化工热力学第一、二定律及工程应用概述
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重要内容
➢敞开系统的热力学第一定律
能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通 常，能量可分为两大类：一类是系统蓄积的能量， 如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函 数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见 有功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关 。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是 由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质 不同且与过程传递方式有关的能量形式。 能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转 化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是 热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。
H U pV p / U V p
则： p gz u2 0
2
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，则：
p
gz
u 2 2
hf
0
第7章 热力学第二定律及其应用
知识点：
➢热力学第二定律的定性表述 ➢敞开系统的熵衡算方程 ➢理想功、损失功和过程的不可逆性 ➢ 熵衡算在化工单元过程分析中的应用
系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生 (或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状 态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大 功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的 极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全 可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可 逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如 传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度 TΘ、压力pΘ =0.1013MPa的状态。
热机：一种产生功并将高温热源的热量传递给
低温热源的一种机械装置。
热效率：热转化为功的效率。
高温热源 TH
S
低温热源 TL
WS Q1 Q2
Q1
Q1
火力发电厂的热效率大约为40%
Carnot循环——可逆过程
Carnot热机效率：
Carnot
WS Q1
1 T2 T1
➢可逆(Reverse)过程——理想化概念 类似于Ideal Gas 和Ideal Solution
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
➢几个基本概念
热源：具有很大热容量的物系。特征是温度T
不变，发生的过程视为可逆过程，如大气、天然 水源。
功源：一种可以接受功或作出功的装置。特征
是只有功的交换，无热量、物质的交换，可设想 为可逆过程。Q 0 Ssur 0 St S功源 0
化工热力学课程第3次辅导
热力学第一、第二定律及其工程应用
含盖教材内容：
} ➢第6章 热力学第一定律及其应用
➢第7章 热力学第一定律及其应用 ➢第8章 蒸汽动力循环与制冷循环
约占教学内容 的35%份量
各章的知识点、重点和难点内容分述如下：
第6章 热力学第一定律及其应用
知识点： ➢敞开系统的热力学第一定律 ➢轴功的计算 ➢气体压缩与膨胀过程热力学分析 ➢ 可逆过程及等熵膨胀
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：
H
u 2 2
gz
Q
WS
假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境
可认为是—个温度为TΘ的恒温热源。根据热力
学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为
Qrev=
TΘΔS
Wid
H
u 2 2
gz
T S
忽略动能和势能变化
Wid H T S
➢损耗功
系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的 实际功与完全可逆过程的理想功之差为损失功。
稳定流动系统
miSi mjS j
i
j
wenku.baidu.com
δQ T
Sg
0
或
Ssys
Sf
Sg
0
绝热节流过程
mi＝mj＝m
Sf
δQ T
0
，只有单股流体，
Sg m S j Si mS
可逆绝热过程 miSi mjS j
i
j
单股流体：Si S j
➢理想功、损失功及热力学效率
理想功(Ideal Work)
➢ 有效能的计算 ➢ 有效能在化工能量分析中的应用及合理用
能准则
重要内容
➢ 热力学第二定律
Clausius说法：热不可能自动从低温物体传给高 温物体。热传导过程的不可逆性—热流方向。
Kelvin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。
功转变为热的不可逆性—循环过程。 熵表述法—熵增原理 孤立系统的熵只能增加，或达到极限时保持不变。 数学描述：St Ssys Ssur 0
系统在过程前后的能量变换ΔE应与系统在该过程 中传递的热量Q与功W相等。
E Q W
Q：系统吸热为正值，放热为负值； W：系统得功为负值正值，对环境做功为。
在闭系非流动过程中的热力学第一定律：
U Q W
稳态流动体系的能量平衡方程
H
u 2 2
gz
Q
Ws
流动功包含在焓中
轴功
使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位
熵变( dSsys )：由系统由于温度、压力变化引 起，dSsys 可通过pVT(x)关系进行计算
可逆传热概念： limT 0 T T0
熵流( dSf )：由于传热过程而引起的熵变可
正、可负或零
dSf
δQ T
熵产( dSg )：系统经历不可逆过程，就有熵
的产生。熵产生仅仅与过程的不可逆程度
联系在一起。 dSg : 0 可逆
0 不可逆
0 不可能
➢敞开系统的通用衡算方程
在dt时间内系统M累计量 =进入系统的M量-流出系统的M量 +系统中产生的M量
dM dM i dM e dM g
dt
i dt
e dt
dt
➢熵平衡方程
Ssur miSi mjS j
i
j
δQ T
Sg
封闭系统
δQ
Ssys T Sg
制，每一项的单位为 J·kg-1。动能和位能的单
位为：
m2 s2
kg m2 kg s2
Nm kg
J kg
➢可逆条件下的轴功
WR
p2 Vdp
p1
对于液体，在积分时一般可将 V当作常数。
V RT p
对于气体怎么办？ 对于理想气体的等温过程
WR
RT
ln
p2 p1
左式只适用于理想气体等温过程
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴 扩压管
透平机
混合装置
节流阀
压缩机
换热装置
喷嘴与扩压管
或 H u2 0
2
H2
H1
u12
2
u22
透平机和压缩机
Ws H
节流阀
H 0
混合器
H 0
换热器
Q H
管路和流体输送
H gz Q Ws
Bernóulli 方程
对于无热、无轴功交换、无摩擦粘性力 的不可压缩流体的稳流过程
➢敞开系统的热力学第一定律
能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通 常，能量可分为两大类：一类是系统蓄积的能量， 如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函 数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见 有功和热量，它们就不是状态函数，而与过程有关 。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是 由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质 不同且与过程传递方式有关的能量形式。 能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转 化或传递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是 热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。
H U pV p / U V p
则： p gz u2 0
2
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，则：
p
gz
u 2 2
hf
0
第7章 热力学第二定律及其应用
知识点：
➢热力学第二定律的定性表述 ➢敞开系统的熵衡算方程 ➢理想功、损失功和过程的不可逆性 ➢ 熵衡算在化工单元过程分析中的应用
系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生 (或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状 态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大 功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的 极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全 可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可 逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如 传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度 TΘ、压力pΘ =0.1013MPa的状态。
热机：一种产生功并将高温热源的热量传递给
低温热源的一种机械装置。
热效率：热转化为功的效率。
高温热源 TH
S
低温热源 TL
WS Q1 Q2
Q1
Q1
火力发电厂的热效率大约为40%
Carnot循环——可逆过程
Carnot热机效率：
Carnot
WS Q1
1 T2 T1
➢可逆(Reverse)过程——理想化概念 类似于Ideal Gas 和Ideal Solution
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
➢几个基本概念
热源：具有很大热容量的物系。特征是温度T
不变，发生的过程视为可逆过程，如大气、天然 水源。
功源：一种可以接受功或作出功的装置。特征
是只有功的交换，无热量、物质的交换，可设想 为可逆过程。Q 0 Ssur 0 St S功源 0
化工热力学课程第3次辅导
热力学第一、第二定律及其工程应用
含盖教材内容：
} ➢第6章 热力学第一定律及其应用
➢第7章 热力学第一定律及其应用 ➢第8章 蒸汽动力循环与制冷循环
约占教学内容 的35%份量
各章的知识点、重点和难点内容分述如下：
第6章 热力学第一定律及其应用
知识点： ➢敞开系统的热力学第一定律 ➢轴功的计算 ➢气体压缩与膨胀过程热力学分析 ➢ 可逆过程及等熵膨胀
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：
H
u 2 2
gz
Q
WS
假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境
可认为是—个温度为TΘ的恒温热源。根据热力
学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为
Qrev=
TΘΔS
Wid
H
u 2 2
gz
T S
忽略动能和势能变化
Wid H T S
➢损耗功
系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的 实际功与完全可逆过程的理想功之差为损失功。
稳定流动系统
miSi mjS j
i
j
wenku.baidu.com
δQ T
Sg
0
或
Ssys
Sf
Sg
0
绝热节流过程
mi＝mj＝m
Sf
δQ T
0
，只有单股流体，
Sg m S j Si mS
可逆绝热过程 miSi mjS j
i
j
单股流体：Si S j
➢理想功、损失功及热力学效率
理想功(Ideal Work)
➢ 有效能的计算 ➢ 有效能在化工能量分析中的应用及合理用
能准则
重要内容
➢ 热力学第二定律
Clausius说法：热不可能自动从低温物体传给高 温物体。热传导过程的不可逆性—热流方向。
Kelvin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。
功转变为热的不可逆性—循环过程。 熵表述法—熵增原理 孤立系统的熵只能增加，或达到极限时保持不变。 数学描述：St Ssys Ssur 0
系统在过程前后的能量变换ΔE应与系统在该过程 中传递的热量Q与功W相等。
E Q W
Q：系统吸热为正值，放热为负值； W：系统得功为负值正值，对环境做功为。
在闭系非流动过程中的热力学第一定律：
U Q W
稳态流动体系的能量平衡方程
H
u 2 2
gz
Q
Ws
流动功包含在焓中
轴功
使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位
熵变( dSsys )：由系统由于温度、压力变化引 起，dSsys 可通过pVT(x)关系进行计算
可逆传热概念： limT 0 T T0
熵流( dSf )：由于传热过程而引起的熵变可
正、可负或零
dSf
δQ T
熵产( dSg )：系统经历不可逆过程，就有熵
的产生。熵产生仅仅与过程的不可逆程度
联系在一起。 dSg : 0 可逆
0 不可逆
0 不可能
➢敞开系统的通用衡算方程
在dt时间内系统M累计量 =进入系统的M量-流出系统的M量 +系统中产生的M量
dM dM i dM e dM g
dt
i dt
e dt
dt
➢熵平衡方程
Ssur miSi mjS j
i
j
δQ T
Sg
封闭系统
δQ
Ssys T Sg
制，每一项的单位为 J·kg-1。动能和位能的单
位为：
m2 s2
kg m2 kg s2
Nm kg
J kg
➢可逆条件下的轴功
WR
p2 Vdp
p1
对于液体，在积分时一般可将 V当作常数。
V RT p
对于气体怎么办？ 对于理想气体的等温过程
WR
RT
ln
p2 p1
左式只适用于理想气体等温过程
一些常见的属于稳流体系的装置
喷嘴 扩压管
透平机
混合装置
节流阀
压缩机
换热装置
喷嘴与扩压管
或 H u2 0
2
H2
H1
u12
2
u22
透平机和压缩机
Ws H
节流阀
H 0
混合器
H 0
换热器
Q H
管路和流体输送
H gz Q Ws
Bernóulli 方程
对于无热、无轴功交换、无摩擦粘性力 的不可压缩流体的稳流过程