第六章 化工过程的能量分析6[1].5
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第6章 化工过程热力学分析 ppt课件
6.1.3 不可逆过程的损耗功WL
实际过程都是不可逆的，实际功必定小于理想功，理想功 与实际功之差称为损耗功
过程热力学分析中应用极广
Gouy-Stodola）公式，在化工
6.2 化工单元过程的热力学分析
1 流体流动过程 2 传热过程 3 分离过程 4 化学反应过程
6.2.1 流体流动过程
根据热力学基本原理也可证明，和外界无热、功交换但有 压力降的流动过程必定有功损耗。可得流动过程的损耗功为：
6.3.2 两种损失和两种效率
6.3.2.1 两种损失 笼统地说能量损失非但违反热力学第一定律，而且无意义。 所谓能量损失，通常指通过各种途径由系统排到环境中去的未能 利用的能量。 ▉的损失可分成两部分。一部分称为内部损失，是由系统内 部各种不可逆因素造成的损失。 6.3.2.2 两种效率——第一定律效率与第二定律效率 （１）第一定律效率 。 （２）第二定律效率 。
6.4.2 非平衡热力学分析法简介
（２）不可逆过程的熵产率及昂萨格倒易关系
（３）非平衡热力学分析法及其应用举例 非平衡热力学分析法就是以非平衡热力学原理特别是熵产定 律来计算和分析过程的力和流以及由此产生的熵产率的大小，详 细揭示造成能量损耗的原因、部位和机制，并将之与具体过程设 备的结构和操作方式进行关联，以有效指导过程流程改进、操作 方式升级、节能设备的开发和设计等。
6.3.3 三种常规的热力学分析法汇总
6.3.3.1 能量衡算法 能量衡算法是通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量 与能量利用率 。基于热力学第一定律的普遍适用性，可由此 求出许多有用的结果，如设备的散热损失、理论热负荷、可回 收的余热量和电力损失的发热量等。 6.3.3.2 熵分析法 熵分析法是通过计算不可逆过程熵产生量，确定过程的 损失和热力学效率。具体地说是以热力学第一定律与第二定律 为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损耗功，求出过 程热力学效率 。
化工热力学第六章化工过程能量分析
6.2.1.1 熵增原理与过程不可逆性
封闭系统热力学第二定律表达式
孤立系统： Q 0
dS Q
T
则：
dSt 0
——熵增原理
若将系统和环境看作一个大系统，则：
由 St (Ssys Ssur ) 0 可知：
即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。
1.有热量传递不做功
功源
两个热源之间热传递过程如下图所示：
过程不做功， WS 0 ，则有 H 0
因此
Mh m1h1 m2h2
可求得混合后空气的温度
T3
m1C
T id
p1
m2C
T id
p2
MC
pmh
m1T1 m2T2 M
10500 5300 433.3K
15
对于绝热稳流过程，由式(6-18)可得
Sg m js j 出 misi 入 Ms3 m1s1 m2s2
由热力学第一定律可得： H Q WS (R) 0
由热力学第二定律：
WS(R) QH QL
可逆过程： (S sys S sur ) 0
循环过程： S sys 0
则：
Ssur S高温源 S低温源
可逆：
S高温源
QH TH
S 低温源
QL TL
S sur
QH TH
QL TL
0
则： QL TL
图6-3 敞开系统熵平衡示意图
系统熵积累速率
dSopsys
dt
可以写成：
与环境热量交换引起的熵变
dS opsys dt
S
f
S g
i
mi si
in
j
mjsj
out
第6章-化工过程的能量分析
2. 稳定稳流定动流化动学化反应学过反程应的过理程想理功想功的计算
某化学反应，理想功为正，向外供能；理想功 为负值，耗能。
标 准 终 态 下 理 想 功 计 算式
Wid H T0S
H 为 标 准 反 应 热
H＝
p
H
f
p
R
H
f
R
p
R
2023/11/2
标 准 状 态 下 化 学 反 应 的熵 变
2023/11/2
WL与T0/T成正比关系，流体温度越低， WL越大。 节流过程是流动过程的特例。为了减少功 损耗要避免节流过程。 气体的体积大于液体的体积，WL与体积成 正比，因此，气体节流的WL大于液体的WL。 对此，应避免节流过程。
2023/11/2
均相物系的分离，如气体混合物和液体混合 物的分离，常见的有精馏、吸收、萃取、蒸发、 结晶、吸附等过程。
S
p
S
p
R
S
R
p
R
标 准 状 态 下 ， 恒 温T0
G H T0S
2023/11/2
Wid H T0S G
Wid G
R
Gf
R
p Gf p
R
p
3. 不可逆过2程、的不损可耗逆功过程的损耗功WL
WL Wid Ws 恒质量流体为计算基准
Wid T0Ssys hsys Ws Q hsys Wid Ws T0Ssys Q
6.2 化工单元过程的热力学分析
传热过程 流体流动过程 分离过程 化学反应过程
2023/11/2
1. 传热过程的不可逆损耗功来自热的温差。
换 热 器 高 温 流 体 给 出QH， 低 温 时 得 到QL , 且 QH QL Q 则传热过程的热损耗为
8. 第六章 化工过程的能量分析
2）稳态流动体系：
d (mE)体系 u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
m1 m2 m
稳定流动体系没有 物质及能量的积累
m1 m2 dm
d (mE)体系 0
u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 0 1m1 ２ 2 2 单位质量稳流体系的能量方程：
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。
不是状态函数
当能量以热和功的形式传入体系后， 增加的是内能。
a. 内能
U=f(T,P, x)
系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外， 全部能量的总和。
分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平 动、转动和振动。 分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分 子间存在相互间的距离。 分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原 子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一 定能量。
④阀门的节流
H
u 2
2
gZ Q Ws
将流体通过阀门前后所发生的状态变化。 ——节流过程 throttling process ∵ △Ek=0；△Ep=0 ；Ws=0；Q=0
∴ △H =0
H1=H2
理想气体通过节流阀温度不变
混合设备
混合两种或多种 流体是很常见的。
混合器
混合设备
H u 2
2 dH udu gdZ Q W
dH dU pdV Vdp
gZ Q Ws
H U pV
dU Q pdV
Vdp udu gdZ WS
第6章-化工过程能量分析
第6章 化工过程能量分析重点难点：能量平衡方程、熵平衡方程及应用，理想功和损失功的计算，有效能的概念及计算，典型化工单元过程的有效能损失。
1) 能量平衡方程、熵平衡方程及应用(1) 能量平衡方程及其应用根据热力学第一定律：体系总能量的变化率＝能量进入体系的速率-能量离开体系的速率可得普遍化的能量平衡方程：t V p W Q gZ u H m gZ u U m t kk k k d d 22d d s 12sy st 2-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑= 式中左边项代表体系能量的变化，右边项第一项表示质量流带入、带出的能量，后三项表示体系与环境热和功的交换量。
注意：式中H 为单位质量的焓，u 2/2为单位质量的动能，gZ 为单位质量的位能，内能、动能和位能(g =9.81m/s 2)之和为单位质量流体的总能量E ：gZ u U E E U E p k ++=++=221 符号规定：进入体系的质量流率m k 为正，体系吸热Q 为正，环境对体系做功W 为正(体系得功为正)。
上式适用于任何过程，不受过程是否可逆或流体性质的影响。
要对一个过程进行能量分析或能量衡算，应该根据过程的特点，正确分析能量平衡方程式中的各个项，化简能平式，关键是要会分析题意特点，能平式中各项的含义要明白。
① 对封闭体系：忽略动、位能的变化，则能平式变为W Q U δδd +=积分，可得 W Q U +=Δ此即为封闭体系热力学第一定律的数学表达式。
② 稳态流动体系(简称稳流体系)稳态流动过程是指物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等，体系中任一点的热力学性质都不随时间变化，体系没有物质和能量的积累。
因此，稳流体系的特点：体系中任一点的热力学性质都不随时间而变；体系没有物质及能量的积累。
对一个敞开体系，以过程的设备为体系，即为稳流体系。
其能平式可化为 02s 12=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑=W Q gZ u H m k kk k 把上式中第一项进、出分开，即得：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q m gZ u H m gZ u H 单位质量的稳流体系的能量方程式：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q gZ u H gZ u H s 2ΔΔ21ΔW Q Z g u H +=++ 式中∆H 。
矿大(北京)化工热力学06第六章(3-28)
2
泵 水
例：现利用功率为
2.0kW的泵将95℃、流
量为3.5kg·S-1的热水从
低位贮水槽抽出，经过
热交换器以698kJ ·S-1
的速率冷却，送入高出
15m的高位贮水槽，试
求高位贮水槽的水温。
H
u 2
如：钢瓶充气或排气的过程
6.1.2 能量平衡方程
“物化”中我们已经讨论了封闭体系的能量平衡
方程，形式为：
△U = Q +W
体积膨胀功
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。
WR
V2 V1
pdV
能量通常有以下几种（储存能和传递能）
(1) 内能U
系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外， 全部能量的总和。
(3) 重力势能Ep 物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系 就具有势能EK =mgz 。
(4) 热Q 由于温差而引起的能量传递叫做热。规定物系得到热时Q 为正值，物系向环境放热时Q 为负值。
(5) 功W 除热Q 之外的能量传递均叫做功。物系得到功作用，记为正 值；而物系向环境做功，记为负值。
⑴ E —单位质量流体的总能量，它包含有内能、动 能和位能。
EUE kEpUu 2 2gZ
⑵ pV — 流动功，表示单位质量流体对环境或环境对 流体所作的功。
W流 =力×距离= pA dl = pV
如：W1
p1 A1
V1 A1
p1V1
p1V1—输入流动功，环境对体系做功
p2V2—输出流动功，体系对环境做功
1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2
H1 H l 1 x H g x
泵 水
例：现利用功率为
2.0kW的泵将95℃、流
量为3.5kg·S-1的热水从
低位贮水槽抽出，经过
热交换器以698kJ ·S-1
的速率冷却，送入高出
15m的高位贮水槽，试
求高位贮水槽的水温。
H
u 2
如：钢瓶充气或排气的过程
6.1.2 能量平衡方程
“物化”中我们已经讨论了封闭体系的能量平衡
方程，形式为：
△U = Q +W
体积膨胀功
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。
WR
V2 V1
pdV
能量通常有以下几种（储存能和传递能）
(1) 内能U
系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外， 全部能量的总和。
(3) 重力势能Ep 物质具有质量m，并且与势能基准面的垂直距离为z，物系 就具有势能EK =mgz 。
(4) 热Q 由于温差而引起的能量传递叫做热。规定物系得到热时Q 为正值，物系向环境放热时Q 为负值。
(5) 功W 除热Q 之外的能量传递均叫做功。物系得到功作用，记为正 值；而物系向环境做功，记为负值。
⑴ E —单位质量流体的总能量，它包含有内能、动 能和位能。
EUE kEpUu 2 2gZ
⑵ pV — 流动功，表示单位质量流体对环境或环境对 流体所作的功。
W流 =力×距离= pA dl = pV
如：W1
p1 A1
V1 A1
p1V1
p1V1—输入流动功，环境对体系做功
p2V2—输出流动功，体系对环境做功
1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2
H1 H l 1 x H g x
第六章化工过程能量分析
2
得：
H1
u12 2源自gz1m1
H2
u22 2
gz2
m2
Q
Ws
不受流体属性的限制，也不受其过 程的限制。在实际过程中，能量平衡
d
m
U
u2 2
gz
方程可以进行适当简化，下面我们就
具体讨论能量平衡方程的应用。
第六章 化工过程能量分析
化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、 合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从 最原始的意义上来说，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。 本章目的：学习能量分析的原理和方法
1
第六章 化工过程能量分析
6.1 能量平衡方程
8
三、能量平衡方程的应用
封闭体系：无质量交换，限定质量体系
m1=m2=m δm1=δm2=dm=0
Q
Ws
d
m U
u2 2
gz
又
d
u2 2
0
d gZ 0
不存在流动功： WS = W
Q W mdU
自发的过程是不可逆的
自发与非自发过程决定于物系的始、终态与环境状态； 可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没 有关系。
自发过程：不消耗功
才可进行的过程
非自发过程：消耗功
19
二、热功转化和热量传递的方向和限度
1.热量传递的方向和限度
高温
自发
得：
H1
u12 2源自gz1m1
H2
u22 2
gz2
m2
Q
Ws
不受流体属性的限制，也不受其过 程的限制。在实际过程中，能量平衡
d
m
U
u2 2
gz
方程可以进行适当简化，下面我们就
具体讨论能量平衡方程的应用。
第六章 化工过程能量分析
化工过程需要消耗大量能量，提高能量利用率、 合理地使用能量已成为人们共同关心的问题。从 最原始的意义上来说，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。 本章目的：学习能量分析的原理和方法
1
第六章 化工过程能量分析
6.1 能量平衡方程
8
三、能量平衡方程的应用
封闭体系：无质量交换，限定质量体系
m1=m2=m δm1=δm2=dm=0
Q
Ws
d
m U
u2 2
gz
又
d
u2 2
0
d gZ 0
不存在流动功： WS = W
Q W mdU
自发的过程是不可逆的
自发与非自发过程决定于物系的始、终态与环境状态； 可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没 有关系。
自发过程：不消耗功
才可进行的过程
非自发过程：消耗功
19
二、热功转化和热量传递的方向和限度
1.热量传递的方向和限度
高温
自发
C6化工过程的能量分析之有效能分析
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节 6、化学 的计算：
E X C H H 0 T 0 S S 0
一般规定环境温度T0、环境压力P0以及基准物的种类、状态和组成。
（A）波兰学者斯蔡古特模型：
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节 （B） 日本学者龟山—吉田模型:
其他元素以T0、P0下最稳定的化合物作为该元素的基准物，液 体、固体的基准物浓度（摩尔分数）规定为1。
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第五节
解 E x ： T （ 0S 0 S ） （ H 0 H ）
P,
T,K
MPa
水
饱和蒸 汽
过热蒸 汽
饱和蒸 汽
饱和蒸 汽
0.101 3
1.013
1.013
6.868
8.611
298 453 573 557.2 573
S (KJ/Kg.K )
0.3674 6.582 7.13 5.826 5.787
6.5865 -819.9 819.9
S0=0.36740化工热力学来自第六章 化工过程热力学分析 第五节
5 热量 的计算：
定义：热量相对于平衡环境态所具有的最大作功能力。EXQ
由卡诺热机效率
k
WS QH
Ex,Q QH
THT0 TH
热物体P，T
恒温 变温
EXQ
Q1
T0 TH
EXQ QH1TTm0
E xT （ 0S 0S ） （ H 0H ）
P,MPa
T,0C H(KJ/Kg )
蒸汽7.00 285 2772.1 蒸汽1.0 179.9 2778.1 0.1013MPa 25(水) H0=104.89
第六章 化工过程能量分析
2015/12/18
P
2.对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因 流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功W。 规定：系统得功，其值为正；反之为负。
注意：
*热和功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的 能量，故不能说“某物质具有多少热或功”。 当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。 如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热 流体内能降低。冷流体内能增加。 *热和功是过程函数，非状态函数。
1 u1 Q
P1,V1,Z1,u1
Z1 Ws u2
• 截面2的能量E2
E2 = U2 + gZ2+ u22/2
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P2,V2,Z2,u2
2
Z2
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2015/12/18
§6.1.1 稳流系统的热力学第一定律
根据能量守恒原理： 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量 ∵ 稳定流动体系无能量的积累 ∴ E1 +Q = E2 -W （1） • 体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws 和流动功Wf，即W = Ws + Wf • 其中：Wf= P1V1 -P2V2 • 所以 W = Ws+ P1V1 -P2V2 (2) • E = U + gZ + u2/2 (3) • 将(2)、(3)代入（1）可得(4)式
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2015/12/18
化工热力学的任务
化工过程的热力学分析
1、能量衡算。 2、分析能量品位的变化。 – 化工过程总是伴随着能量品位的降低。 – 一个效率较高的过程应该是能量品位降低 较少的过程。 – 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造 的方向。
P
2.对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因 流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功W。 规定：系统得功，其值为正；反之为负。
注意：
*热和功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的 能量，故不能说“某物质具有多少热或功”。 当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。 如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热 流体内能降低。冷流体内能增加。 *热和功是过程函数，非状态函数。
1 u1 Q
P1,V1,Z1,u1
Z1 Ws u2
• 截面2的能量E2
E2 = U2 + gZ2+ u22/2
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P2,V2,Z2,u2
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Z2
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§6.1.1 稳流系统的热力学第一定律
根据能量守恒原理： 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量 ∵ 稳定流动体系无能量的积累 ∴ E1 +Q = E2 -W （1） • 体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws 和流动功Wf，即W = Ws + Wf • 其中：Wf= P1V1 -P2V2 • 所以 W = Ws+ P1V1 -P2V2 (2) • E = U + gZ + u2/2 (3) • 将(2)、(3)代入（1）可得(4)式
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化工热力学的任务
化工过程的热力学分析
1、能量衡算。 2、分析能量品位的变化。 – 化工过程总是伴随着能量品位的降低。 – 一个效率较高的过程应该是能量品位降低 较少的过程。 – 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造 的方向。
6化工过程能量分析[1]
![6化工过程能量分析[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/a6e32546a8114431b80dd849.png)
EX out = 1 − E1
E X in
E X in
有效能损失
( ) ( ) = E1
EX
−
in
EX
out
= WL
例:设有压力为1.013MPa、6.868MPa、 8.611MPa的饱和蒸汽以及1.013MPa， 573K的过热蒸汽,若这四种蒸汽都经过 充分利用，最后排出0.1013MPa,298K 的冷凝水。试比较每蒸汽的有效能和 所能放出的热，并就计算结果对蒸汽 的合理利用加以讨论。
压力 温度 p/MPa T/K
饱和蒸汽 1.013 453
焓H-
Ex/(kJ/kg) Ex ×100 / %
H0/(kJ/kg)
H − H0
2671
814
30.66
过热蒸汽 1.013 573 2948
934
31.68
饱和蒸汽 6.868 557.5 2670
1043
39.06
饱和蒸汽 8.611 573 2678
例如：火箭、化工生产中的喷射器
( ) 1 ∆u2
2
= −∆H
=
H1 − H2
=
1 2
u22 − u12
若u2 >> u1
u2 = 2(H1 − H2 )
稳流系统热力学第一定律的应用
（5）伯努利（Bernoulli）方程
∆H
+
1 2
∆u2
+
g∆Z
=
Q
+ Ws
微分
dH + udu + gdZ =δ Q + δWs ( 4 −14)
+ g∆Z
=
Q
第6章化工过程能量分析
第6章化工过程能量分析6-1压力为1.906MPa(绝)的湿蒸汽经节流阀膨胀到压力为0.0985MPa(表)的饱和蒸汽。
假设环境压力为0.1MPa，试求原始蒸汽的干度是多少？6-2 压力为1.5MPa，温度为320℃的水蒸气通过一根φ0.075m的标准管，以3m.s-1的速度进入透平机。
由透平机出来的乏气用φ0.025m的标准管引出，其压力为35kPa，温度为80℃。
假定无热损失，试问透平机输出的功率为多少？6-3水蒸气在透平机中等熵膨胀，其状态有6MPa、600℃变为10kPa。
如果水蒸气的质量流率为2kg.s-1，试计算透平机的输出功率。
6-4 某特定工艺过程每小时需要0.188MPa，品质(干度)不低于0.96、过热度不大于7℃的蒸汽450kg。
现有的蒸汽压力为1.794MPa、温度为260℃。
(1) 为充分利用现有蒸汽，先用现有蒸汽驱动－蒸汽透平，而后将其乏气用于上述特定工艺工程。
已知透平机的热损失为5272kJ.h-1，蒸汽流量为450kg.h-1，试求透平机输出的最大功率为多少kW。
(2) 为了在透平机停工检修时工艺过程蒸汽不至于中断，有人建议将现有蒸汽经节流阀使其降至0.188MPa，然后再经冷却就可得到工艺过程所要求的蒸汽。
试计算节流后的蒸汽需要移去的最少热量。
6-5 某理想气体(相对分子质量为28)在0.7MPa、1089K下，以35.4kg.h-1的质量流量进入一透平机膨胀到0.1MPa。
若透平机的输出功率为3.5kW，热损失6710kJ.h-1。
透平机进、出口连接钢管的内径为0.016m，气体的比热容为1.005kJ.kg-1.K-1，试求透平机排气的温度和速度。
6-6CO2气体在1.5MPa、30℃时稳流经过一个节流装置后减压至0.10133MPa。
试求：CO2节流后的温度及节流过程的熵变。
6-7 2.5MPa、200℃的乙烷气体在透平中绝热膨胀到0.2MPa。
试求绝热可逆膨胀(等熵)至中压时乙烷的温度与膨胀过程产生的轴功。
热力化学第六章 化工过程热力学分析
Wid 耗功：a WS
T0 T0 Q低 Q 1 1 T L T I a T0 Q高 1 T H
T0 1 T L T0 1 T H
100%转化为理想功。 100%转化为理想功。
E XP
E XPh 部分转化为理想功。 E XC 部分转化为理想功。
稳流过程，流体具有的总有效能为：
EX EXK EXP EXPh EXC
6.3 过程热力学分析法
1）动能 和位能 100%转化为理想功。
E XK
2） 物理
6.2 化工单元过程的热力学分析
1. 流体流动过程的热力学分析 问题的提出： 由于流体流动有摩擦，包括流体的内摩擦及 流体与管道、设备的摩擦，使流体的一部分机械 能耗散为热能，导致功损耗，并有熵产生。 流体流动的推动力是压力差，为不可逆过程， 也有熵产生。 讨论流体流动过程的功损耗应首先找出熵产生 与压力降之间的关系：Δ Sg Δ p
6.2 化工单元过程的热力学分析
(4)换热过程的热力学效率： 例题6-9
H L Wid WL Wid a H H Wid Wid 无温差的传热过程，若无散热损失： a 1，但实际 生产中均为不可逆的有温差传热：
H L Wid Wid
a 1
思考： (1)热量全部回收，仍有功耗，为什么？
T Q ) Q(1 0 ) T T
|QH|=|QL|=Q
T0 ) TH T L Wid Q (1 0 ) TL
H Wid Q (1
损耗功： WL W
H id
T0 (TH TL )Q W TH TL
L id
第六章 化工过程热力学分析
例6－5 见P156
14
WL T0 S t T0 S g
可以看出： W 0 L
实际过程 可逆过程
一切实际过程一定有损耗功产生。所以，WL 也是过程不可逆 性的一种表征。WL↑ 其不可逆程度↑，实际过程总是自发 的伴随着WL的产生。 T 例 薄壁换热(Q为绝对值)
Wid,1 Q(1
（3）稳定流动过程的理想功
示意图见下页 先讨论黑框内体系：可逆过程 根据热力学第一定律：
Wid
Goto8
H Q WS
H H 2 H 1 Q WS ( R )
但是，Q是在T1～T2温度下和外界交换的热量。
6
Return
7
讨论虚线框内的体系：完全可逆过程
热力学第一定律依然适用：
H H 2 H 1 Q0 (WS ( R ) WC ) Q0 Wid
Wid Q0 H
△H 的计算前面讲过， Q0 怎么算呢？
可逆过程 △St=0（第二定律） Qsys (实) Q 0 S sur Q0 T0 T0
T0 S sur T0 Ssys
12
6.1.3 不可逆过程的损耗功WL 定义： WL=Wid-WS 具体WL和什么热力学函数有关呢？
Wid ( H T0 S sys ) WS (H Q实） （第一定律）
Q 实 T0 Ssur
WS （H T0 S sur） WL Wid WS T0 (S sys S sur ) T0 S t T0 S g
分析一下1点、2点能量的质量： Wid1>Wid2 但是，理想功是两个状态之间所 能做出的最大功——完全可逆功， 并非限定Ⅱ态一定是T0态，所以 衡量能量的价值，有必要引出一 个新的概念——火用。
第六章化工过程热力学分析
WLP1 P2u2
T0 W L T
减低流速、增大管径、加减阻剂。
升高温度，在深冷时要减小流动阻力引起 的功损失。
W L V
气体节流比液体的损耗功大，气体通常用膨 胀机、液体采用节流阀，以减少功的损耗。
6.2.2 传热过程
6.2 化工单元过程热力 学分析
传热过程的功损耗：来自于传热的温差——造成过程 不可逆的直接原因。 分析
Q T0 Ssur T0 Ssys T0 S
WR U T0S U 2 U1 T0 S2 S1
Wid= (U2-U1) - T0(S2-S1)-P0(V2-V1)
6.1理论基础
流动过程理想功的计算式
对于稳流过程，热一律表达式为：
1 2 H u g Z Q W S 2 忽略动，势能变化 H Q W S
功，即体系组成由于与环境不同而具有的有效能。
4、化学熥
E XC ,i 0
6.3三种常规过程的热力 学分析方法
E
XC , j
pi 298.15 RT ln p0
E XC G E ,元素 XC ,基准物
E XC v E j XC ,j Wid ,i i EX y E i XC ,i RT0 yi ln yi ,m i i
能量衡算法：通过物料与能量衡算，确定过程的排出 能量与能量利用率，可求出设备的散热损失、理论热负 荷、可回收的余热量，电力损失的发热量等。
6.3三种常规过程的热力学 分析方法
能量衡算法计算顺序：单体设备整个体系
例6-16 设有合成氨厂二段炉出口高温转化气余热利用装 置，见图，转化气进入废热锅炉的温度为1000℃，离开 时为380℃,其流量为5160Nm3，可以忽略降温过程中压力 变化。废热锅炉产生4MPa、430 ℃ 的过热蒸汽，蒸汽通 过透平作功。离开透平乏汽的压力为0.01235MPa，其干 度为0.9853。转化气在有关温度范围的平均等压热容为 36kJ·kmol·K-1。乏汽进入冷凝器用30 ℃的冷却水冷凝， 冷凝水用水泵打入锅炉进入锅炉的水温为50 ℃ ，试用能 量衡算法计算此余热利用装置的热效率。
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热力学分析法： 能量衡算法、熵分析法和火用分析法。
（1）能量衡算法
建立在热力学第一定律基础上的热力学分析方法。 实质是通过物料与能量的衡算分析能量转化、利用及 损失情况，确定过程进、出的能量数量，求出能量利 用率。
不能指出各种能量转化的方向和限度
只反映了能量数量的关系，没有反映能量品位的高低 不能指出损失的这部分能量的利用价值
T0 T S S H H T S S H H 2 0 2 1 1 Q Ws 0 0 0 0 1 0 T
Ex 2 Ex1 ExQ ExW
Ex1 ExQ Ex 2 ExW
2 u H gZ
2
Q Ws
3、最常用的能量平衡方程 U=Q +W 封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系 4、热功转换的不等价性 5、热力学第二定律
第六章总结
W Q1 Q2 1 Q1 Q1 7、卡诺循环的可逆机热效率
6、热机效率
max
T2 1 T1
(B)
T0 H 2 T0 S2 H1 T0 S1 1 Q Ws T
T0 T S S H H T S S H H 2 0 2 1 1 Q Ws 0 0 0 0 1 0 T
• 5）一般供热用0.5~1.0MPa（150~1800C）的饱和 蒸汽。 • 6）高压蒸汽（10MPa）用来做功（推动汽轮机 等）。温度在3500C以上的高温热能（如烟道 气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源
习
题
1. 求1mol过冷水在1atm，-10oC凝固为冰的总熵变。
已知H2O在1atm、0oC的凝固热为-6020J/mol，Cp
H）
能量有效利用的概念
1）压力相同，过热蒸汽的有效能比饱和蒸汽大，所 以其做功本领也大。 2）温度相同，高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。
3）温度相同，高压蒸汽加热能力比低压蒸汽弱，因 此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费 用。
4）放出热相同，高温高压蒸汽的火用比低温低压蒸 汽的高。
能量有效利用的概念
映能量的质量、数量的利用情况； ④ 火用损失EL的计算方法：有两种：
EL T0S总
EL Exi Exi
二、
1) 总
E
X
效率
效率 E X
QT QL 热效率 Q 注意 QT
区别
QT — 总能量 QL — 能量损失
Ex
Ex
E x i E x i EL
14、火用效率
总火用效率 E X 目的火用效率
' EX
Ex
Ex
E (获得） E（失去）
x x
各种效率小结
热效率ηQ
Q QL Q T QT
热机效率 ηH
Q1 Q2 H Q1
热力学效率ηa
Wac 产功 a Wid
耗 功 a Wid Wac
，其等压比热容为4.36 kJ/(kg.K)，冷流体进出时
的温度分别为25 ℃ 、110 ℃ ，其等压比热容为
4.69 kJ/(kg.K) 。试计算冷热流体火用变化、火用
损失与火用效率。
§6.7 化工过程与系统的
化工过程热力学分析：
分析
用热力学理论和方法对于各化工过程能量的
转化、传递、使用和损耗进行分析。
E 1 E
1、过程完全可逆 E 0，则EX 1
L x
2、过程完全不可逆 E Ex ，则EX 0 L
L
3、过程部分可逆 , 则0 E X 1
E 越大， 利用越大，不 可逆性越小
X
2)目的
效率 ' E ----最常用
X
选用原则
14
合理用能基本原则
（1）能尽其用，防止能量的无偿降级； ——按质用能，按需供能 （2）设计中采用最佳推动力；
（3）合理组织能量的多次逐级利用。
——先用功后用热，将能量逐级使用
按能量级别高低综合利用能量的概念称为总能概念
15
第六章总结
1、热力学第一定律
2、稳流体系能量平衡方程及其各种简化
“>” 号为不可逆过程； “=” 号为可逆过程
8、熵及熵增原理 熵
dS (
Q
T
)
熵增原理：孤立体系的自发过程总是向总熵变增大的 方向进行。
熵及熵增原理小结
过程 总则 可逆 不可逆 ΔS总 0， + 0 + ΔS体系 0 ， +， ΔS环境 0 ， +， -
绝热可逆 绝热不可逆 可逆循环 不可逆循环
1、封闭体系 S体 系
Q
11、理想功Wid：
2、稳流体系 Wid H T0 S
第六章总结
12、损失功WL： 13、火用
WL T0S总 0
封闭体系 E x T0S U P 0 V
稳流体系 EX T （ （H0 H） 0 S0 S） （H 2 H1） T （ 注意与理想功的区别 Wid 0 S 2 S1）
值，由火用平衡方程确定过程的火用损失和火
用效率。
全面反映火用损失的部位及数量，可以有针对
性地确定节能的方向和措施。
13
计算工作量 得到的信息量 特点
能量衡算法 最小 最少 只给出能量排出 的损失，而不考 虑这部分能量的 利用价值，从而 不能全面的反映 出用能过程中存 在的问题
如果一个体系， 只是为了利用热 能（采暖、工业 用加热炉等）可 以只用能量衡算 法
E E xi xi
① 可逆过程
WSR Ex1
xi
Ex1 Ex Q Ex 2 ExW
Ex2 δQ
总和
E
进入过程或设备的 总和
xi
E
离开过程或设备的
②不可逆过程： 一切不可逆过程伴随着 的损失
E E xi xi EL
Exi
11
（2）熵分析法
是以热力学第一定律和第二定律为基础，通过
计算装备或过程的熵产生量以及理想功、损耗
功，从而确定过程的热力学效率。
缺陷：只能确定过程的不可逆引起的损失功，
但不能指出到底是哪种能的损失。
12
（3）火用分析法
在对设备或过程进行物料衡算和能量衡算的基
础上，确定出、入各系统的物流和能流的火用
Q
W
S
孤立体系 状态2 H2,S2
2
状态1 H1,S1
稳流体系
由热力学第一定律
H Q WS
H 2 H1 Q WS
由热力学第二定律：
(忽略了动能,势能) (A)
分两种情况考虑
T0 S总 0
式（A）减式（B）
Q T0 S1 S2 0 T
Cp 29.3kJ kmol 1 K 1
，水的
热容 Cp,w 4.18kJ kg 1 K 1
习 题
3. 某个内燃机由两节12V的电池启动，每一个电池
的容量为60A。h。现在想用装有压缩空气的储气
罐来代替电池，若储气罐中空气的压力为1400kPa，
温度与环境温度同为298.15K，环境压力为100kPa。
若储气罐给出和电池一样的理想火用，则储气罐的
体积应该是多少？假设储气罐中空气为理想气体。
熵分析法 居中 居中
火用分析法 最大 最多
可以得到损耗功， 虽较复杂，但可 说明能量损失的 以克服熵衡算的 关键是过程不可 不足，得出各物 逆造成的，但是 流的作功能力及 不能给出各物流 其损失情况 的作功能力及其 损失情况
对既有热交换， 又有功交换的定 组成体系，最好 选用熵分析法 对既有热交换， 又有功的变组成 体系，最好选用 火用分析法
E
'
X
E (获得） E（失去）
x x
注意：Байду номын сангаас
' 与 E 不同之处在于计算的对象不同:
EX X
的对象是过程或设备；
EX
的对象是需要做功的对象；
' EX
X
' E 更常用。
例
题
例1. 某换热器完全保温。热流体的流量为0.042
kg/s，进出换热器时的温度分别为150℃、35 ℃
E
效率ηEX
E E
x x
X
H max
QT — 总能量 QL — 能量损失
T2 1 T1
E
'
X
E (获得） E（失去）
x x
Q1 , T1 — 高 温 热 源 理想功W 火用E X id Q2 , T2 — 低 温 热 源（H H ） （ （ （H 0 2 1 T 0 S 2 S1） T 0 S 0 S）
Exi
Exi
Exi
E
L
EL ExQ Ex Ws
其中 EL —火用的损失
2 结论：
① 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一 、二定律为基础；
②
能量守恒，但火用不一定守恒。可逆过程火用守恒
，不可逆过程火用总是减少的； ③ 能量衡算反映了能量的利用情况，而火用衡算可反
第六章化工过程的能量分析
§6.1 能量平衡方程 §6.2 热功间的转化 §6.3 熵函数 §6.4 理想功、损失功及热力学效率 §6.5 火用与火无 §6.6 火用衡算及火用效率 §6.7 化工过程与系统的火用分析
（1）能量衡算法
建立在热力学第一定律基础上的热力学分析方法。 实质是通过物料与能量的衡算分析能量转化、利用及 损失情况，确定过程进、出的能量数量，求出能量利 用率。
不能指出各种能量转化的方向和限度
只反映了能量数量的关系，没有反映能量品位的高低 不能指出损失的这部分能量的利用价值
T0 T S S H H T S S H H 2 0 2 1 1 Q Ws 0 0 0 0 1 0 T
Ex 2 Ex1 ExQ ExW
Ex1 ExQ Ex 2 ExW
2 u H gZ
2
Q Ws
3、最常用的能量平衡方程 U=Q +W 封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系 4、热功转换的不等价性 5、热力学第二定律
第六章总结
W Q1 Q2 1 Q1 Q1 7、卡诺循环的可逆机热效率
6、热机效率
max
T2 1 T1
(B)
T0 H 2 T0 S2 H1 T0 S1 1 Q Ws T
T0 T S S H H T S S H H 2 0 2 1 1 Q Ws 0 0 0 0 1 0 T
• 5）一般供热用0.5~1.0MPa（150~1800C）的饱和 蒸汽。 • 6）高压蒸汽（10MPa）用来做功（推动汽轮机 等）。温度在3500C以上的高温热能（如烟道 气），用来产生高压蒸汽，以获得动力能源
习
题
1. 求1mol过冷水在1atm，-10oC凝固为冰的总熵变。
已知H2O在1atm、0oC的凝固热为-6020J/mol，Cp
H）
能量有效利用的概念
1）压力相同，过热蒸汽的有效能比饱和蒸汽大，所 以其做功本领也大。 2）温度相同，高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。
3）温度相同，高压蒸汽加热能力比低压蒸汽弱，因 此用低压蒸汽作为工艺加热最恰当，并可减少设备费 用。
4）放出热相同，高温高压蒸汽的火用比低温低压蒸 汽的高。
能量有效利用的概念
映能量的质量、数量的利用情况； ④ 火用损失EL的计算方法：有两种：
EL T0S总
EL Exi Exi
二、
1) 总
E
X
效率
效率 E X
QT QL 热效率 Q 注意 QT
区别
QT — 总能量 QL — 能量损失
Ex
Ex
E x i E x i EL
14、火用效率
总火用效率 E X 目的火用效率
' EX
Ex
Ex
E (获得） E（失去）
x x
各种效率小结
热效率ηQ
Q QL Q T QT
热机效率 ηH
Q1 Q2 H Q1
热力学效率ηa
Wac 产功 a Wid
耗 功 a Wid Wac
，其等压比热容为4.36 kJ/(kg.K)，冷流体进出时
的温度分别为25 ℃ 、110 ℃ ，其等压比热容为
4.69 kJ/(kg.K) 。试计算冷热流体火用变化、火用
损失与火用效率。
§6.7 化工过程与系统的
化工过程热力学分析：
分析
用热力学理论和方法对于各化工过程能量的
转化、传递、使用和损耗进行分析。
E 1 E
1、过程完全可逆 E 0，则EX 1
L x
2、过程完全不可逆 E Ex ，则EX 0 L
L
3、过程部分可逆 , 则0 E X 1
E 越大， 利用越大，不 可逆性越小
X
2)目的
效率 ' E ----最常用
X
选用原则
14
合理用能基本原则
（1）能尽其用，防止能量的无偿降级； ——按质用能，按需供能 （2）设计中采用最佳推动力；
（3）合理组织能量的多次逐级利用。
——先用功后用热，将能量逐级使用
按能量级别高低综合利用能量的概念称为总能概念
15
第六章总结
1、热力学第一定律
2、稳流体系能量平衡方程及其各种简化
“>” 号为不可逆过程； “=” 号为可逆过程
8、熵及熵增原理 熵
dS (
Q
T
)
熵增原理：孤立体系的自发过程总是向总熵变增大的 方向进行。
熵及熵增原理小结
过程 总则 可逆 不可逆 ΔS总 0， + 0 + ΔS体系 0 ， +， ΔS环境 0 ， +， -
绝热可逆 绝热不可逆 可逆循环 不可逆循环
1、封闭体系 S体 系
Q
11、理想功Wid：
2、稳流体系 Wid H T0 S
第六章总结
12、损失功WL： 13、火用
WL T0S总 0
封闭体系 E x T0S U P 0 V
稳流体系 EX T （ （H0 H） 0 S0 S） （H 2 H1） T （ 注意与理想功的区别 Wid 0 S 2 S1）
值，由火用平衡方程确定过程的火用损失和火
用效率。
全面反映火用损失的部位及数量，可以有针对
性地确定节能的方向和措施。
13
计算工作量 得到的信息量 特点
能量衡算法 最小 最少 只给出能量排出 的损失，而不考 虑这部分能量的 利用价值，从而 不能全面的反映 出用能过程中存 在的问题
如果一个体系， 只是为了利用热 能（采暖、工业 用加热炉等）可 以只用能量衡算 法
E E xi xi
① 可逆过程
WSR Ex1
xi
Ex1 Ex Q Ex 2 ExW
Ex2 δQ
总和
E
进入过程或设备的 总和
xi
E
离开过程或设备的
②不可逆过程： 一切不可逆过程伴随着 的损失
E E xi xi EL
Exi
11
（2）熵分析法
是以热力学第一定律和第二定律为基础，通过
计算装备或过程的熵产生量以及理想功、损耗
功，从而确定过程的热力学效率。
缺陷：只能确定过程的不可逆引起的损失功，
但不能指出到底是哪种能的损失。
12
（3）火用分析法
在对设备或过程进行物料衡算和能量衡算的基
础上，确定出、入各系统的物流和能流的火用
Q
W
S
孤立体系 状态2 H2,S2
2
状态1 H1,S1
稳流体系
由热力学第一定律
H Q WS
H 2 H1 Q WS
由热力学第二定律：
(忽略了动能,势能) (A)
分两种情况考虑
T0 S总 0
式（A）减式（B）
Q T0 S1 S2 0 T
Cp 29.3kJ kmol 1 K 1
，水的
热容 Cp,w 4.18kJ kg 1 K 1
习 题
3. 某个内燃机由两节12V的电池启动，每一个电池
的容量为60A。h。现在想用装有压缩空气的储气
罐来代替电池，若储气罐中空气的压力为1400kPa，
温度与环境温度同为298.15K，环境压力为100kPa。
若储气罐给出和电池一样的理想火用，则储气罐的
体积应该是多少？假设储气罐中空气为理想气体。
熵分析法 居中 居中
火用分析法 最大 最多
可以得到损耗功， 虽较复杂，但可 说明能量损失的 以克服熵衡算的 关键是过程不可 不足，得出各物 逆造成的，但是 流的作功能力及 不能给出各物流 其损失情况 的作功能力及其 损失情况
对既有热交换， 又有功交换的定 组成体系，最好 选用熵分析法 对既有热交换， 又有功的变组成 体系，最好选用 火用分析法
E
'
X
E (获得） E（失去）
x x
注意：Байду номын сангаас
' 与 E 不同之处在于计算的对象不同:
EX X
的对象是过程或设备；
EX
的对象是需要做功的对象；
' EX
X
' E 更常用。
例
题
例1. 某换热器完全保温。热流体的流量为0.042
kg/s，进出换热器时的温度分别为150℃、35 ℃
E
效率ηEX
E E
x x
X
H max
QT — 总能量 QL — 能量损失
T2 1 T1
E
'
X
E (获得） E（失去）
x x
Q1 , T1 — 高 温 热 源 理想功W 火用E X id Q2 , T2 — 低 温 热 源（H H ） （ （ （H 0 2 1 T 0 S 2 S1） T 0 S 0 S）
Exi
Exi
Exi
E
L
EL ExQ Ex Ws
其中 EL —火用的损失
2 结论：
① 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡算是以热一 、二定律为基础；
②
能量守恒，但火用不一定守恒。可逆过程火用守恒
，不可逆过程火用总是减少的； ③ 能量衡算反映了能量的利用情况，而火用衡算可反
第六章化工过程的能量分析
§6.1 能量平衡方程 §6.2 热功间的转化 §6.3 熵函数 §6.4 理想功、损失功及热力学效率 §6.5 火用与火无 §6.6 火用衡算及火用效率 §6.7 化工过程与系统的火用分析