第六章 化工过程热力学分析
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=6.104×103（kJ/kmol） 因此实际供给压气机的功与该过程的理想功的比值为
➢要区别可逆轴功与理想功这两个概念．Wid WSR Wc
对绝热过程
WC 0
Wid WSR
对不做轴功的过程 WSR 0
Wid Wc
5
二 损失功WL
Leabharlann Baidu
定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功 的差值．
数学式：
WL Wac Wid
对稳流体系
Wac WS H Q
Wid H TOS
T2
H CPdT CP (T2 T1) 29.3(145 5) 4.102103(kJ / kmol) T1
若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为
WS=H －Q =4.102×103＋4.598×103 =8.700×103（kJ/kmol）
过程的熵变可以按下式计算
S
T2
T1
WL 0
实际过程 St 0
对产功过程： Wid Wac 对耗功过程： Wid Wac
WL 0
a
Wac Wid
1
Wid 1 Wac
a热力学效率
8
四、应用举例
例1. 试确定1kmol的蒸气（1470kPa， 过热到538℃，环境温度t0=16℃）在 流动过程中可能得到的最大功。
9
解：这是求算1kmol的蒸气由始态（538℃，1470kPa） 变化到终态（16℃，101.32kPa）的液体水时所得到的最大功。
Wid H TOS =－62640.33＋（16＋273.15）（－133.6994） =－2.398×104（kJ/kmol）
例2. 1kg的水在100kPa的恒压下从20℃加热到沸点， 并且在此温度下完全蒸发，如果环境温度为20℃，试问 加给水的热量中最大有多少可转变成功量。
11
解：100kPa压力下水的沸点约为100℃，有水蒸气
表查得
H1=2676.1kJ/kg， S1=7.3549kJ/（kg·K） 在环境温度（T0=t0＋273.15=293.15K）下， 100kPa压力下水的焓和熵为
H0=83.96kJ/kg， 所以加给水的热量为
S0=0.2966 kJ/（kg·K）
Qp= H=H1－H0=2676.1－83.96=2592.1（kJ/kg）
第六章
化工过程热力学分析
1
6.1 理想功和损失功
目前进行化工过程热力学分析的方法大致有两种：
理想功和损失功法（熵分析法）： 是以热力学 第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率 评价。
有效能分析法（火用分析法） ： 将热力学第一 定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每 一股物料进行分析，是用有效能效率评价。
14
解：以被压缩的空气为系统，以1kmol空气作为基准。 假设空气为理想气体，在此过程中空气放出的热量为
Q=－WWCP，W（tout－tin） 式中WW为冷却水的流率；CP,W为水的热容，取值为 4.18kJ/（kg·K），tout和tin分别为冷却水的出、入口温度。所 以 Q=－100×4.18（16－5）=－4.598×103（kJ/kmol） 压缩过程中空气的焓变为
由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为 H1=3543.34kJ/kg， S1=7.6584kJ/（kg·K） 由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为
H2=67.18kJ/kg， S2=0.2389kJ/（kg·K）
所以过程的焓变和熵变分别为
H =M（H2－H1）=18.02（67.18－3543.34）=－62640.33（kJ/kmol） S=M（S2－S1）=18.02（0.2389－7.6584）=－133.6994（kJ/（kkmol·K）） 若理想功为所能提供的最大有用功，则
CP T
dT
R ln
p2 p1
CP
ln(T2
/ T1) R ln( p2
/
p1)
S 29.3ln 145 273.15 8.314ln 1000 7.199(kJ /(kmolgK))
5 273.15
100
16
所以压缩过程的理想功为 Wid=H－T0 S=4.102×103－278.15（－7.199）
流动过程理想功的计算式
对于稳流过程，热一律表达式为：
H
1 2
C
2
gZ
Q
WS
忽略动，势能变化
H Q WS
若可逆
Q T0S
Wid H T0S (6-41)
稳流过程理想功
4
注意点：
➢不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：
Wid
H
T0S
1 C 2 2
gZ
➢体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其 理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度， 而与实际变化途径无关。
12
100kPa压力下水蒸气转化为20℃的水所能产生的最大功为
Wid H TOS =－2592. －1293.15（0.2966－7.3549） =－523.0（kJ/kg）
加给水的热量中最大可能转变成功量部分所占的百分数为
Wid 100% 523.0 100% 20.1%
Qp
2592.1
例3在一个往复式压气机的实验中，环境空气从 100kPa及5℃压缩到1000kPa，压缩机的气缸用水 冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为 100kg/kmol（空气）。冷却水入口温度为5℃，出 口温度为16℃，空气离开压缩机时的温度为145℃。 假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压 气机的功和该过程的理想功的比值。假设空气为理想 气体，其摩尔定压热容CP=29.3kJ/（kmol·K）。
2
一. 理想功
定义： 体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论 上可产生的最大功(对产功过程)，或者理论上必须消耗 的最小功(消耗过程)，称为理想功。
Wmax (Wmin) 体系以状态1
完全可逆
状态2
要注意: 完全可逆
状态变化可逆；系统内的所有变化是完全可逆的
传热可逆(物系与环境)系统和环境之间的
能量交换，例如传热过程也是可逆的
WL H Q H TOS TOS Q (6-43)
Q TOSsur
WL TOSsys TOSsur TOSt
(6-44a)
6
三、 热力学效率
T 产生功
Ws Wid
T 需要功
Wid Ws
7
结论：
（1） WL 与 St 有关
（2） WL 与 TO 有关
（3）可逆过程 St 0
➢要区别可逆轴功与理想功这两个概念．Wid WSR Wc
对绝热过程
WC 0
Wid WSR
对不做轴功的过程 WSR 0
Wid Wc
5
二 损失功WL
Leabharlann Baidu
定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功 的差值．
数学式：
WL Wac Wid
对稳流体系
Wac WS H Q
Wid H TOS
T2
H CPdT CP (T2 T1) 29.3(145 5) 4.102103(kJ / kmol) T1
若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为
WS=H －Q =4.102×103＋4.598×103 =8.700×103（kJ/kmol）
过程的熵变可以按下式计算
S
T2
T1
WL 0
实际过程 St 0
对产功过程： Wid Wac 对耗功过程： Wid Wac
WL 0
a
Wac Wid
1
Wid 1 Wac
a热力学效率
8
四、应用举例
例1. 试确定1kmol的蒸气（1470kPa， 过热到538℃，环境温度t0=16℃）在 流动过程中可能得到的最大功。
9
解：这是求算1kmol的蒸气由始态（538℃，1470kPa） 变化到终态（16℃，101.32kPa）的液体水时所得到的最大功。
Wid H TOS =－62640.33＋（16＋273.15）（－133.6994） =－2.398×104（kJ/kmol）
例2. 1kg的水在100kPa的恒压下从20℃加热到沸点， 并且在此温度下完全蒸发，如果环境温度为20℃，试问 加给水的热量中最大有多少可转变成功量。
11
解：100kPa压力下水的沸点约为100℃，有水蒸气
表查得
H1=2676.1kJ/kg， S1=7.3549kJ/（kg·K） 在环境温度（T0=t0＋273.15=293.15K）下， 100kPa压力下水的焓和熵为
H0=83.96kJ/kg， 所以加给水的热量为
S0=0.2966 kJ/（kg·K）
Qp= H=H1－H0=2676.1－83.96=2592.1（kJ/kg）
第六章
化工过程热力学分析
1
6.1 理想功和损失功
目前进行化工过程热力学分析的方法大致有两种：
理想功和损失功法（熵分析法）： 是以热力学 第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率 评价。
有效能分析法（火用分析法） ： 将热力学第一 定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每 一股物料进行分析，是用有效能效率评价。
14
解：以被压缩的空气为系统，以1kmol空气作为基准。 假设空气为理想气体，在此过程中空气放出的热量为
Q=－WWCP，W（tout－tin） 式中WW为冷却水的流率；CP,W为水的热容，取值为 4.18kJ/（kg·K），tout和tin分别为冷却水的出、入口温度。所 以 Q=－100×4.18（16－5）=－4.598×103（kJ/kmol） 压缩过程中空气的焓变为
由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为 H1=3543.34kJ/kg， S1=7.6584kJ/（kg·K） 由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为
H2=67.18kJ/kg， S2=0.2389kJ/（kg·K）
所以过程的焓变和熵变分别为
H =M（H2－H1）=18.02（67.18－3543.34）=－62640.33（kJ/kmol） S=M（S2－S1）=18.02（0.2389－7.6584）=－133.6994（kJ/（kkmol·K）） 若理想功为所能提供的最大有用功，则
CP T
dT
R ln
p2 p1
CP
ln(T2
/ T1) R ln( p2
/
p1)
S 29.3ln 145 273.15 8.314ln 1000 7.199(kJ /(kmolgK))
5 273.15
100
16
所以压缩过程的理想功为 Wid=H－T0 S=4.102×103－278.15（－7.199）
流动过程理想功的计算式
对于稳流过程，热一律表达式为：
H
1 2
C
2
gZ
Q
WS
忽略动，势能变化
H Q WS
若可逆
Q T0S
Wid H T0S (6-41)
稳流过程理想功
4
注意点：
➢不忽略进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：
Wid
H
T0S
1 C 2 2
gZ
➢体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其 理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度， 而与实际变化途径无关。
12
100kPa压力下水蒸气转化为20℃的水所能产生的最大功为
Wid H TOS =－2592. －1293.15（0.2966－7.3549） =－523.0（kJ/kg）
加给水的热量中最大可能转变成功量部分所占的百分数为
Wid 100% 523.0 100% 20.1%
Qp
2592.1
例3在一个往复式压气机的实验中，环境空气从 100kPa及5℃压缩到1000kPa，压缩机的气缸用水 冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为 100kg/kmol（空气）。冷却水入口温度为5℃，出 口温度为16℃，空气离开压缩机时的温度为145℃。 假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压 气机的功和该过程的理想功的比值。假设空气为理想 气体，其摩尔定压热容CP=29.3kJ/（kmol·K）。
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一. 理想功
定义： 体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论 上可产生的最大功(对产功过程)，或者理论上必须消耗 的最小功(消耗过程)，称为理想功。
Wmax (Wmin) 体系以状态1
完全可逆
状态2
要注意: 完全可逆
状态变化可逆；系统内的所有变化是完全可逆的
传热可逆(物系与环境)系统和环境之间的
能量交换，例如传热过程也是可逆的
WL H Q H TOS TOS Q (6-43)
Q TOSsur
WL TOSsys TOSsur TOSt
(6-44a)
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三、 热力学效率
T 产生功
Ws Wid
T 需要功
Wid Ws
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结论：
（1） WL 与 St 有关
（2） WL 与 TO 有关
（3）可逆过程 St 0