分：積分：WsQZgCH221（5 51313）3 3）式（）式（5 51313）應(yīng)用條件是穩(wěn)流體系，不受過(guò)程是否）應(yīng)用條件是穩(wěn)流體系，不受過(guò)程是否 可逆以及流體性質(zhì)的影響?？赡嬉约傲黧w性質(zhì)的影響。注意：注意：1).1).單位要一致，且用單位要一致，且用SIS

8、I單位制單位制. . H,Q,Ws H,Q,Ws能量單位，能量單位，J/KgJ/Kg C Cm/sm/s 流量流量G GKg/hKg/h（min.smin.s）2 2）式中式中Q Q和和WsWs為代數(shù)值，即：為代數(shù)值，即：Q Q以體系吸收為正，以體系吸收為正，WsWs 以環(huán)境對(duì)體系作功為正。以環(huán)境對(duì)體系作功為正。（2 2）能量平衡方程的應(yīng)用）能量平衡方程的應(yīng)用n1 1）對(duì)化工機(jī)器：如膨脹機(jī)，壓縮機(jī)等）對(duì)化工機(jī)器：如膨脹機(jī)，壓縮機(jī)等。n流體的動(dòng)能，位能變化量與體系焓值的變化量相比較，流體的動(dòng)能，位能變化量與體系焓值的變化量相比較，或者與流體與環(huán)境交換的熱和功相比較，大都可以忽或者與流體與環(huán)境交換

9、的熱和功相比較，大都可以忽略。也即略。也即（516）WsQH0212C0Zg2 2）對(duì)化工設(shè)備類(lèi)：如反應(yīng)器，熱交）對(duì)化工設(shè)備類(lèi)：如反應(yīng)器，熱交換器，傳質(zhì)閥門(mén)，管道等換器，傳質(zhì)閥門(mén)，管道等0Zg0212CQH 且且Ws=0（5 51717）這個(gè)式子的物理意義表現(xiàn)在：體系狀態(tài)變化，如發(fā)生這個(gè)式子的物理意義表現(xiàn)在：體系狀態(tài)變化，如發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相變化，溫度變化時(shí)，與環(huán)境交換的熱量化學(xué)反應(yīng)，相變化，溫度變化時(shí)，與環(huán)境交換的熱量（反應(yīng)熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。（反應(yīng)熱，相變熱，顯熱）等于體系的焓差。 體系狀態(tài)變化，如體系狀態(tài)變化，如化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 相變化相變化 溫度變化溫度變化 反應(yīng)熱反應(yīng)熱

10、相變熱相變熱 顯熱顯熱Q Q H3)3)對(duì)化工機(jī)器的絕熱過(guò)程對(duì)化工機(jī)器的絕熱過(guò)程 當(dāng)體系在絕熱情況下，與環(huán)境進(jìn)行功的交換時(shí)，當(dāng)體系在絕熱情況下，與環(huán)境進(jìn)行功的交換時(shí)，0Zg0212CQ=0 WsH 此式說(shuō)明了在絕熱情況下，當(dāng)動(dòng)能和位能的此式說(shuō)明了在絕熱情況下，當(dāng)動(dòng)能和位能的變化相對(duì)很小時(shí)，體系與環(huán)境交換的功量等變化相對(duì)很小時(shí)，體系與環(huán)境交換的功量等于體系焓的減少于體系焓的減少 4)4)對(duì)噴嘴對(duì)噴嘴n對(duì)于這種裝置對(duì)于這種裝置，Ws=0， gZ0 水平放水平放 gZ=0垂直放垂直放 gZ0 流體通過(guò)噴嘴速度很快來(lái)不及換熱，可視為絕熱過(guò)程，流體通過(guò)噴嘴速度很快來(lái)不及換熱，可視為絕熱過(guò)程， Q=0 2

11、21CH)(212221CCH2122CHC2121)(2CHH3.3.應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例nP108 P108 例例5-15-15-25-2自看自看5.25.2功熱間的轉(zhuǎn)換功熱間的轉(zhuǎn)換 （熱力學(xué)第二定律）（熱力學(xué)第二定律） n物化知：物化知：St00 不可逆不可逆= =可逆可逆一一. .基本概念基本概念 才可進(jìn)行的過(guò)程才可進(jìn)行的過(guò)程 自發(fā)過(guò)程：不消耗功自發(fā)過(guò)程：不消耗功非自發(fā)過(guò)程：消耗功非自發(fā)過(guò)程：消耗功 00 3030 冰冰 冬天冬天 東北氣溫東北氣溫 -30 -30 自發(fā)自發(fā), ,具有產(chǎn)功能力具有產(chǎn)功能力 如如 夏天夏天 鄭州氣溫鄭州氣溫3030-30-30 非自發(fā)非自發(fā)水水水水冰冰n可逆過(guò)

12、程：可逆過(guò)程：n沒(méi)有摩擦，推動(dòng)力無(wú)限小沒(méi)有摩擦，推動(dòng)力無(wú)限小, 過(guò)程進(jìn)行無(wú)限慢過(guò)程進(jìn)行無(wú)限慢;n體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學(xué)平衡體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學(xué)平衡;n對(duì)產(chǎn)功的可逆過(guò)程，其產(chǎn)功最大，對(duì)耗功的可逆過(guò)程，其耗對(duì)產(chǎn)功的可逆過(guò)程，其產(chǎn)功最大，對(duì)耗功的可逆過(guò)程，其耗功最小功最小;n逆向進(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡。逆向進(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡。n（也即沒(méi)有功熱得失及狀態(tài)變化）（也即沒(méi)有功熱得失及狀態(tài)變化） n不可逆過(guò)程：不可逆過(guò)程：n有摩擦，過(guò)程進(jìn)行有一定速度有摩擦，過(guò)程進(jìn)行有一定速度; ;n體系內(nèi)部不均勻（有擾動(dòng)，渦流等現(xiàn)象）體系內(nèi)部不均勻（有擾動(dòng)，渦流等現(xiàn)象）

13、; ;n逆向進(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡逆向進(jìn)行時(shí)，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡; ;n如果與相同始終態(tài)的可逆過(guò)程相比較，產(chǎn)功小于可逆過(guò)程，如果與相同始終態(tài)的可逆過(guò)程相比較，產(chǎn)功小于可逆過(guò)程，耗功大于可逆過(guò)程。耗功大于可逆過(guò)程。 自發(fā)、非自發(fā)和可逆、非可逆之間的區(qū)別？自發(fā)、非自發(fā)和可逆、非可逆之間的區(qū)別？n自發(fā)與非自發(fā)過(guò)程決定于體系的始、終態(tài)自發(fā)與非自發(fā)過(guò)程決定于體系的始、終態(tài)與環(huán)境狀態(tài)；與環(huán)境狀態(tài)；n可逆與非可逆過(guò)程是（考慮）過(guò)程完成的可逆與非可逆過(guò)程是（考慮）過(guò)程完成的方式，與狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系。方式，與狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系。 可逆過(guò)程可逆過(guò)程是一個(gè)是一個(gè)理想過(guò)程理想過(guò)程，實(shí)際過(guò)程實(shí)際過(guò)程都是都是不

14、可逆不可逆的。的。 可逆過(guò)程具有過(guò)程進(jìn)行的任一瞬間體系都處于熱力學(xué)可逆過(guò)程具有過(guò)程進(jìn)行的任一瞬間體系都處于熱力學(xué)平衡態(tài)的特征，因次，平衡態(tài)的特征，因次，體系的狀態(tài)可以用狀態(tài)參數(shù)來(lái)體系的狀態(tài)可以用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述。描述。 PdVWRTdSQRVdPWSR二二. .熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度 n1.熱量傳遞的方向和限度熱量傳遞的方向和限度高溫高溫低溫低溫自發(fā)自發(fā) 非自發(fā)非自發(fā) 限度：限度：t=0 t=0 2.2.熱功轉(zhuǎn)化的方向熱功轉(zhuǎn)化的方向 功功熱熱 100% 不可逆不可逆可逆可逆可逆)Q()TT-T()(HHLHLHHLHQQQQQ對(duì)不可逆過(guò)程：對(duì)不可逆過(guò)程： 對(duì)

15、可逆過(guò)程：對(duì)可逆過(guò)程： TQdS可逆TQdS不可逆熱力學(xué)第二定律的數(shù)熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式學(xué)表達(dá)式： TQdS 不可逆不可逆= =可逆可逆注意：注意：n熵狀態(tài)函數(shù)。只要初，終態(tài)相同，熵狀態(tài)函數(shù)。只要初，終態(tài)相同，不可逆可逆SS對(duì)于不可逆過(guò)程應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)可逆過(guò)程，利用對(duì)于不可逆過(guò)程應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)可逆過(guò)程，利用可逆過(guò)程的熱溫熵積分進(jìn)行熵變計(jì)算可逆過(guò)程的熱溫熵積分進(jìn)行熵變計(jì)算. . 熵增原理熵增原理 對(duì)于孤立體系（或絕熱體系）對(duì)于孤立體系（或絕熱體系）OQ TQdS0dS0tS這個(gè)式子說(shuō)明了這個(gè)式子說(shuō)明了由由 熵增原理表達(dá)式。熵增原理表達(dá)式。0 00 不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程0tS=0 =0 可逆過(guò)程可逆

16、過(guò)程結(jié)論：結(jié)論： 自然界的一切自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程都是熵增大的過(guò)程；自然界的一切自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程都是熵增大的過(guò)程；oStoStsyssurStSS 同時(shí)滿足熱一律，熱二律的過(guò)程，實(shí)際當(dāng)中才能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)滿足熱一律，熱二律的過(guò)程，實(shí)際當(dāng)中才能實(shí)現(xiàn)，違背其中任一定律，其過(guò)程就不可能實(shí)現(xiàn)。違背其中任一定律，其過(guò)程就不可能實(shí)現(xiàn)?？傡刈?yōu)榭傡刈優(yōu)樽园l(fā)進(jìn)行的限度自發(fā)進(jìn)行的限度自發(fā)進(jìn)行的方向自發(fā)進(jìn)行的方向 四熵變的計(jì)算四熵變的計(jì)算n1.1.可逆過(guò)程的熱溫熵計(jì)算可逆過(guò)程的熱溫熵計(jì)算 TQTQdSR可據(jù)熱一律據(jù)熱一律SdHQWRSRdHQW可逆過(guò)程可逆過(guò)程同除同除 T T 得：得： SRRWQdHTTTTWTdHTQdS

17、SRR又又 VdPWSR對(duì)理想氣體對(duì)理想氣體: : dHdH= =nCnCp pdTdT PnRTV dPdTndSpPnRTC1212lnlnPPnRTTnCSp?相變化熵變相變化熵變 QH VVTHS相變化的熵變相變化的熵變相變化皆屬于可逆過(guò)程，相變化皆屬于可逆過(guò)程，并且相變化的熱量，據(jù)能量平衡方程知：并且相變化的熱量，據(jù)能量平衡方程知：. .環(huán)境熵變環(huán)境熵變 熱力學(xué)環(huán)境：一般指周?chē)笞匀唬梢暈楹銣責(zé)嵩矗崃W(xué)環(huán)境：一般指周?chē)笞匀唬梢暈楹銣責(zé)嵩矗﹔00syssusurQQSTT 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 n P111P112 (例53，54) 自看 5 53 3 熵平衡和熵產(chǎn)生熵平衡和熵產(chǎn)生

18、 n熵平衡方程熵平衡方程 將容量性質(zhì)衡算通式用于熵，得將容量性質(zhì)衡算通式用于熵，得: :i入Si出S產(chǎn)生S積累S= =- -+ + T T 限制表面上熱流通過(guò)處的溫度限制表面上熱流通過(guò)處的溫度, , T T 代表始態(tài)溫度代表始態(tài)溫度, , T T 代表終態(tài)溫度代表終態(tài)溫度物料物料熱量熱量 TTTQ S S 單位質(zhì)量物料的熵；單位質(zhì)量物料的熵； 熵?cái)y帶者熵?cái)y帶者功與熵變化無(wú)關(guān)，功不攜帶熵功與熵變化無(wú)關(guān)，功不攜帶熵。物料攜帶的熵物料攜帶的熵 = = mSmS熱流攜帶的熵?zé)崃鲾y帶的熵 = =式中式中: : m m 物料的質(zhì)量；物料的質(zhì)量；是代數(shù)值，是代數(shù)值，以體系收入者為正，體系支出者為負(fù)以體系收入

19、者為正，體系支出者為負(fù)于是于是: :入S入)(iism 11TTTQ 22TTTQ出S出)(iism 33TTTQ熵平衡方程為熵平衡方程為: :體系S入（)iism TTTQ產(chǎn)生S出)(iism將此整理將此整理, ,得得: :體系S)(iism TTTQ產(chǎn)生S(5-33)(5-33)熵平衡方程熵平衡方程注意：注意：iism TTTQ2.2.熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生 體系S)(iism TTTQ產(chǎn)生S上式中：上式中： 體系的總熵變；體系的總熵變； 因物流流進(jìn)，流出限定容積而引起的熵變化；因物流流進(jìn)，流出限定容積而引起的熵變化； 因熱流流進(jìn)因熱流流進(jìn), ,流出限定容積而引起的熵變化；流出限定容積而引起的熵變化

20、； 因體系的內(nèi)在原因引起的熵變化，與環(huán)境無(wú)關(guān)，因體系的內(nèi)在原因引起的熵變化，與環(huán)境無(wú)關(guān)，屬于內(nèi)因熵變。屬于內(nèi)因熵變。引起熵產(chǎn)生的內(nèi)在原因?qū)嶋H上是由于體系內(nèi)部不可逆性而引起熵產(chǎn)生的內(nèi)在原因?qū)嶋H上是由于體系內(nèi)部不可逆性而引起的熵變化。這可以用孤立體系的熵平衡方程來(lái)證實(shí)。引起的熵變化。這可以用孤立體系的熵平衡方程來(lái)證實(shí)。 對(duì)孤立體系：因與環(huán)境沒(méi)有質(zhì)量交換，也沒(méi)有能量交換對(duì)孤立體系：因與環(huán)境沒(méi)有質(zhì)量交換，也沒(méi)有能量交換 0iism0 TTTQ0S入0S 出代入熵平衡方程中代入熵平衡方程中 產(chǎn)S體系S孤S= = =由熱二律知由熱二律知: : 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 0S孤0S 產(chǎn)不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程 0S孤0

21、S 產(chǎn)結(jié)論：結(jié)論：n熵產(chǎn)生可以用作判斷過(guò)程方向的準(zhǔn)則熵產(chǎn)生可以用作判斷過(guò)程方向的準(zhǔn)則 0 0 0 時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程不可逆或自發(fā)；時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程不可逆或自發(fā)；=0 =0 時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程可逆或平衡；時(shí)，體系內(nèi)部的過(guò)程可逆或平衡；3. 3. 熵平衡方程的特殊形式熵平衡方程的特殊形式 絕熱過(guò)程絕熱過(guò)程 0TQ)(iism產(chǎn)生S體系S可逆過(guò)程可逆過(guò)程0產(chǎn)生S)(iismTQ體系S= = + +穩(wěn)流過(guò)程穩(wěn)流過(guò)程0體系S)(iismTQ產(chǎn)生S=0=0+ + +封閉體系封閉體系0)(iismTQ產(chǎn)生S體系S= = + +4. 4. 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 ( (例例 5-5) 5-5)自看自看n如如: :

22、 有一人聲稱(chēng)發(fā)明了一臺(tái)穩(wěn)流裝置，將有一人聲稱(chēng)發(fā)明了一臺(tái)穩(wěn)流裝置，將1 1KgKg溫度為溫度為373373K K的飽和蒸汽通過(guò)此裝置時(shí)，的飽和蒸汽通過(guò)此裝置時(shí)，能向溫度為能向溫度為450450K K的高溫?zé)釒?kù)輸送的高溫?zé)釒?kù)輸送18601860KJKJ的的熱量，同時(shí)自身冷卻為熱量，同時(shí)自身冷卻為0.10.1MPaMPa（1atm1atm），），273K273K的冷凝水。用于冷卻蒸汽的天然水的的冷凝水。用于冷卻蒸汽的天然水的溫度為溫度為273273K K。問(wèn)此裝置是否可行問(wèn)此裝置是否可行? ? 高溫?zé)釒?kù)高溫?zé)釒?kù)450450K Kq q1=1=1860kJ1860kJ飽和蒸汽飽和蒸汽穩(wěn)流裝置穩(wěn)流裝置h

23、 h1 1=2680KJ/Kg=2680KJ/Kg冷卻水冷卻水273273K Kh h2 2=0=0水水1kg 1atm ,273K1kg 1atm ,273Kq q0 0s s2 2=0=01 1kg kg ，373k373ks s1 1=7.37KJ/Kg.K=7.37KJ/Kg.K0S產(chǎn)生出入SS0001121產(chǎn)生STqTqss0121101860 8200 7.370.233 0450273qqSssTT產(chǎn) 生解：過(guò)程示意如圖解：過(guò)程示意如圖查得各物質(zhì)的焓和熵一并標(biāo)記在圖中。查得各物質(zhì)的焓和熵一并標(biāo)記在圖中。以以1 1KgKg飽和蒸汽為計(jì)算基準(zhǔn)：飽和蒸汽為計(jì)算基準(zhǔn)：能量衡算：能量衡算：

24、 h h1 1 = h = h2 2 +q+q1 1 + q + q0 0q q0 0 =h =h1 1 -h -h2 2 -q-q1 1 =2680-0-1860=820KJ/Kg =2680-0-1860=820KJ/Kg飽和飽和水水熵衡算：熵衡算：穩(wěn)流過(guò)程穩(wěn)流過(guò)程過(guò)程不自發(fā)，亦即不可能過(guò)程不自發(fā)，亦即不可能 5.4 5.4 理想功和損失功理想功和損失功 n損失功法：損失功法： 是以是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，與，與理想功進(jìn)行比較，用熱效率評(píng)價(jià)。理想功進(jìn)行比較，用熱效率評(píng)價(jià)。n有效能分析法：有效能分析法： 將將熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律第二定律結(jié)

25、合起來(lái)，對(duì)化工過(guò)程每一股物料結(jié)合起來(lái)，對(duì)化工過(guò)程每一股物料進(jìn)行分析，是用有效能效率評(píng)價(jià)。進(jìn)行分析，是用有效能效率評(píng)價(jià)。 目前進(jìn)行化工過(guò)程熱力學(xué)分析的方法大致有目前進(jìn)行化工過(guò)程熱力學(xué)分析的方法大致有兩種兩種：一一. . 理想功理想功1.1. 定義：定義： 體系以可逆方式完成一定的狀態(tài)變化，理體系以可逆方式完成一定的狀態(tài)變化，理論上可對(duì)外做的最大功論上可對(duì)外做的最大功( (對(duì)產(chǎn)功過(guò)程對(duì)產(chǎn)功過(guò)程) )，或者理論上必須，或者理論上必須獲得外部的最小功獲得外部的最小功( (消耗過(guò)程消耗過(guò)程) )，稱(chēng)為理想功。，稱(chēng)為理想功。WmaxWmax ( (WminWmin) )體系以狀態(tài)體系以狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2

26、 2完全可逆完全可逆要注意要注意: : 完全可逆完全可逆狀態(tài)變化可逆；狀態(tài)變化可逆；傳熱可逆?zhèn)鳠峥赡? (物系與環(huán)境物系與環(huán)境) )理想功的計(jì)算式理想功的計(jì)算式 n（）非流動(dòng)體系理想功的計(jì)算式（）非流動(dòng)體系理想功的計(jì)算式若過(guò)程可逆若過(guò)程可逆 0sursystSSSsursysSS由熱一律：由熱一律：U=Q+WW=U-Q0TQSsurSTSTSTQsyssur000021021RWUTSUUTSS (5-38)結(jié)論：結(jié)論：體系發(fā)生狀態(tài)變化的每一個(gè)實(shí)際過(guò)程都有其體系發(fā)生狀態(tài)變化的每一個(gè)實(shí)際過(guò)程都有其對(duì)應(yīng)的理想功。對(duì)應(yīng)的理想功。理想功決定于體系的始、終態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，理想功決定于體系的始、終態(tài)和環(huán)境狀

27、態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)；與過(guò)程無(wú)關(guān)；（2）流動(dòng)過(guò)程理想功的計(jì)算式）流動(dòng)過(guò)程理想功的計(jì)算式對(duì)于穩(wěn)流過(guò)程，熱一律表達(dá)式為：對(duì)于穩(wěn)流過(guò)程，熱一律表達(dá)式為： SWQZgCH221忽略動(dòng)，勢(shì)能變化忽略動(dòng)，勢(shì)能變化SWQH若可逆若可逆 STQ0STHWid0(5-41) (5-41) 穩(wěn)流過(guò)程理想功穩(wěn)流過(guò)程理想功 注意點(diǎn)：注意點(diǎn)： 式（式（5-415-41）忽略了進(jìn)出口的動(dòng)能，勢(shì)能的變化。完整的）忽略了進(jìn)出口的動(dòng)能，勢(shì)能的變化。完整的表達(dá)式為：表達(dá)式為：體系經(jīng)歷一個(gè)穩(wěn)流過(guò)程，狀態(tài)發(fā)生變化，即可計(jì)算其體系經(jīng)歷一個(gè)穩(wěn)流過(guò)程，狀態(tài)發(fā)生變化，即可計(jì)算其理想功，理想功的值決定于體系的始、終態(tài)與環(huán)境溫度，理想功，理想功的值決

28、定于體系的始、終態(tài)與環(huán)境溫度，而與實(shí)際變化途徑無(wú)關(guān)。而與實(shí)際變化途徑無(wú)關(guān)。要區(qū)別可逆軸功與理想功這兩個(gè)概念要區(qū)別可逆軸功與理想功這兩個(gè)概念對(duì)絕熱過(guò)程對(duì)絕熱過(guò)程對(duì)不做軸功的過(guò)程對(duì)不做軸功的過(guò)程ZgCSTHWid2021cSRidWWW0CW0SRWSRidWWcidWW 二損失功二損失功WL n定義：體系完成相同狀態(tài)變化時(shí)，實(shí)際功和定義：體系完成相同狀態(tài)變化時(shí)，實(shí)際功和理想功的差值理想功的差值n數(shù)學(xué)式：數(shù)學(xué)式： idacLWWW對(duì)穩(wěn)流體系對(duì)穩(wěn)流體系 0idWTSH HQWWSac00LWH QH T S T S Q (5-43)(5-43)0surQ T S 000LsyssurtWT ST S

29、T S (5-44(5-44a)a)結(jié)論：結(jié)論： tSLW0TLW0tS0LW0tS0LWacidWW1idacWWacidWW 1acidWW（1 1）（2 2）（3 3）可逆過(guò)程）可逆過(guò)程有關(guān)有關(guān)與與有關(guān)有關(guān)與與實(shí)際過(guò)程實(shí)際過(guò)程對(duì)產(chǎn)功過(guò)程：對(duì)產(chǎn)功過(guò)程：對(duì)耗功過(guò)程：對(duì)耗功過(guò)程： 三三 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例n（P P117117-P-P118118 例例 5-7 5-7 ）自看）自看例例5-8 1.575-8 1.57MPMPa a, , 757K757K的過(guò)熱水蒸汽推動(dòng)透平機(jī)作的過(guò)熱水蒸汽推動(dòng)透平機(jī)作功，并在功，并在0.0687 0.0687 MPMPa a下排出。此透平機(jī)既不絕熱也下排出。此透

30、平機(jī)既不絕熱也不可逆，輸出的軸功相當(dāng)于可逆絕熱膨脹功的不可逆，輸出的軸功相當(dāng)于可逆絕熱膨脹功的8585。由于隔熱不好，每千克的蒸汽有由于隔熱不好，每千克的蒸汽有7.127.12KJKJ的熱量散失的熱量散失于于293293的環(huán)境。求此過(guò)程的理想功，損失功及熱力的環(huán)境。求此過(guò)程的理想功，損失功及熱力學(xué)效率。學(xué)效率。 分析分析 求：求： idWLW解：解：1 1查過(guò)熱水蒸汽表查過(guò)熱水蒸汽表, , 內(nèi)標(biāo)計(jì)算內(nèi)標(biāo)計(jì)算H1，S1MPaP57.11CKT01484757當(dāng)當(dāng) MPaP5 . 1111TT 1H1S4404845 .33421H4405005 .33421 .34734405003940. 7

31、5698. 74404843940. 71SKgKJH/3 .34381KKgKJS./5229. 71MPaP0 . 2 11 1TT 1H 1S當(dāng)當(dāng)4405005 .33356 .34674404845 .3335 1H4405002540. 75434. 74404842540. 7 1SKgKJH/4 .3432 1KKgKJS./4662. 7 1當(dāng)當(dāng)MPaP57. 11CKT014847575 . 10 . 25 . 157. 11 11HHHH5 . 10 . 25 . 157. 11 111SSSS故故 H H1 1=3437.5KJ/Kg =3437.5KJ/Kg S S1

32、1=7.5150KJ/Kg.K =7.5150KJ/Kg.K 2 2 求終態(tài)熱力學(xué)性質(zhì)求終態(tài)熱力學(xué)性質(zhì)可逆絕熱膨脹可逆絕熱膨脹 aMPP0678. 02S S1 1=S=S22S S1 1=S=S22=7.5150 KJ/Kg.K =7.5150 KJ/Kg.K 當(dāng)當(dāng)P2=0.0678MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽S Sg g為為 6 . 07 . 05320. 74797. 76 . 0678. 05320. 7gS gSS2S Sg g=7.4912 KJ/Kg.K=7.4912 KJ/Kg.K所以狀態(tài)所以狀態(tài)為過(guò)熱蒸汽為過(guò)熱蒸汽二者相比較，已逼近飽和蒸汽，查飽和水蒸汽表二者相

33、比較，已逼近飽和蒸汽，查飽和水蒸汽表 6 . 07 . 026530 .26606 . 0678. 026532HH2=2658.46 KJ 212658.5 3437.5779/SRWHHHKJ Kg0.85662.15/SSRWWKJ Kg據(jù)熱力學(xué)第一定律：據(jù)熱力學(xué)第一定律：SWQHKgKJWQHHS/23.276815.66212. 75 .343712由由P P2 2, ,H H2 2查表內(nèi)標(biāo)查表內(nèi)標(biāo) 得得 S S2 2=7.7551 KJ/Kg.K =7.7551 KJ/Kg.K 3 3 求求 idWLWHSTWid0= -70.3493+（-669.27）= -739.62 KJ/

34、Kg -293(7.7551-7.5150)+(2768.23-3437.5)練習(xí)練習(xí)tLSTW0KT2930012TQSSSSSsursyst 12. 75150. 77551. 7293120QSSTWL=77.47 KJ/Kg 10.895389.53%acidLLidididWWWWWWW 如果拿同樣重量的如果拿同樣重量的24K金子和金子和18K金子相比較，問(wèn)你哪個(gè)更金子相比較，問(wèn)你哪個(gè)更有價(jià)值，你肯定能很快回答。其價(jià)值不同是因?yàn)楹鹆康挠袃r(jià)值，你肯定能很快回答。其價(jià)值不同是因?yàn)楹鹆康牟顒e。但對(duì)于能量來(lái)說(shuō)，同樣數(shù)量的熱和功，哪個(gè)利用價(jià)差別。但對(duì)于能量來(lái)說(shuō)，同樣數(shù)量的熱和功，哪個(gè)利用價(jià)

35、值更高一些？同是值更高一些？同是1000kg的飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽哪個(gè)作功的飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽哪個(gè)作功能力更大？本節(jié)通過(guò)引入能級(jí)和有效能的概念來(lái)回答這個(gè)能力更大？本節(jié)通過(guò)引入能級(jí)和有效能的概念來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。能量不僅在數(shù)量上具有守恒性，在質(zhì)量上還具有品問(wèn)題。能量不僅在數(shù)量上具有守恒性，在質(zhì)量上還具有品位性，而且在轉(zhuǎn)換與傳遞工程中具有貶值性。例如對(duì)位性，而且在轉(zhuǎn)換與傳遞工程中具有貶值性。例如對(duì)1kJ的的熱和熱和1kJ的功，從熱力學(xué)第一定律看，它們的數(shù)量是相等的，的功，從熱力學(xué)第一定律看，它們的數(shù)量是相等的，但從熱力學(xué)第二定律考察，它們的質(zhì)量即作功能力是不相但從熱力學(xué)第二定律考察，它們的質(zhì)量即作功能

36、力是不相當(dāng)?shù)?，功的質(zhì)量（品位）高于熱當(dāng)?shù)?，功的質(zhì)量（品位）高于熱 5.55.5 有效能及其計(jì)算有效能及其計(jì)算n一、一、 有效能的概念有效能的概念n1.1. 能量的分類(lèi)能量的分類(lèi)n按能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，可以把能量分為三類(lèi)：按能量轉(zhuǎn)化為有用功的多少，可以把能量分為三類(lèi)：n高質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。高質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如電能、機(jī)械能。如電能、機(jī)械能。n僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量（如海水、僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量（如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量）。地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量）。n低質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如熱量低質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用

37、功的能量。如熱量和以熱量形式傳遞的能量。和以熱量形式傳遞的能量。 2.2. 有效能有效能n定義：一定形式的能量，可逆變化到給定定義：一定形式的能量，可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，理論上所能作出的最大有環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，理論上所能作出的最大有用功。用功。n無(wú)效能：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。無(wú)效能：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。n能量的表達(dá)形式能量的表達(dá)形式n對(duì)高質(zhì)能量對(duì)高質(zhì)能量 能量有效能能量有效能n對(duì)僵態(tài)能量對(duì)僵態(tài)能量 僵態(tài)能量無(wú)效能僵態(tài)能量無(wú)效能n對(duì)低質(zhì)能量對(duì)低質(zhì)能量 低質(zhì)能量有效能無(wú)效能低質(zhì)能量有效能無(wú)效能 注意點(diǎn)注意點(diǎn)n有效能有效能“火用火用”、“可用能可用能”、“有用有用能能”、

38、“資用能資用能”n無(wú)效能無(wú)效能“火無(wú)火無(wú)”、“無(wú)用能無(wú)用能”n功功可看作可看作100100的有效能的有效能二二. .有效能的計(jì)算有效能的計(jì)算 n1.1. 環(huán)境和環(huán)境狀態(tài)環(huán)境和環(huán)境狀態(tài)n環(huán)境：一般指恒環(huán)境：一般指恒T T、P P、x x下，龐大靜止體系。如下，龐大靜止體系。如大氣、海洋、地殼等大氣、海洋、地殼等n環(huán)境狀態(tài)：熱力學(xué)物系與環(huán)境完全處于平衡時(shí)的環(huán)境狀態(tài)：熱力學(xué)物系與環(huán)境完全處于平衡時(shí)的狀態(tài)，稱(chēng)之。常用狀態(tài)，稱(chēng)之。常用0 0、0 0、0 0、0 0等表示。等表示。n2.2. 物系的有效能物系的有效能n物理有效能：物系由于、與環(huán)境不同所具有物理有效能：物系由于、與環(huán)境不同所具有的有效能。的

39、有效能。n化學(xué)有效能：物系在環(huán)境的化學(xué)有效能：物系在環(huán)境的0 0、0 0下，由于組下，由于組成與環(huán)境不同所具有的有效能。成與環(huán)境不同所具有的有效能。3.3.熱量的有效能熱量的有效能Q Q卡諾循環(huán)熱效率卡諾循環(huán)熱效率 TTQTTQQBQ0011QWcCTTTTQQQ01212111定義：傳遞的熱量，在給定的環(huán)境條件下，以可逆定義：傳遞的熱量，在給定的環(huán)境條件下，以可逆 方式所能做出的最大有用功。方式所能做出的最大有用功。計(jì)算式計(jì)算式恒溫?zé)嵩礋崃康挠行芎銣責(zé)嵩礋崃康挠行埽? 54949）無(wú)效能無(wú)效能BQ=WC 變溫?zé)嵩吹挠行茏儨責(zé)嵩吹挠行?1 (平TTQBoQ1212TTlnT-T平T或用

40、或用H H、S S值計(jì)算：值計(jì)算：Q Q=T=T0 0S-H S-H 0TpTHC dT0TTpTCSdT 00TTpQTCBTdT0TpTC dT00TTpTCTdT 0TpTC dT0TpTC dT00TTpTCTdT00(1)TTpTTC dT(5(550) 50) 4.4.壓力有效能壓力有效能 0() TPTpPVHVTdP0 () TPpPVSdP00 () TPPpPVBTdP0() TPpPVVTdPBp=ToS-H由第三章知由第三章知00()() TPpPVVTTdPPRPTV（5 55252）對(duì)理想氣體對(duì)理想氣體: :0000lnpppPPRTdppRTTpRTB5.5.穩(wěn)流

41、物系的有效能穩(wěn)流物系的有效能n定義：穩(wěn)流物系從任一狀態(tài)定義：穩(wěn)流物系從任一狀態(tài)i i（、）、）以可逆方式變化到環(huán)境狀態(tài)（以可逆方式變化到環(huán)境狀態(tài)（T TO O、P P0 0、H H0 0、S S0 0）時(shí)，時(shí)，所能作出的最大有用功。所能作出的最大有用功。nB Bi iT T0 0(S(S0 0-S-Si i)-(H)-(H0 0-H-Hi i) )n穩(wěn)流物系從狀態(tài)穩(wěn)流物系從狀態(tài)1 1到狀態(tài)到狀態(tài)2 2所引起的有效能變化為：所引起的有效能變化為：nBBB B2 2-B-B1 1=T=T0 0(S(S1 1-S-S2 2)-(H)-(H1 1-H-H2 2)= H-T)= H-T0 0S S 三、

42、理想功與有效能的區(qū)別與聯(lián)系三、理想功與有效能的區(qū)別與聯(lián)系理想功：理想功：Wid=H -T0S=(H2-H1)-T0(S2-S1)n有效能：有效能：B=T0(S0-S)-(H0-H)n有效能與理想功的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面有效能與理想功的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面n終態(tài)不一定相同終態(tài)不一定相同W Widid: :終態(tài)不定終態(tài)不定 B :B :終態(tài)一定（為環(huán)境狀態(tài)）終態(tài)一定（為環(huán)境狀態(tài)）研究對(duì)象不同研究對(duì)象不同nW Widid：是對(duì)兩個(gè)狀態(tài)而言，與環(huán)境無(wú)關(guān)，可正可負(fù)。是對(duì)兩個(gè)狀態(tài)而言，與環(huán)境無(wú)關(guān)，可正可負(fù)。nB B：是對(duì)某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。是對(duì)某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關(guān)，只為正值。 2.

43、2.聯(lián)系聯(lián)系nB1T0(S0-S1)-(H0-H1)nB2T0(S0-S2)-(H0-H2)n有效能變化有效能變化nBB2-B1=H-T0S=Wid若若B0B0，W Widid0 0B0，W Widid0 0 物系接受功，物系接受功， B= B= W Widid 四、不可逆性和有效能損失四、不可逆性和有效能損失n1.1.不可逆性不可逆性n熱力學(xué)第二定律認(rèn)為自然界中一切過(guò)程都是熱力學(xué)第二定律認(rèn)為自然界中一切過(guò)程都是具有方向性和不可逆性的。具有方向性和不可逆性的。n當(dāng)當(dāng)StSt（SS產(chǎn)生產(chǎn)生）0 0 不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程 = =可逆過(guò)程可逆過(guò)程有效能的方向和不可逆性有效能的方向和不可逆性表現(xiàn)在：表

44、現(xiàn)在：當(dāng)過(guò)程是當(dāng)過(guò)程是可逆時(shí)可逆時(shí)，有效能，有效能不會(huì)向不會(huì)向無(wú)效能轉(zhuǎn)化，有無(wú)效能轉(zhuǎn)化，有效能的總量保持不變。效能的總量保持不變。當(dāng)過(guò)程是當(dāng)過(guò)程是不可逆時(shí)不可逆時(shí)，有效能，有效能向向無(wú)效能轉(zhuǎn)變，使有無(wú)效能轉(zhuǎn)變，使有效能的總量減少。效能的總量減少。 2.2.有效能損失有效能損失( (E EL L) ) n2.2.有效能損失有效能損失( (E EL L) )n定義：不可逆過(guò)程中有效能的減少量，稱(chēng)之。定義：不可逆過(guò)程中有效能的減少量，稱(chēng)之。n計(jì)算式：計(jì)算式：D D理想功實(shí)際功理想功實(shí)際功n對(duì)于穩(wěn)流體系：若忽略動(dòng)能、勢(shì)能的影響對(duì)于穩(wěn)流體系：若忽略動(dòng)能、勢(shì)能的影響 實(shí)際功實(shí)際功 Ws=Q-H 理想功理想

45、功 WidT0S-Hn DT0S-H-QHT0S-Q D=T0Ssys+T0Ssur=T0St 或或 D=T0S產(chǎn)生產(chǎn)生又又Ssur=-Q/T0-Q=T0Ssur典型過(guò)程有效能損失典型過(guò)程有效能損失 n傳熱過(guò)程傳熱過(guò)程n對(duì)高溫物系放出的熱量的有效能為：對(duì)高溫物系放出的熱量的有效能為： B BQ Q，H HQ Q（1 1T T0 0/T/TH H）n對(duì)低溫物系吸收的熱量的有效能為：對(duì)低溫物系吸收的熱量的有效能為： B BQ Q，L LQ Q（1-T1-T0 0/T/TL L） 有效能損失有效能損失 D=BD=BQ Q，H H-B-BQ Q，L L= = )()1TT1 (000H0HLLTTTT

46、QTTQLHLH0TTT-TQT結(jié)論結(jié)論：)傳熱過(guò)程有效能損失是存在的。傳熱過(guò)程有效能損失是存在的。)T TH H-T-TC C差值增大，差值增大，D D增大增大 dSdSt t=-=-VdPVdP dSdSt t=(-V/=(-V/T)dPT)dP由前知由前知= =ToSToSt t dDdD=T=T0 0dSdSt t= T= T0 0 (-V/T) (-V/T) dpdp結(jié)論：結(jié)論：) ) D PD P壓力降壓力降) ) 穩(wěn)流過(guò)程的有效能損失是由于阻力引起的。穩(wěn)流過(guò)程的有效能損失是由于阻力引起的。 穩(wěn)流體系穩(wěn)流體系對(duì)穩(wěn)流體系，若忽略掉動(dòng)能和勢(shì)能對(duì)穩(wěn)流體系，若忽略掉動(dòng)能和勢(shì)能HHQ+WsQ

47、+Ws對(duì)管道流動(dòng)，一般情況下，對(duì)管道流動(dòng)，一般情況下，Q Q0 0（無(wú)熱交換）無(wú)熱交換） WsWs0 0（無(wú)軸功）無(wú)軸功）dHdH=0=0HH0 0dHdH= =TdS+VdPTdS+VdPiNidnnsdT-T)(ii1iNidnnsdT)(ii1傳質(zhì)過(guò)程傳質(zhì)過(guò)程若若T T=T=T=T=T式中：式中：i i i i組在組在 相中的化學(xué)位相中的化學(xué)位、相相把兩相看作一個(gè)孤立體系，則把兩相看作一個(gè)孤立體系，則d(ns)d(ns)孤孤= =d(ns)d(ns)t t有效能損失：有效能損失：D=T0d(ns)t=-T0iNidnTii1注意點(diǎn)：注意點(diǎn)：有效能損失在任何不可逆過(guò)程都是存在的；有效能損失

48、在任何不可逆過(guò)程都是存在的； 有效能損失的大小與過(guò)程的推動(dòng)力有關(guān)，有效能損失的大小與過(guò)程的推動(dòng)力有關(guān)， D D推動(dòng)力。即推動(dòng)力大，推動(dòng)力。即推動(dòng)力大，D D大。大。 3.3.應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例nP123P123124124例例 5 510105 51111例例 5 51010自看自看nP124P124例例5 51111如圖如圖5 51111所示，裂解氣在中冷塔中分離，塔所示，裂解氣在中冷塔中分離，塔的操作壓力為的操作壓力為3.4443.444MPMP，液態(tài)烴（由液態(tài)烴（由C2C2、C3C3、C4C4等組成）由塔底等組成）由塔底進(jìn)入再沸器，其溫度為進(jìn)入再沸器，其溫度為318318K K；經(jīng)經(jīng)0.1

49、9650.1965MPMP的飽和蒸汽加熱蒸發(fā)回的飽和蒸汽加熱蒸發(fā)回到塔內(nèi)。已知再沸器中冷凝水為到塔內(nèi)。已知再沸器中冷凝水為313313K K，大氣溫度大氣溫度0 0為為293293K K，液態(tài)液態(tài)烴在烴在318318K K，3.444MP3.444MP下氣化熱為下氣化熱為293293kJ/kgkJ/kg。汽化熵為汽化熵為0.9210.921kJ/(kg.K)kJ/(kg.K)。求算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效能變化及求算加熱前后液態(tài)烴，水蒸氣的有效能變化及損失功。損失功。 T0=293K,3.444MP,318K下下 烴烴 Hv=293kJ/kg Sv=0.921kJ/(kg.K) T=392

50、.6K查表查表H氣氣=2706kJ/kg,S氣氣=7.133kJ/(kg.K)飽和水飽和水 查表查表H水水=167.4kJ/kg, S水水=0.572kJ/(kg.K) 解：解：求消耗求消耗1 1kgkg水蒸氣能蒸發(fā)液烴的量水蒸氣能蒸發(fā)液烴的量m mmHvmHv=H=H水氣水氣- -H H水水（熱量衡算）（熱量衡算）m=( Hm=( H水氣水氣- -H H水水)/)/HvHv=(2706-167.4)/293=8.66kg=(2706-167.4)/293=8.66kg烴烴液態(tài)烴有效能變化液態(tài)烴有效能變化BB烴烴B B前前= =m To(Sm To(S0 0-S-S1 1)-(H)-(H0 0

51、-H-H1 1)B B后后= =m To(Sm To(S0 0-S-S2 2)-(H)-(H0 0-H-H2 2)BB烴烴= =B B后后- -B B前前= =m (m (HvHv- - ToSvToSv)=8.66(293-293)=8.66(293-293* *0.921)=201kJ0.921)=201kJBB烴烴0,0,表明有效能增加。表明有效能增加。 000()()SSBTHH氣氣氣000()()SSBTHH水水水00()()SSSBBBHTHHT 水水氣水氣水氣0B水水蒸氣有效能變化水蒸氣有效能變化=(167.4-2706)-293(0.572-7.133)= -616=(167.

52、4-2706)-293(0.572-7.133)= -616KJKJ表明表明1 1kgkg水蒸氣換熱后冷凝為水水蒸氣換熱后冷凝為水, ,其有效其有效能能降低降低. 00()293( )LtvmWSSSSSSTT 烴水水氣KJ415)1337.7572.0(921.066.82930tDTSLDW 求求D D4.64.6有效能的衡算及有效能效率有效能的衡算及有效能效率n有效能的守恒與否應(yīng)與過(guò)程的可逆性有關(guān)，過(guò)有效能的守恒與否應(yīng)與過(guò)程的可逆性有關(guān)，過(guò)程是可逆的，沒(méi)有有效能的損失，有效能是守程是可逆的，沒(méi)有有效能的損失，有效能是守恒的。不可逆過(guò)程總是使有效能減少而無(wú)效能恒的。不可逆過(guò)程總是使有效能減

53、少而無(wú)效能增加，在建立有效能衡算式時(shí)，應(yīng)附加一項(xiàng)有增加，在建立有效能衡算式時(shí)，應(yīng)附加一項(xiàng)有效能損失作為有效能的輸出項(xiàng)。效能損失作為有效能的輸出項(xiàng)。開(kāi)系穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能平衡方程式應(yīng)為：開(kāi)系穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能平衡方程式應(yīng)為：輸入的有效能輸出的有效能有效能損失輸入的有效能輸出的有效能有效能損失n1.1. 有效能衡算式有效能衡算式n 有效能衡算式有效能衡算式, ,可由熱力學(xué)第一律可由熱力學(xué)第一律, ,熱力學(xué)第二熱力學(xué)第二律推導(dǎo)出來(lái)律推導(dǎo)出來(lái)穩(wěn)流體系穩(wěn)流體系狀態(tài)狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2 2 H H1 1,S,S1 1H H2 2,S,S2 2 QWs孤立體系孤立體系一一.有效能平衡有效能平衡由熱力學(xué)第二定律：

54、由熱力學(xué)第二定律： 分兩種情況考慮分兩種情況考慮 SWQHS12WQHH由熱力學(xué)第一定律由熱力學(xué)第一定律( (忽略了動(dòng)能忽略了動(dòng)能, ,勢(shì)能勢(shì)能) )( ( A)A)(1) (1) 可逆過(guò)程可逆過(guò)程 0tsyssurSSS 00tD T S有效能損失有效能損失 SSSsys12TSQsurQ0021()0QQSSTTT0021()QQSSTTT( (B)B) 210021()()sQQQSSWHHTTT 020100200101sQTHHHHTSSTSSQWT由式由式( (A)-A)-式式( (B), B), 得得: :進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得：進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得：輸入體系有效能輸入體系有效能 = =

55、輸出體系有效能輸出體系有效能 00020010201()() ()()(1)sQTQSSSSWTHHTHHTBBBBWQ12BB 21QWBBBBDBB(2) (2) 不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程由于有效能損失總是存在的，并且有效能損失總是大由于有效能損失總是存在的，并且有效能損失總是大于零，于零，D0D0。0tsyssurSSS 輸入體系有效能輸入體系有效能 = = 輸出體系有效能輸出體系有效能 + + 有效能損失有效能損失2結(jié)論：結(jié)論：n能量衡算是以熱一律為基礎(chǔ)，有效能衡能量衡算是以熱一律為基礎(chǔ)，有效能衡算是以熱一、二定律為基礎(chǔ)；算是以熱一、二定律為基礎(chǔ)；n能量守恒，但有效能不一定守恒?？赡婺芰渴?/p>

56、恒，但有效能不一定守恒?？赡孢^(guò)程有效能守恒，不可逆過(guò)程有效能總是減過(guò)程有效能守恒，不可逆過(guò)程有效能總是減少的；少的；n能量衡算反映了能量的利用情況，而有能量衡算反映了能量的利用情況，而有效能衡算可反映能量的質(zhì)量、數(shù)量的利用情效能衡算可反映能量的質(zhì)量、數(shù)量的利用情況；況；nD的計(jì)算方法：有兩種：的計(jì)算方法：有兩種：BBDSTDto二二. .有效能效率有效能效率 B總有效能效率總有效能效率( (總火用效率總火用效率) ) 目的有效能效率目的有效能效率( (目的目的火用火用效率效率) ) 1 1定義：對(duì)于一個(gè)設(shè)備或過(guò)程，收益的有效能與提供給它定義：對(duì)于一個(gè)設(shè)備或過(guò)程，收益的有效能與提供給它 的有效能

57、的比值的有效能的比值。 及能流的有效能之和進(jìn)入過(guò)程或設(shè)備各物流及能流的有效能之和離開(kāi)過(guò)程或設(shè)備各物流BBB DBBDBBBDB1n有效能效率反映了有效能的利用有效能效率反映了有效能的利用率，是衡量過(guò)程熱力學(xué)完善性的率，是衡量過(guò)程熱力學(xué)完善性的量度，其實(shí)質(zhì)是反映了真實(shí)過(guò)程量度，其實(shí)質(zhì)是反映了真實(shí)過(guò)程和理想過(guò)程的差距和理想過(guò)程的差距 2.2.目的火用效率目的火用效率 )(/EXB)()(/失去獲得BBB 對(duì)一切過(guò)程（不論過(guò)程本身產(chǎn)功，還是耗對(duì)一切過(guò)程（不論過(guò)程本身產(chǎn)功，還是耗功）功）10B1B1BB3. 3. 結(jié)論：結(jié)論：有效能效率在任何情況下均小于有效能效率在任何情況下均小于1 1，大于零，大于

58、零若若D=0D=0，則則說(shuō)明過(guò)程為完全可逆過(guò)程說(shuō)明過(guò)程為完全可逆過(guò)程若若D0D0，則則說(shuō)明過(guò)程為不可逆過(guò)程說(shuō)明過(guò)程為不可逆過(guò)程 偏離偏離1 1的程度的程度，D,D,過(guò)程的不可逆程度就愈大過(guò)程的不可逆程度就愈大該過(guò)程才能進(jìn)行。該過(guò)程才能進(jìn)行。只有只有BB 三有效能分析法步驟三有效能分析法步驟對(duì)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析，一般分為四步，書(shū)對(duì)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析，一般分為四步，書(shū)P127P127頁(yè)頁(yè)步驟：步驟：n（1 1）根據(jù)需要確定被研究的物系；）根據(jù)需要確定被研究的物系；n（2 2）確定輸入及輸出各物流，能流的工藝狀況及）確定輸入及輸出各物流，能流的工藝狀況及熱力學(xué)函數(shù)；熱力學(xué)函數(shù)；n(3) (3

59、) 計(jì)算各物流，能流的有效能；計(jì)算各物流，能流的有效能；n(4)(4)對(duì)體系進(jìn)行有效能衡算，求出有效能損失和有對(duì)體系進(jìn)行有效能衡算，求出有效能損失和有效能效率。效能效率。四應(yīng)用舉例四應(yīng)用舉例nP128-133P128-133，例例5 51313，5 51515自看自看 nP128 P128 例例5 514 14 氨廠的高壓蒸汽系統(tǒng)，每小時(shí)產(chǎn)生氨廠的高壓蒸汽系統(tǒng)，每小時(shí)產(chǎn)生3.5 3.5 t t的中壓的中壓冷凝水。如通過(guò)急速閃蒸，由于壓力驟然下降，可產(chǎn)生低壓蒸汽。冷凝水。如通過(guò)急速閃蒸，由于壓力驟然下降，可產(chǎn)生低壓蒸汽。現(xiàn)有兩種回收方案，方案現(xiàn)有兩種回收方案，方案A A是將中壓冷凝水先預(yù)熱鍋爐給

60、水，然后是將中壓冷凝水先預(yù)熱鍋爐給水，然后在閃蒸中產(chǎn)生較少量的低壓蒸汽，鍋爐給水流量為在閃蒸中產(chǎn)生較少量的低壓蒸汽，鍋爐給水流量為3.53.5t/h,t/h,預(yù)熱前預(yù)熱前后溫度分別為后溫度分別為2020，8080。方案。方案B B是通過(guò)閃蒸氣產(chǎn)生較多的蒸汽，是通過(guò)閃蒸氣產(chǎn)生較多的蒸汽，中壓冷凝水為中壓冷凝水為1.9081.908Mpa,210,Mpa,210,在閃蒸氣中激速降壓至在閃蒸氣中激速降壓至0.47560.4756MpaMpa, ,以產(chǎn)生以產(chǎn)生0.47560.4756MpaMpa 的低壓蒸汽與冷凝水的低壓蒸汽與冷凝水. .n如忽略過(guò)程的熱損失如忽略過(guò)程的熱損失, ,環(huán)境的溫度為環(huán)境的溫