化工热力学第六章共61页PPT资料

另外，热总是从高温自动地传至低温，并可以利用这一过程 通过热机对外做功，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阐明能量传递和能量 转化过程中有关传递方向、转化条件和限度问题，这些问 题与能量利用密切相关，是热力学第二定律所要研究的。
一、基本概念
（1）自发过程 不消耗功即可进行的过程。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的过程。比如， ➢ 低位的水向高位输送，必须用泵
无法避免；相反，在压缩过程中，接受大气所给的功是很 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Leabharlann 的Wid为：Wid= WR + p0∆V =(U2-U1)- T0(S2-S1) + p0∆V 结论：
① Wid决定于体系的始末态和环境状态(T0, p0)，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）可逆过程
I.没有摩擦，推动力无限小，过程进行缓慢；
II.体系内部均一一致，处于热力学平衡；
III.对产功的可逆过程，其产功最大，对耗功的可逆过程，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 热得失和状态变化）。
（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.若相同始末态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗
2.理想功的计算
（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)
在飞轮上做的可利用的功 Wid WR 体系对抗大气压所做的膨胀功-p0∆V，无法加以利用，但又
定义：体系完成相同状态变化时，实际功与理想功的差值。
WL=Wac-Wid
稳流体系： Wac=WS=∆H-Q
Wid=∆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
Note：
理想功和可逆功的区别： ①二者并非同一概念； ②理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部； ③所假设的可逆过程必须以实际过程为原型来拟定。
二、损失功
体系完成一定的状态变化，只有在完全可逆的情况下进行， 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的，因此，产功应小于理想 功，耗功应大于理想功。
二、功热转换与能量传递的方向和限度
（1）热量传递的方向和限度
自发
高温 非自发 低温
（2）功热转化的方向
100%自发
功 100%非自发 热
热是无序能量，功是有序能量； 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
（3）热功转化的限度——卡诺循环
卡诺循环是由四个可逆过程完成的一个工作循环，可以最大 限度地将工质从高温热源吸收的热量转化为功。
（3）可逆等温压缩。工质将剩余热量QL可逆地传给温度为 TL的低温热源，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。
卡诺循环的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的热量QH转化为净功WC
的比率。
卡诺循环为稳定流动体系，其动能、位能变化可忽略不计， 由其能量平衡方程
(2)稳态流动过程
由大所热多以力情学况H第下一，Q定g律Wz可S知0：， 12 uH 2 0gz1 2u2QW S
过程完全可逆，即：Q=QR=T0∆S 稳流过程的有用功就是轴功 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的Wid。
∆H=Q+ WC
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，了解了有关化工过程的能量平 衡方程及能量之间的转化方向及限度。如何利用这些知识 来指导能量的合理利用，包括对化工生产过程中能量的传 递、转化和损失情况，并揭示能量消耗的多少，原因与部 位，为改进化工过程，提高能量利用率指出方向。进行化 工过程热力学分析的方法大致有两种：①损失功法；②有 效能法。
3.功热间的转化
化工生产过程离不开能量的传递和能量之间的转化，根据能 量平衡原理，各种形式的能量可以等量地相互完全转化， 只要总能量守恒，别无其他任何限制。仅从热力学第一定 律，热和功并无本质差别，可以无条件等当量转化。但通 过对热机的研究和改进，证实热转化为功是有条件的，转 化效率也是有一定限度的。实践认为功可以全部转化为热。
卡诺循环由三部分组成：热机、高温热源（恒TH）、低温热 源（恒TL ），热机的工质从高温热源TH吸收热量，部分 转化为功，其余排至低温热源TL 。
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 ，并通过热机对外 做功WC。 2 →3
一、理想功Wid
1.定义 在一定的环境条件下，体系的状态变化按完全可逆的方式进
行时，理论上可产生的最大功或消耗的最小功，是理想的 极限值，用来做实际功的比较标准的。 “完全可逆”是指： ①体系内所有的变化过程都是可逆的（化学变化，相变化， 膨胀，压缩等都是在可逆条件下进行的，过程推动力无限 小）； ②体系与环境之间的能量交换也是可逆的（环境指周围的大 气，由于其热容量大，可视为恒温热源）。
功大于可逆过程。
（5）区别
I.自发与非自发过程决定物系的始态、终态与环境状态；
II.可逆与不可逆过程与体系的始末态无关，只是过程进行的 一种方式。
可逆过程是一个理想过程，实际过程都是不可逆的。但 由于可逆过程产功最大，耗功最小，可作为实际过程比较 的标准，体现能量利用可达到的最高效率。故可逆过程的 研究至关重要。