化工热力学课件之——化工过程能量分析概要.ppt

第六章 化工过程能量分析,第六章,本章目的,运用热力学第一、第二定律以及理想功、损失功、Ex等概念对化工过程中的能量转换、传递、使用情况进行热力学分析，评价能量利用的有效性、合理性，揭示能量损失的薄弱环节与原因，为工艺和能量使用的改进指明方向。,本章目的 运用热力学第一、第二定律以及,本章内容,6.0 热力学基本概念复习6.1 热力学第一定律及其应用6.2热力学第二定律及其应用6.3 理想功和损失功热力学效率6.4 Ex及其计算6.5 化工过程能量分析及其合理用能,本章内容6.0 热力学基本概念复习,本章基本要求,1、掌握能量平衡方程的形式及应用；2、掌握熵平衡方程的形式及应用；3、正确熟练地掌握理想功、损失功和热力学效率的概念及计算；4、正确熟练地掌握Ex、Ex衡算、Ex效率、Ex分析；5、了解系统Ex分析的基本方法。,本章基本要求,本章重点和难点,重点：稳流过程的能量平衡方程；稳流过程的熵平衡方程；稳流过程理想功、损失功计算；稳流过程Ex的计算、Ex效率；水蒸气和典型化工过程的Ex分析。难点：熵平衡方程；理想功；Ex,本章重点和难点重点：,6.0 热力学基本概念复习,1、体系与环境2、状态和状态函数3、过程4、热和功,6.0 热力学基本概念复习1、体系与环境体系环境,1、体系与环境,体系（System）,在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为体系，亦称为物系或系统。,环境（surroundings）,与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。,1、体系与环境体系（System） 在科学研究时必须先确,体系分类,根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：,（1）敞开体系（open system） 体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。,体系分类 根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1）敞,体系分类,根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：,（3）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。,体系分类 根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（3）孤,6.0 热力学基本概念复习,2、状态和状态函数状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系处于热力学平衡状态。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称为状态函数。常用的状态函数有p，V，T，U，H，S，A，G,6.0 热力学基本概念复习2、状态和状态函数,6.0 热力学基本概念复习,“状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零。”循环过程： 状态1 状态2 状态3 H=0,U=0,V=0,S体系=0 (当然 S总0),6.0 热力学基本概念复习“状态一定值一定，殊途同归值变等,6.0 热力学基本概念复习,3、过程指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换对某一过程的描写：初态+终态+路径.不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等,6.0 热力学基本概念复习3、过程,可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆行而能使过程中所涉及的一切(体系及环境)都回复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程注意：1）可逆过程一旦发生，不仅体系能恢复到原来状态，而且而环境也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否是可逆过程？）,6.0 热力学基本概念复习,P,V,T,无限小的沙子。,带活塞的气缸,拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。,可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆行而能使过程中所,2）若是可逆过程，位的梯度即推动力需为无限小；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。3）可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近 ，体系始终无限接近平衡状态。4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果比较的标准。若说某体系效率为80%，是指与可逆过程比。但爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等不能用“可逆过程+效率”模式来计算。,2）若是可逆过程，位的梯度即推动力需为无限小；若存在推动力则,5）可逆过程是效率最高的过程。体系对外做最大功。体系对外吸收最小功。6）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来的。如：,5）可逆过程是效率最高的过程。,6.0 热力学基本概念复习,4、热和功1）热和功不是状态函数，与途径有关。2）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。 U+ 热力学第一定律3） 按照国际规定: 体系吸热为正，0，体系放热为负,0 ，体系对环境作功,0。,6.0 热力学基本概念复习4、热和功,6.0 热力学基本概念复习,特别提醒：过去的教材中习惯用U = Q - W表示，两种表达式完全等效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为：环境对体系作功， W0 。4) 热的推动力是温差 功的推动力是除温差以外的势的梯度5) 热量的传递是无序的，热量是规格低的能量 功的传递是有序的， 功是规格高的能量,6.0 热力学基本概念复习特别提醒：,化工过程能量分析实例,乙苯脱氢制苯乙烯,化工过程能量分析实例乙苯脱氢制苯乙烯,化工过程能量分析实例,反应器：烧重油加热反应物至560620oC，产生高温烟道气第三过热器：利用高温烟道气加热高温反应物第二过热器：利用高温产物加热中温反应物蒸发器：利用中温烟道气加热低温反应物废热锅炉：利用中温产物产生水蒸汽一个反应需要一个车间来完成（三层楼）目的是能源的最大化利用（不仅是总能量的平衡，而是品位高的能量做功，品位低的能量加热。,化工过程能量分析实例反应器：烧重油加热反应物至560620,180C,60C,45C,40C,60C,420C,40C,350C,900C,化工过程能量分析实例,硫铁矿生产硫酸工艺简介示意图,焙烧,转化,98.3%硫酸,98.3%或93%成品酸,尾气,FeS2,渣,空气,净化,干燥,吸收,93%硫酸,30%硫酸,180C 60C 45C,反应热的利用 对反应热的利用程度，是衡量硫酸工业技术水平的重要标志。三个主要反应均为放热反应，在298K时的标准反应热为：,反应热的利用,化工热力学课件之化工过程能量分析概要,如回收高温余热的45-65%，生产中压过热蒸汽0.685-0.990t / (t100%硫酸.h)，所产生的蒸汽量用于驱动发电机组，实际可发电150-170KW.h。若生产每吨硫酸的电耗按100KW.h计，则高温余热发电量可自给有余。,焙烧工段的废热锅炉回收高温余热时，通常可产出中压过热蒸汽（3.9MPa、450C)0.8-1.5t / (t100%硫酸.h)。,高温余热利用,如回收高温余热的45-65%，生产中压过热蒸汽0.685-0,2022/11/7,178C,两次转化流程,60C,442,420,480,SO2气,440,480,524,584,420C,换热器,III,I,II,电炉,第一吸收塔来,干燥塔来,去第一吸收塔,去第二吸收塔,60C,205C,中温余热利用,2022/10/10178C 两次转化流程6,低温余热利用,吸收工段低温余热的温度约为70度(吸收塔出口酸温）,通过水冷器回收可得热水。但国内大多数厂家不利用。,低温余热利用吸收工段低温余热的温度约为70度(吸收塔出口酸温,基本概念,能量不仅有数量，而且有质量（品位）。功的品位高于热 。高级能量：能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等；低级能量：不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。,基本概念能量不仅有数量，而且有质量（品位）。,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。,化工热力学的任务,化工过程的热力学分析化工热力学的任务,6.1热力学第一定律及其应用,6.1.1 热力学第一定律6.1.2 稳定流动体系的热力学原理6.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,6.1热力学第一定律及其应用6.1.1 热力学第一定律,6.1.1 热力学第一定律,U+,只适合封闭体系!,热力学第一定律的数学表达式：,6.1.1 热力学第一定律U+只适合封闭体系!,能量的形式,化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物质的能量、能量传递的两种形式。1、物质的能量E (以1kg为基准)动能：Ek= u2/2内能：U=f(T,p, x)位能： Ep= gZ2、能量传递的两种形式(以1kg为基准) 在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即热和功。,能量的形式 化工生产中所涉及到的能量，主要有两,2022/11/7,热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用Q表示。 规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。,功W：1. 对流动系统：包括两部分(1) 流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为轴功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为流动功Wf =pV。,2022/10/10热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交,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。,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：2. 对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流,以1kg为基准!Q为体系吸收的热量W为体系与环境交换的功。截面1的能量E1E1 = U1 + gZ1+ u12/2截面2的能量E2E2 = U2 + gZ2+ u22/2,6.1.2 稳定流动体系的热力学原理,p1,V1,Z1,u1,p2,V2,Z2,u2,以1kg为基准!6.1.2 稳定流动体系的热力学原理p,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,6.1.2 稳定流动体系的热力学原理,根据能量守恒原理： 6.1.2 稳定流动体系的热力学原理,稳定流动体系的热力学第一定理：,焓变,位能变化,动能变化,(4)式的计算单位建议用 J/kg；即以1kg为基准!,6.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,稳定流动体系的热力学第一定理：焓变位能变化动能变化(4)式的,一些常见的属于稳流体系的装置,喷嘴,扩压管,节流阀,透平机,压缩机,混合装置,换热装置,一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴扩压管节流阀透平机压缩机混合,喷嘴与扩压管,喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。,喷嘴,扩压管,喷嘴与扩压管 喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截,喷嘴与扩压管,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,喷嘴与扩压管 是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽,质量流率,流体通过焓值的改变来换取动能的调整,质量流率流体通过焓值的改变来换取动能的调整,透平机和压缩机,透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功,压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功,透平机和压缩机 透平机是借助流体的减压和降温过,透平机和压缩机,是否存在轴功?,是!,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,不变化或者可以忽略,动能是否变化？,通常可以忽略,透平机和压缩机 是否存在轴功?是!是否和环境交换热量?通常可,节流阀,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,动能是否变化?,通常可以忽略,节流阀是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能是,节流阀 Throttling Valve,理想气体通过节流阀温度不变,节流阀 Throttling Valve理想气体通过节流阀,混合设备,混合两种或多种流体是很常见。,混合器,混合设备 混合两种或多种流体是很常见。混合器,混合设备,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,动能是否变化?,否,混合设备是否存在轴功?否是否和环境交换热量?通常可以忽略位能,当不止一个输入物流或（和）输出物流时,Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。 Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。,为一股物流的质量流量。,为总质量流量。,当不止一个输入物流或（和）输出物流时 Hi为单,混合设备,1 3 2,混合器,混合设备 1混合器,换热设备,整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。换热设备的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，但物流之间不发生混合。,mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量,换热设备 整个换热设备与环境交换的热量可以忽略,管路和流体输送,稳态流动模型通常是一个不错的近似,通过泵得到轴功,位能变化,管路和流体输送稳态流动模型通常是一个不错的近似通过泵得到轴功,管路和流体输送,是否存在轴功?,有时存在,是否和环境交换热量?,通常是,位能是否变化?,有时变化,动能是否变化?,通常不变化,管路和流体输送是否存在轴功?有时存在是否和环境交换热量?通常,Bernoulli 方程,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,对于无热、,无轴功交换、,不可压缩流体的稳流过程,Bernoulli 方程 实际流体的流动过程存,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,热力学第一定律应用注意事项,1、注意区别：U=Q + W 封闭体系H=Q +Ws 稳定流动体系2、注意符号：体系吸热为正（+），体系放热为负（-） ；外界对体系做功为正（+），体系对外做功为负（-） 。,热力学第一定律应用注意事项1、注意区别：,例 题,例1：功率为2.0 kw的泵将90oC水从贮水罐泵压到换热器，水流量为3.2kg/s，在换热器中以697.3kJ/s的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水罐求送入第二贮水罐的水温.解：以l kg的水为计算基准。 思路： 1）H2 =H+ H1 （H1为90oC水的焓，查水蒸汽表得） 2）查水蒸汽表可得符合H2 的饱和水的温度即得。 须注意： 由于水放热Q为负、泵对水做功W为正。,1) Q=-697.3 kJ/s =-697.3/3.2 kJ/kg2) Ws=2 kw=2 kJ/s =2/3.2 kJ/kg,注意：计算单位为kJ/kg,例 题例1：功率为2.0 kw的泵将90oC水从贮水罐泵压到,6.2 热功转换,6.2.1 热功转换的不等价性6.2.2 热力学第二定律6.2.3 热机工作原理6.2.4 热机效率6.2.5 卡诺循环6.2.6 可逆机的效率,6.2 热功转换6.2.1 热功转换的不等价性,6.2.1 热功转换的不等价性,热功转换的不等价性 功可以100%转变为热 热不可能100%转变为功。 热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。,6.2.1 热功转换的不等价性热功转换的不等价性,6.2.2 热力学第二定律,克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”,开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。”,6.2.2 热力学第二定律克劳修斯（Clausius）的说,6.2.3 热机工作原理,热机工作原理：工质从高温T1热源吸收Q1的热量，一部分通过热机用来对外做功W，另一部分Q2 的热量放给低温T2 热源。 U=Q + W 循环过程 U=0W=Q1-Q2,热机示意图,6.2.3 热机工作原理热机工作原理：热机示意图,6.2.4 热机效率,热机效率：将热机所作的功W与所吸的热Q1之比称为热机效率, 用表示。热机效率大小与过程的可逆程度有关。卡诺定理：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆机的效率最大。,6.2.4 热机效率热机效率：将热机所作的功W与所吸的热,6.2.5 卡诺循环（Carnot cycle）,等温可逆膨胀,绝热可逆膨胀,等温可逆压缩,绝热可逆压缩,6.2.5 卡诺循环（Carnot cycle）等温可逆,T,S,等温可逆膨胀,绝热可逆膨胀,等温可逆压缩,绝热可逆压缩,6.2.5 卡诺循环（Carnot cycle）,TS等温可逆膨胀绝热可逆膨胀等温可逆压缩绝热可逆压缩,卡诺定理推论和意义,卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相等，即与热机的工作物质无关。,卡诺定理的意义：解决了热机效率的极限值问题。,卡诺定理推论和意义卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷源,6.2.6 可逆机的效率,可逆机的效率：,Tl高温热源的温度，K。最高限为锅炉的使用极限，约450oC T2低温热源的温度，K。最低限为环境温度。广州夏天30oC，北极-50oC广州夏天max =58%；北极 max =79%。,6.2.6 可逆机的效率Tl高温热源的温度，K。,6.3 熵,6.3.1 熵的定义及应用6.3.2 熵增原理6.3.3 熵变的计算6.3.4 熵产生和熵平衡,6.3 熵6.3.1 熵的定义及应用,热力学第二定律的本质与熵的概念,凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性。,一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量度。,热力学第二定律的本质与熵的概念凡是自发的过程都是不可逆的，而,6.3.1 熵的定义及应用,1、熵S的定义,p,V,A,B,C(可逆),D (可逆),F (不可逆),任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关，这个热温商具有状态函数的性质。,6.3.1 熵的定义及应用1、熵S的定义pVABC(可逆),2、不可逆过程的熵变 由于S是状态函数，体系不可逆过程的熵变 ，与可逆过程的熵变相等3、Clausius 不等式,P,V,A,B,C(可逆),D (可逆),F (不可逆),6.3.1 熵的定义及应用,2、不可逆过程的熵变 PVABC(可逆)D (可逆)F (不,总结(1)、(2)式得(3)式,“” 号为不可逆过程；“=” 号为可逆过程,Clausius 不等式,4、对于孤立体系：Q=0,熵增原理：一个孤立体系的熵永不减少。,6.3.1 熵的定义及应用,总结(1)、(2)式得(3)式“” 号为不可逆过程；“=”,“” 号为自发过程，“=” 号为可逆过程,任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作一个孤立体系!,注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是总熵变大于0，而不是体系的熵变大于0 。,环境,孤立体系,体系,6.3.1 熵的定义及应用,“” 号为自发过程， 任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可,6.3.1 熵的定义及应用,5、对于绝热体系（Q体系=0 ；Q环境=0 ）,1）绝热可逆过程,绝热体系Q体系=0,环境Q环境=0,6.3.1 熵的定义及应用5、对于绝热体系（Q体系=0,例1：某一铸钢（Cp=0.5kJ /kg K ），重量为40Kg，温度为4500C，用150Kg，250C的油（Cp=2.5kJ /kgK ）冷却。假使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？1）铸钢；2）油；3）两者一起考虑。并判断过程是否自发的。解：铸钢散失的热为Q1=150*0.5（T-450）；油获取的热为Q2=150*2.5（T-25）。Q1=-Q2 解得T=46.520C,答：该过程是自发过程。,6.3.1 熵的定义及应用,例1：某一铸钢（Cp=0.5kJ /kg K ），重量为40,6.3.2 熵增原理,熵增原理指出：一切自发的过程只能向总熵值增加的方向举行，它提供了判断过程方向的准则。当总熵值达到最大，也即体系达到了平衡。应用熵增原理时应注意：孤立体系总熵变,6.3.2 熵增原理熵增原理指出：,6.3.3 熵变的计算,仅有PVT变化的熵变,有相变过程的熵变,环境的熵变,6.3.3 熵变的计算 仅有PVT变化的熵变 有相变,1、有pVT变化的熵变,熵变的计算,2、有相变过程的熵变,等温等压可逆相变（若是不可逆相变，应设计可逆过程）,1、有pVT变化的熵变熵变的计算2、有相变过程的熵变等温等压,理想气体有pVT变化的熵变,(1) 理想气体等温变化,(2) 物质的量一定的等容变温过程,(3) 物质的量一定的等压变温过程,理想气体有pVT变化的熵变(1) 理想气体等温变化(2) 物,(4)物质的量一定从 到 的过程。这种情况一步无法计算，要分两步计算，有三种分步方法：,理想气体有pVT变化的熵变,2) 先等温后等压,3) 先等压后等容,1) 先等温后等容,(4)物质的量一定从 到,熵变的计算,(1)体系可逆变化时环境的熵变,(2)体系是不可逆变化时，但由于环境很大，可将体系与环境交换的热量设计成另一个可逆过程交换的热量。,3、环境的熵变,熵变的计算(1)体系可逆变化时环境的熵变(2)体系是不可逆变,等温变化的熵变例题,2）不可逆过程,U=Q + W,等温变化的熵变例题2）不可逆过程U=Q + W,等温变化的熵变例题,3) 真空膨胀,4) 比较,不可逆性越大，总熵变越大！,等温变化的熵变例题3) 真空膨胀4) 比较不可逆性越大，总熵,相变过程的熵变例题,例3：求1mol过冷水在1atm，-10oC的凝固为冰的熵差。已知H2O在1atm、0oC的凝固热为-6020J/mol，Cp冰=37.6J/mol.K；Cp水=75.3J/mol.K。,解:,相变过程的熵变例题例3：求1mol过冷水在1atm，-10o,相变过程的熵变例题,该过程是自发进行的！,相变过程的熵变例题该过程是自发进行的！,相变过程的熵变例题,解:,例4：求1）水在1atm，100oC的相变熵变, 2)水汽在20oC的相变熵变。已知H2O在100oC的汽化热为40.62kJ/mol,相变过程的熵变例题解:例4：求1）水在1atm，100oC的,相变过程的熵变例题,2) 水汽在20oC的相变熵变。已知H2O在100oC的汽化热为40.62kJ/mol。,解:,不可逆相变，可以设计可逆相变求S 值。,相变过程的熵变例题2) 水汽在20oC的相变熵变。已知H2O,熵及熵增原理小结,熵及熵增原理小结过程S总S体系S环境总则0，+0，+，,6.3.4 熵产生和熵平衡,熵增的过程即是能量损耗的过程。熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的能量有效利用。,6.3.4 熵产生和熵平衡熵增的过程即是能量损耗的过程。,熵产生,熵产生,化工热力学课件之化工过程能量分析概要,6.3.4 熵平衡,例：有人有一发明如下，请判断它的可行性,T=450K环境1,T=273K环境2,高温储热器,冷却水,6.3.4 熵平衡例：有人有一发明如下，请判断它的可行性,6.3.4 熵平衡,解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定律（能量守恒、总熵变 0 ）,答：不可行,6.3.4 熵平衡解题思路：是否同时符合热力学第一、第二,6.4 理想功和损失功,1、理想功Wid：指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。完全可逆是指： (1)体系内所有的变化过程必须是可逆的 (2)体系与温度为T0的环境进行热交换是可逆的。理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。,6.4 理想功和损失功1、理想功Wid：,理想功,（1）非流动过程 U=Q + W过程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个温度为T0的恒温热源。,理想功产生最大功；消耗最小功,理想功（1）非流动过程理想功产生最大功；消耗最小功,理想功,（2）稳定流动过程,环境的温度,理想功（2）稳定流动过程环境的温度,理想功,（3）说明理想功Wid仅与体系状态有关，与具体的变化途径无关。理想功Wid与环境的温度T0有关。,理想功（3）说明,5.4 理想功和损失功,例：有一股压力分别是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，经稳流过程变成250C的水，求Wid(T0=298K),结论：1）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。 2）高压蒸汽的加热能力比低压蒸汽弱，因此用低压蒸 汽来加热最恰当。,5.4 理想功和损失功P(MPa)T(0C)H(KJ/Kg,损失功,2、损失功WL ：由于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。损失功体系在给定状态变化过程中该过程实际Wac与所计算的理想功Wid的差值：,损失功2、损失功WL ：,损失功,损失功：与1）环境温度T0; 2）总熵变有关,过程的不可逆性越大，S总越大，WL就越大，因此应尽可能降低过程的不可逆性。,损失功损失功：与1）环境温度T0; 2）总熵变有关过程的不可,热力学效率,实际过程的能量利用情况可通过热力学效率加以评定,热力学效率实际过程的能量利用情况可通过热力学效率加以评定,5.4 理想功和损失功,例：流动水由900C变为700C，CP=1Cal/g.K，忽略压差，求WL(T0=298K) 。,5.4 理想功和损失功例：流动水由900C变为700C，C,例： 一台蒸汽透平机，进入的是压力为1570KPa和温度为4840C的过热蒸汽，排出的蒸汽压力为68.7KPa。透平机中过程不是可逆也不是绝热，实际输出的功等于可逆绝热时轴功的85%。由于保温不完善，在环境温度200C时，损失于环境的热量为7.12kJ/kg，试求该过程的理想功、损失功及热力学效率。解：1）查表得蒸汽初态H1=3428kJ/kg， S1=7.488kJ/kg.KS2=7.488kJ/kg.K2）68.7KPa下H2=2659kJ/kg3）可逆绝热功WSWS= H -Q = H2 -H1 =-769kJ/kgWac=85%WS=-653.7kJ/kg,T,S,P1= 1570KPa T1 = 4840C,P2=68.7KPa,2,1,2,例： 一台蒸汽透平机，进入的是压力为1570KPa和,4）稳流体系，忽略动能和位能差实际过程Wac= H -QH2 =H1+ Q+ Wac=3428-7.12-653.7=2767kJ/kg5） 68.6KPa ，H2下的S2= 7.76kJ/kg.K（过热蒸汽）S体系=（S2 - S1）=7.76-7.488=0.272kJ/kg.K6）理想功 Wid= H -T0 S体系=（2767-3428）- 293.15*0.272 =-740.7kJ/kg.K7）损失功WL=T0S总S环境=Q/T0=7.12/293.15=0.02425kJ/kg.KWL=T0S总=293.15（0.272+0.02425）=86.82kJ/kg或WL=Wac-Wid=-653.7-（-740.7）=87kJ/kg8）热力学效率=Wac/ Wid =1- WL/ Wid =（1-86.82/740.6）*100%=88.28%,4）稳流体系，忽略动能和位能差,基本概念,能量不仅有数量，而且有质量（品位）。功的品位高于热 。1度电=1KWhr=3600KJ=860Kcal但860Kcal热不能变成1度电。热转变为功的效率为30%。高压蒸汽的做功能力高于低压蒸汽。高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。大气中的能量全部不能做功。,基本概念能量不仅有数量，而且有质量（品位）。,5.5.2 的计算,1、稳定流动体系的Ex,5.5.2 的计算1、稳定流动体系的Ex,注意：（1 ）Ex与理想功的区别：理想功是任意两个状态的变化，而E的末态是体系的基准态(P0，T0)， 该态的Ex为0（ 2 ）Ex是状态函数,稳定流动体系的ExEx,比较：,注意：稳定流动体系的ExEx比较：,Ex与理想功的区别,例：1)有一股压力分别是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，经稳流过程均变成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).,Ex与理想功的区别P,MPaT,0CHSWidEx蒸汽7.0,Ex与理想功的区别,例：2) 7.0MPa蒸汽作功后变成1.0MPa蒸汽,求此过程的Wid和作功前后蒸汽具有的的有效能Ex(T0=298K）,Ex与理想功的区别例：2) 7.0MPa蒸汽作功后变成1.0,1、物理Ex：浓度、组成不变，T，P T0，P0引起的 Ex 变化。2、化学Ex： T0，P0 T0，P0 ，但浓度、组成变化引起的Ex变化。3、功的Ex即是功4、动能、位能对Ex的贡献可忽略,扩散：浓度变化化学反应：组成变化,热的Ex ExQ压力Ex ExP,Ex,1、物理Ex：扩散：浓度变化热的Ex ExQEx,2）压力EXP,2）压力EXP,P,T,KSHH0-HEXEX水0.10132980.367,分析：1）压力相同（1.013MPa ），过热蒸汽的Ex比饱和蒸汽大，所以其做功本领也大。2）温度相同（573K）高压蒸汽的作功本领比低压蒸汽强。3）温度相同（573K）高压蒸汽的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）放出的热相同（557.5K和453K的饱和蒸汽），高温高压蒸汽的Ex比低温低压蒸汽的高28.13%。结论：1）一般供热用0.51.0MPa（1501800C）的饱和蒸汽。2）高压蒸汽（10MPa）用来做功。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。,分析：,Ex2,Ex1,Q,WRS,1、Ex衡算,一切不可逆过程伴随着Ex的损失, 可逆过程,5.5.3 Ex的衡算及Ex效率,进入过程或设备的Ex总和,离开过程或设备的Ex总和,不可逆过程：,Ex2Ex1QWRS1、Ex衡算一切不可逆过程伴随着Ex的,2、Ex效率,5.5.3 Ex的衡算及Ex效率,1) 总Ex效率,注意区别,Ex,2、Ex效率 5.5.3 Ex的衡算及Ex效率1),2)目的Ex效率 -最常用,5.5.3 Ex的衡算及Ex效率,2)目的Ex效率 -最常用 5.5.3,降低资源消耗 减少环境破坏,2003年，创造了11.67万亿的国内生产总值 （GDP），增长率达9.1%，但投入就有5.7万亿。 2003年，中国消耗了全球总产量30%的主要能源和原材料，创造的GDP仅占世界的4%。如果按每1美元生产总值能耗，我国比发达国家能耗高45倍。目前，美国每万美元耗水为514M3，日本208M3，中国5045M3，是发达国家的820倍。中国很多地区的经济增长速度是靠高投资、高能耗、高污染换来的。中央提出的“科学发展观”坚持以人为本，全面、协调、可持续的发展。,降低资源消耗 减少环境破坏2003年，创造了1,第五章 总结,U=Q +W 封闭体系H=Q +Ws 稳定流动体系,1、热力学第一定律,4、热功转换的不等价性,3、最常用的能量平衡方程,5、热力学第二定律,2、稳流体系能量平衡方程及其各种简化,第五章 总结U=Q +W 封闭体系1、热力学第,第五章 总结,6、热机效率,7、卡诺循环的可逆机效率,8、熵及熵增原理,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,“” 号为不可逆过程；“=” 号为可逆过程,第五章 总结6、热机效率7、卡诺循环的可逆机效率8、熵及熵增,熵及熵增原理小结,熵及熵增原理小结过程S总S体系S环境总则0，+0，+，,第五章 总结,10、熵平衡,11、理想功Wid：,9、熵变的计算,1、有pVT变化的熵变,2、有相变过程的熵变,3、环境的熵变,第五章 总结10、熵平衡11、理想功Wid：9、熵变的计算1,第五章 总结,12、损失功WL：,13、Ex,注意与理想功的区别,14、Ex效率,第五章 总结12、损失功WL：13、Ex注意与理想功的区别1,各种效率小结,Ex,各种效率小结热效率Q热机效率H热力学效率a 效率,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Ex比低温低压蒸汽的高。,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,能量有效利用的概念,5）一般供热用0.51.0MPa（1501800C）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 问题：10kg/cm2的水蒸气能否推动汽轮机？10kg/cm2=1.0MPa，适合供热。,能量有效利用的概念5）一般供热用0.51.0MPa（150,