化工热力学第六章教案

授 课 内 容第六章 流动系统的热力学原理及应用§6-1 引言本章重点介绍稳定流动过程及其热力学原理 1 理论基础热力学第一定律和热力学第二定律 2 任务对化工过程进行热力学分析，包括对化工过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法。

3 能量的级别 1）低级能量理论上不能完全转化为功的能量，如热能、热力学内能、焓等 2）高级能量理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、风能等 3）能量的贬值 4 本章的主要内容1）流动系统的热力学关系式 2）过程的热力学分析 3）动力循环§6-2 热力学第一定律1 封闭系统的热力学第一定律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，可以相互转化或传递，但能量的数量是守恒的2 稳定流动系统的热力学第一定律稳定流动状态：流体流动途径中所有各点的状况都相等，且不随时间而变化，即所有质量和能量的流率均为常数，系统中没有物料和能量的积累。

稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：所以得 U Q W∆=+22u U g z Q W ∆∆++∆=+2211其中流体所做的功S W W p V pV =+-由H U pV=+212SH g z u Q W∆+∆+∆=+微分形式： 若忽略动能和势能变化，则有即为封闭系统的热力学关系式§6-3 热力学第二定律和熵平衡1 热力学第二定律1） Clausius 说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体2）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它变化。

实质：自发过程都是不可逆的 2熵及熵增原理 1）热机效率2）可逆热机效率3）熵的定义 3.1）可逆热温商3.2）熵的微观物理意义系统混乱程度大小的度量 对可逆的绝热过程对可逆的等温过程对封闭系统中进行的任何过程，都有——热力学第二定律的数学表达式4）熵增原理d d d SH g z u u Q W δδ++=+SH Q W ∆=+1W Q η=1212211111Q Q T T T W Q Q T T η--====-2211积分得熵变revrevQ dS TQ S S S Tδδ=∆=-=⎰或rev rev Q S Q T ST∆==∆0S ∆=QdS Tδ≥()000孤立孤立孤立系统，，则或Q dS S δ=≥∆≥若将系统和环境看作一个大系统，即为孤立系统，总熵变ΔS t等于封闭系统熵变ΔS 和环境熵变ΔS 0之和 自发进行的不可逆过程只能向着总熵增大的方向进行，最终趋向平衡态。

此时总熵变达到最大值，即ΔS t=0达到了过程的终点 。

熵增原理为判断过程进行的方向和限度提供了依据。

3 封闭系统的熵平衡热力学第一定律无法计算由于过程不可逆引起的能量贬值的损耗，通过熵平衡关系可以精确衡量过程的能量利用效率 。

熵平衡方程d S g —熵产生。

不可逆过程中， 有序能量耗散为无序热能，并被系统吸收而导致系统熵的增加。

不是系统的性质，与系统的不可逆过程有关。

可逆过程无熵产生 4 稳定流动系统的熵平衡敞开系统的熵平衡方程式为：ΔS f 为熵流，伴随热量流动而产生的相应的熵变化。

可正、可负、可零。

规定流入体系为正，流出体系为负；ΔS g为熵产生该式适用于任何热力学系统对于不同系统可进一步简化：对稳定流动系统()i i im S −−−−→∑物流流入()j j jm S −−−−→∑物流流出敞开系统熵平衡简图00t S S S ∆=∆+∆≥21d d ggQS S TQS S Tδδ=+∆=+∆⎰积分式为()()f g i i j jijS S S m S m S ∆=∆+∆+-∑∑()()()()0f g i i j j ijg j j i i fjiS S S m S m S S m S m S S ∆=∆+∆+-=∆=--∆∑∑∑∑对可逆绝热过程对绝热节流稳流过程，只有单股流体§6-4 理想功、损失功和有效能1 理想功W id ：1）定义系统的状态变化按完全可逆的过程进行时，理论上产生的最大功或者消耗的最小功。

是一个理想的极限值，可作为实际功的比较标准 2）完全可逆：完全可逆是指（1）系统的所有变化是可逆的；（2）系统与环境进行可逆的热交换。

环境通常指大气温度T 0和压力p 0=0.1013MPa 的状态3）稳流过程的理想功若忽略动能和势能变化，得比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度 2 损失功 1）定义：损失功定义为系统在相同的状态变化过程中，实际过程所作的功（产生或消耗）与完全可逆过程所作的理想功之差。

对稳流过程表示为：()()0,若为单股物流等熵过程f g jjiijij iS S m S m S S S ∆=∆===∑∑()000f i j g j iS S m m S m S S ∆=∆===∆=-，，第一定律完全可逆时Srev id id rev H Q W H Q W W Q H∆=+∆=+⇒-=-∆0将代入rev Q T S =∆00或id id W T S H W T S H-=∆-∆=-∆+∆L id SW W W =-0T S H-∆+∆H Q∆-000或L L W T S H H Q T S Q W T S Q=-∆+∆-∆+=-∆+-=∆-损失功由两部分构成：1）由过程不可逆性引起的熵增造成 2）由过程的热损失造成表明损失功与总熵变及环境温度的关系过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功越大。

不可逆过程都是有代价的例1：298K ，0.1013MPa 的水变成273K ，同压力冰的理想功。

273K 冰的熔化焓变为334.7kJ •kg -1H 1=104.897kJ•kg -1， H 2，S 2S 1=0.367kJ•kg -1•K -11）环境温度为25℃时是一个耗功过程，消耗的最小功是35.10kJ•kg -12）环境温度是268K 时是一个做功过程，可提供的最大功是12.69kJ•kg -1理想功的计算与环境温度有关例2：计算损失功298K ，0.1013MPa 的水初态 终态 000000Lt gW T S Q T S T S T S T S -=∆-=∆+∆=∆=∆227311-1220.02334.7334.72kJ.kg 334.721.226kJ.kg .K 273K H H H H S T --=-∆=--=--===-水熔化焓02121-1298()()35.10kJ.kg 0id W T S HS S H H =-∆+∆=--+-=02121-1268()()12.69kJ.kg 0id W T S HS S H H =-∆+∆=--+-=-3 有效能B ：一定状态下的有效能即是系统从该状态变到基态，即达到与环境处于完全平衡状态时此过程的理想功。

对于稳流过程，从状态1变到状态2，过程的理想功为选定基态为（T 0，p 0），系统由任意状态变到基态时稳流系统的有效能B 为：1）物理有效能物理有效能指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量。

化工过程中与热量传递及压力变化有关的过程只考虑物理有效能2）化学有效能处于环境温度、压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡所作的最大功为化学有效能。

因此计算化学有效能需要确定每一元素的环境状态，为简化计算，建立了环境模型。

从系统状态到环境状态需经过化学反应与物理扩散两个过程： ①化学反应将系统物质转化成环境物质（基准物）②物理扩散使系统反应后的物质浓度变化到与环境浓度相同的过程例：计算碳的化学有效能C 的环境状态是CO 2纯气体，达到环境态需经过化学反应C+O 2→ CO 221212S S H H H Q W H Q W H S ∆=-=+⇒=++→()0021L W T S QT S S Q-=∆-=--()()()()1012020000000()()B H T S H T S H T S H T S H H T S S =---=---=---()()002121101202()()id W T S HT S S H H H T S H T S -=∆-∆=---=---000()()B H H T S S =---计算基准取1molO 2的浓度为0.21，因此4 有效能效率和有效能分析 1）有效能效率从状态1 变到状态2，有效能变化为当ΔB<0，减少的有效能全部用于做可逆功，所作的最大功为Wid 当ΔB>0，增加的有效能等于外界消耗的最小功对可逆过程有效能守恒，不可逆过程的有效能不守恒。

有效能的平衡方程为：D =0，可逆 D >0 ，不可逆D <0，不可能自发进行不可逆过程中，有效能的损失等于损失功有效能效率定义为输出的有效能与输入的有效能之比可逆过程 ηB =100% 真实过程 ηB <100% ηB反映了真实过程与理想过程的差别2）有效能的分析计算有效能对有效能衡算，找出有效能损失的部位、大小、原因 例1：比较计算两种余热的有效能000()()B H H T S S =---22200000,C O CO f CO H H H H H H -=+-=-∆220C O CO S S S S S -=+-22ln0.21O O S S R =-()22220000ln0.21C O CO C O COS S S S S S S R S -=+-=+--21210210()()idB B B H H T S S H T SB W ∆=-=---=∆-∆∆=或()()inoutB B D=+∑∑()000t LD T S S T S W =∆+∆=∆=()()out BinB B η=∑∑例2：比较不同蒸气的有效能和放出的热 3.1）防止能量无偿降级 3.2）采用最佳推动力的工艺方案 3.3）合理组织能量梯次利用先用功后用热，使用热能要温位匹配总之，要按需供能，按质用能，建立合理的综合用能体系§6-5 气体的压缩与膨胀过程1 气体的压缩稳流过程压缩的理论轴功计算式s W H Q =∆-()()()111001000110111100051d d ln 1.5710kJ.h T T p p T T p B H H T S S C m C T T T T T m C T T T T -=---⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦⎡⎤=--⎢⎥⎣⎦=⨯⎰⎰()()()2000222200041ln 2.5510kJ.h p B H H T S S T m C T T T T -=---⎡⎤=--⎢⎥⎣⎦=⨯()11110513.110kJ.hp Q m C T T -=-=⨯()22220513.110kJ.h p Q m C T T -=-=⨯可逆过程2 气体的膨胀 1）绝热节流膨胀 Q =0，W S=0由能量方程得ΔH =0，即等焓过程。