《化工热力学》PPT课件.ppt

5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析热力学第一定律、第二定律的应用热力学第一定律、第二定律的应用1 5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 本章目的：本章目的：学习能量分析的学习能量分析的原理和方法原理和方法 本章要求：本章要求：l 1、正确理解并熟练应用流动过程热力学、正确理解并熟练应用流动过程热力学第第一定律一定律;l 2、正确理解并熟练掌握热力学、正确理解并熟练掌握热力学第二定律第二定律，了，了解热功转换的解热功转换的方向和限度方向和限度；2本章要求：本章要求：l 3、掌握、掌握熵变的计算熵变的计算，并运用熵增原理，并运用熵增原理判判断断实际过程进行的方向和限度；实际过程进行的方向和限度；l 4、正确理解并熟练掌握、正确理解并熟练掌握理想功和损失功理想功和损失功的的定义定义及其及其应用应用；l 5、正确理解并熟练应用、正确理解并熟练应用有效能有效能、有效能有效能的衡算的衡算及其及其应用应用.5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 3 5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 化工过程需要消耗大量能量，化工过程需要消耗大量能量，提高能量利提高能量利用率、合理地使用能量用率、合理地使用能量已成为人们共同关心的问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理使用已成为现代热力学一大任务现代热力学一大任务。4 进行化工过程能量分析的理论基础是进行化工过程能量分析的理论基础是 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律。热力学第二定律。在在“物化物化”课程中我们已经学习过热力课程中我们已经学习过热力学两大定律，利用这两大定律可以计算过程学两大定律，利用这两大定律可以计算过程的的热和功，热和功，以及判断过程的以及判断过程的方向和限度。方向和限度。5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 5 但但“物化物化”上着重介绍两大定律上着重介绍两大定律在在封闭系统封闭系统中的应用，而在实际化工中的应用，而在实际化工生产中大量遇到的是生产中大量遇到的是敞开体系敞开体系，这类，这类体系中进行的是体系中进行的是流动过程流动过程，因此在化，因此在化工热力学课程中进一步讨论工热力学课程中进一步讨论两大定律两大定律对于流动过程的应用。对于流动过程的应用。5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 65.1 能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.2 热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 5.3 熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生 理想功和损失功理想功和损失功 5.5 有效能及其计算有效能及其计算 5.6 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率 5.7 有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 75.1 能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.2 热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 5.3 熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生 5.4 理想功和损失功理想功和损失功 5.5 有效能及其计算有效能及其计算 5.6 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率 5.7 有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 8能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 9能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 10 自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是自然界的物质是千变万化的，但就其数量来说是不变的。自然界中一切不变的。自然界中一切物质物质都具有都具有能量能量，能量是物质，能量是物质的的固有属性固有属性。物质和运动物质和运动是不可分割的，没有不运动是不可分割的，没有不运动的物质，也没有非物质的运动，的物质，也没有非物质的运动，在物质的运动和转化在物质的运动和转化过程中，伴随着能量的传递和转化，过程中，伴随着能量的传递和转化，并且并且不生不灭不生不灭，即能量也是即能量也是守恒守恒的。的。热力学第一定律热力学第一定律明确表明了自然明确表明了自然界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能界中能量的多种形式之间是可以相互转换的，但只能是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不是等量相互转换，这就说明能量既不能被消灭，也不能凭空产生，必须遵循能凭空产生，必须遵循守恒规律守恒规律。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质11用数学式表示用数学式表示(体系的能量体系的能量)+(环境的能量环境的能量)=0或或(体系的能量体系的能量)=-(环境的能量环境的能量)能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质12 为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们简单回顾一下有关体系的概念简单回顾一下有关体系的概念 封闭体系封闭体系（限定质量体系）（限定质量体系）与环境与环境仅有能量交换仅有能量交换，而无质量交换，体，而无质量交换，体系内部是固定的系内部是固定的.敞开体系敞开体系（限定容积体系）（限定容积体系）与环境与环境既有能量交换也有质量交换既有能量交换也有质量交换。由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的一定空间范围为研究对象的 化工生产中大都为稳定流动体系化工生产中大都为稳定流动体系 能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质13 稳流过程稳流过程 敞开体系中发生的过程为流动过程，敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流如果流动过程进行时，动过程进行时，（限定容积）（限定容积）体系内任一点的热体系内任一点的热力学性质都不随时间而变（但各点状态可以不同）力学性质都不随时间而变（但各点状态可以不同）；进出口物料的质量流率都相等，并不随时间而；进出口物料的质量流率都相等，并不随时间而变化。变化。即在体系内即在体系内没有物料和能量的积累没有物料和能量的积累，则此，则此过程称为稳定流动过程，简称过程称为稳定流动过程，简称稳流过程稳流过程。因此化。因此化学工程中讨论的体系大都为学工程中讨论的体系大都为稳定流动体系。稳定流动体系。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质14能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质1122P1,T1,mP2,T2,m.15 均流过程均流过程 如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容积内物质的积内物质的状态（凝聚状态）是均匀的状态（凝聚状态）是均匀的，限定容，限定容积内积内各点都处于相同的状态（凝聚状态）各点都处于相同的状态（凝聚状态），但整，但整个限定容积内的热力学状态（个限定容积内的热力学状态（P、T等）随时间而等）随时间而变，则此过程称为变，则此过程称为均匀流动过程均匀流动过程，简称，简称均流过程均流过程 如：钢瓶充气或排气的过程如：钢瓶充气或排气的过程 能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质16能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.1 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 5.1.3 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 17l “物化物化”中我们已经讨论了封闭体系的能中我们已经讨论了封闭体系的能量平衡方程，形式为量平衡方程，形式为 l 式中式中W为体积膨胀功为体积膨胀功能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 18 容量性质的数量衡算（任何体系）容量性质的数量衡算（任何体系）进入体系的量进入体系的量-离开体系的量离开体系的量=体系积累的量体系积累的量 可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式可得到体系的物料平衡和能量平衡方程式能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 物料平衡方程式物料平衡方程式 19能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 Z2Z11212QWSP2,T2,V2,E2P1,T1,V1,E1换热器换热器透平机透平机稳稳流流过过程程示示意意图图基准面基准面 0 米米20能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 能量平衡方程能量平衡方程 进入体系的能量进入体系的能量-离开体系的能量离开体系的能量=体系积累的能量体系积累的能量 进入进入体系的能量：体系的能量：微元体本身具有的能量微元体本身具有的能量 E1m1 环境对微元体所作的流动功环境对微元体所作的流动功 P1V1m1 环境传入的热量环境传入的热量 Q 21 能量平衡方程能量平衡方程 进入体系的能量进入体系的能量-离开体系的能量离开体系的能量=体系积累的能量体系积累的能量 离开离开体系的能量：体系的能量：微元体本身具有的能量微元体本身具有的能量 E2m2 微元体对环境所作的流动功微元体对环境所作的流动功 P2V2m2 体系对环境做的轴功体系对环境做的轴功-WS 能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 体系内积累体系内积累的能量的能量 d(mE)22能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 能量衡算式为能量衡算式为 注意：注意：l E单位质量流体的总能量单位质量流体的总能量，它包含有，它包含有 内能、动能和位能内能、动能和位能23l PV流动功流动功(或称推动功或称推动功)，在流体流动在流体流动时，相互推动交换的功时，相互推动交换的功。表示单位质量流体对。表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功。环境或环境对流体所作的功。功功=力力位移位移 P1V1输入流动功输入流动功，环境对体系做功，环境对体系做功 P2V2输出流动功输出流动功，体系对环境做功，体系对环境做功能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 24l Ws 单位流体通过机器时所作的单位流体通过机器时所作的轴功轴功，即即通过机械设备的旋转轴在体系和环境之间传通过机械设备的旋转轴在体系和环境之间传递的能量。递的能量。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定热力学第一定 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 25l 能量平衡方程的一般形式能量平衡方程的一般形式能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定热力学第一定 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 26n 在以上推导过程中没有任何条件限制，在以上推导过程中没有任何条件限制，所以能量平衡方程式（所以能量平衡方程式（5-9）不受流体属性的）不受流体属性的限制，也不受其过程的限制。在实际过程中，限制，也不受其过程的限制。在实际过程中，能量平衡方程在一定的条件下对于一定的过能量平衡方程在一定的条件下对于一定的过程可以进行适当简化，下面我们就具体讨论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。能量平衡方程的应用。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定热力学第一定 5.1.2 能量平衡方程能量平衡方程 27能量平衡方程能量平衡方程-热力学第一定律热力学第一定律 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 能量平衡方程能量平衡方程 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 28l 1）封闭体系：）封闭体系：限定质量体系，无质量交换限定质量体系，无质量交换 由能量平衡式由能量平衡式得得能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 29 若若 不存在流动功不存在流动功 PV=0 则则 W=WS微分式微分式积分式积分式 能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 30l 2）稳定流动体系）稳定流动体系:体系中无能量、物质的积累体系中无能量、物质的积累 积分上式，并除以积分上式，并除以m得得单位质量稳流体系的能单位质量稳流体系的能量平衡方程量平衡方程能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 31应用此式时要注意以下几点：应用此式时要注意以下几点：单位要一致，且用单位要一致，且用国际单位制，国际单位制，若用工程若用工程 单位制，所得公式与此式不同；单位制，所得公式与此式不同；式中式中Q和和WS为代数值，即：为代数值，即：Q以体系以体系吸热吸热 为正为正，WS以体系以体系得功得功(环境对体系做功）环境对体系做功）为正为正；应用条件是应用条件是稳定流动体系稳定流动体系，不受过程是否可逆，不受过程是否可逆 或流体性质的影响。或流体性质的影响。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 32一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置33能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 n对化工机器：如膨胀机、压缩机等对化工机器：如膨胀机、压缩机等u透平机是借助流体的减透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功压和降温过程来产出功 u压缩机可以提高流体的压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功压力，但是要消耗功 34 能量平衡方程的应用与简化能量平衡方程的应用与简化:相较焓变小得多，可忽略不计相较焓变小得多，可忽略不计则则能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 35n 对化工设备：如反应器、热交换器、传对化工设备：如反应器、热交换器、传质设备、阀门、管道等质设备、阀门、管道等则得则得能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 36 这个式子的物理意义表现在这个式子的物理意义表现在：体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度体系状态变化，如发生化学反应、相变化、温度变化时与环境交换的热量（变化时与环境交换的热量（反应热、相变热、显热反应热、相变热、显热）等于体系的焓差。等于体系的焓差。这里这里 Q 是过程函数，不是状态函数，与过程的是过程函数，不是状态函数，与过程的途径有关，不易计算，当途径有关，不易计算，当 Q=H 时，将热量的计算时，将热量的计算与体系的与体系的状态函数相关联状态函数相关联，就可以解决热量计算的问，就可以解决热量计算的问题了。题了。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 37n 对化工机器的绝热过程对化工机器的绝热过程 则则 此式说明在绝热情况下，当动能和位能的变化此式说明在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系对环境所做的功等于体系焓的减相对很小时，体系对环境所做的功等于体系焓的减少，少，功和热都是过程的函数功和热都是过程的函数，但焓是状态函数但焓是状态函数，在，在特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的特定条件下就可以利用流体经过运转设备进出口的焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可焓差计算功，不论是什么工质，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立的。逆，这个式子总是成立的。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 38n 对喷嘴：对喷嘴：如喷射器，是通过改变流通截面使流体的动能如喷射器，是通过改变流通截面使流体的动能与静压能发生变化的一种装置。高压气体通过喷嘴与静压能发生变化的一种装置。高压气体通过喷嘴后，压力下降，而后，压力下降，而u2远远增大远远增大.能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 39混合器混合器n （5）保温良好的反应器、换热器、混合器、）保温良好的反应器、换热器、混合器、膨胀槽及流体流过节流阀等时膨胀槽及流体流过节流阀等时40则得则得 使用此式，可方便的求绝热过程中体系的温使用此式，可方便的求绝热过程中体系的温度变化；方便的求加热剂或冷却剂的用量。度变化；方便的求加热剂或冷却剂的用量。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 41泵水n（6）管路和流体输送管路和流体输送通过泵得到轴功通过泵得到轴功位能变化位能变化42（6）管路和流体输送管路和流体输送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Bernoulli 方程方程43例题：例题：300C的空气，以的空气，以5m/s的速度流过一垂直安装的的速度流过一垂直安装的换热器，被加热至换热器，被加热至1500C。若加热器进出口管径相。若加热器进出口管径相等，忽略空气流过加热器的压降，换热器高度为等，忽略空气流过加热器的压降，换热器高度为3m，空气的恒压平均热容，空气的恒压平均热容试求试求50kg空气从换热器吸收的热量。空气从换热器吸收的热量。解：解：根据单位质量稳流体系的能量平衡式根据单位质量稳流体系的能量平衡式能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 44上式各项从进口至出口求解，其中上式各项从进口至出口求解，其中WS=0若将空气当作理想气体处理，并忽略其压降时若将空气当作理想气体处理，并忽略其压降时能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 45V,u分别为体系的比容与流速分别为体系的比容与流速能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 46故故50kg空气从换热器吸收的热量空气从换热器吸收的热量Q为为注意：注意：（1）空气吸收的热量主要用于增加其焓值，）空气吸收的热量主要用于增加其焓值，动能与位能的增量相较焓的增加可以忽略不计。动能与位能的增量相较焓的增加可以忽略不计。（2）单位的统一）单位的统一(kg、m、sN、m-J)。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 47 热力学第一定律是从能量传递或转换过热力学第一定律是从能量传递或转换过程中总结出来的一条客观规律。凡违背热力程中总结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程是否一定会自发发生热力学第一定律的过程是否一定会自发发生呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律。必须用热力学第二定律。能量平衡方程能量平衡方程热力学第一定律热力学第一定律能量能量平衡方程的应用平衡方程的应用 48能量平衡方程能量平衡方程-热力学第一定律热力学第一定律 热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质 能量平衡方程能量平衡方程 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 49 5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 能量平衡方程能量平衡方程-热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生 理想功和损失功理想功和损失功 有效能及其计算有效能及其计算 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率 有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 50 由物化知道，由物化知道，热力学第一定律主要解力学第一定律主要解决自然界能量守恒决自然界能量守恒问题，而，而热力学第二定力学第二定律主要解决方向和限度律主要解决方向和限度问题。对孤立体系孤立体系 =0=0 时时,可逆可逆 0 0 时时,不可逆不可逆5 5 化工化工过程的能量分析程的能量分析 热力学第二定律力学第二定律热功功转化与化与熵函数函数 51热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 1）基本概念）基本概念 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 4）熵变的计算）熵变的计算 521）基本概念）基本概念 l 自发过程自发过程:是不消耗功即可进行的过程；是不消耗功即可进行的过程；l 非自发过程非自发过程:需要消耗功才可进行。需要消耗功才可进行。如：如：夏天的济南，水变成冰就是非自发过程，夏天的济南，水变成冰就是非自发过程，夏天的喜马拉雅山顶，水变成冰就是自发过程。夏天的喜马拉雅山顶，水变成冰就是自发过程。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 l 可逆过程：可逆过程：没有摩擦，推动力无限小，因此过程没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无限慢进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；对产功的可逆过程，对产功的可逆过程，产功最大产功最大；对耗功的可逆过程，；对耗功的可逆过程，耗功最小耗功最小；逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下；逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。53l 不可逆过程：不可逆过程：有有摩擦摩擦，过程进行有一，过程进行有一定速度，体系内部不均匀（有定速度，体系内部不均匀（有扰动、涡流扰动、涡流等现象等现象），逆向进行时体系恢复始态，环），逆向进行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程相比较，过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。于可逆过程。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 1）基本概念）基本概念 541）基本概念）基本概念 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 4）熵变的计算）熵变的计算 热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 55 自然界中的许多过程，如自然界中的许多过程，如热热从高温物从高温物体体传递传递给低温物体，给低温物体，气体气体向真空或低压向真空或低压膨膨胀胀，水水由高处由高处流向流向低处，这些过程都不需低处，这些过程都不需要借助外力即可进行。自然界中类似的自要借助外力即可进行。自然界中类似的自发过程的进行有一定的方向性。发过程的进行有一定的方向性。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 5657气体由高压向低压膨胀气体由高压向低压膨胀58热由高温物体传向低温物体热由高温物体传向低温物体59u我我们们可可以以使使这这些些过过程程按按照照相相反反方方向向进进行行，但是需要消耗功。但是需要消耗功。u第第一一定定律律没没有有说说明明过过程程发发生生的的方方向向，它它告诉我们能量必须守衡。告诉我们能量必须守衡。u第二定律告诉我们过程发生的方向。第二定律告诉我们过程发生的方向。60热量传递的方向与限度热量传递的方向与限度:热量传递的热量传递的方向性方向性是指高温物体可自发是指高温物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的热则必须消耗功。热量传递的限度限度是温度达是温度达到一致，不存在温差。到一致，不存在温差。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 61热功转换的方向热功转换的方向:热功转换的热功转换的方向性方向性是指是指 功可以完全转化为热，功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功。而热只能部分转化为功。之所以有此结果，之所以有此结果，原因原因是是由于由于热是无序能量热是无序能量，而，而功是有序能量功是有序能量，自然界都遵，自然界都遵循这样一个规律：循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运有序运动可以自发转变为无序运动，动，而无序运动不能自发转变为有序运动。而无序运动不能自发转变为有序运动。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 6263热功转换的限度热功转换的限度卡诺循环卡诺循环 卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可逆过程完成一个工作循环，卡诺循环解决了工质逆过程完成一个工作循环，卡诺循环解决了工质从高温热源吸收的热量转换为功的从高温热源吸收的热量转换为功的最大限度。最大限度。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 64Carnot循环循环（正热力循环，产功）（正热力循环，产功）热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度热功转换与热量传递的方向和限度 65卡诺循环分两种情况：卡诺循环分两种情况：正正卡诺循环和卡诺循环和逆逆卡诺循环。卡诺循环。l 正卡诺循环正卡诺循环 是指工质吸热温度高于排热温是指工质吸热温度高于排热温 度，是度，是产功产功过程（热电厂、蒸汽机）；过程（热电厂、蒸汽机）；l 逆卡诺循环逆卡诺循环 是指吸热温度低于排热温度，是是指吸热温度低于排热温度，是 耗功制冷耗功制冷过程（空调、冰机、热泵）。过程（空调、冰机、热泵）。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 66l 卡诺循环的结果是热部分地转化为功，其卡诺循环的结果是热部分地转化为功，其济性用济性用热效率热效率来评价。热效率的来评价。热效率的物理意义为物理意义为工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。率。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 67卡诺循环卡诺循环(可逆循环可逆循环)的热效率最大的热效率最大卡诺定理卡诺定理l 可以根据热力学第一定律推出卡诺循环可以根据热力学第一定律推出卡诺循环 的热效率的热效率l 热力学第一定律热力学第一定律 H=Q+WSl H为状态函数，工质通过一个循环为状态函数，工质通过一个循环 H=0热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 68热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 S1S2THTLQ=TdS69热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 注意以下几点注意以下几点:l 欲使欲使C1 ，则，则需需TH 或或TL0，在实在实际当中是不可能的，也说明了际当中是不可能的，也说明了热不能完热不能完 全转化为全转化为功；功；l ，欲使效率增大，需要，欲使效率增大，需要TH升升高，高，TL降低，工程上采用高温高压，提高吸热温降低，工程上采用高温高压，提高吸热温度度TH，要考虑对材质的影响；，要考虑对材质的影响；70l 若若TH=TL ，则，则C C=0=0，这说明，这说明单一热源单一热源 不能转化为功不能转化为功，必须有两个热源；，必须有两个热源；l 卡诺循环，卡诺循环，可逆可逆 最大最大，相同的，相同的TH、TL无无论经过何种过程，何种工质，论经过何种过程，何种工质，可逆可逆是相同的且是相同的且最大最大卡诺定理卡诺定理。实际上热机只能接近，不实际上热机只能接近，不能达到。能达到。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 71意义：意义：虽然可逆过程只是一个虽然可逆过程只是一个理想过程理想过程，实际上，实际上无法实现，由可逆过程组成的卡诺循环发动机无法实现，由可逆过程组成的卡诺循环发动机也无法制造，但是，卡诺循环在热力学中具有也无法制造，但是，卡诺循环在热力学中具有重大的意义。卡诺循环在历史上首先重大的意义。卡诺循环在历史上首先奠定了热奠定了热力学第二定律的基本概念力学第二定律的基本概念，对如何提高各种热对如何提高各种热机的效率指明了方向。机的效率指明了方向。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 72热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 1）基本概念）基本概念 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 4）熵变的计算）熵变的计算 73 熵函数熵函数 物化上我们已经讲过了熵函数，大家知道物化上我们已经讲过了熵函数，大家知道熵函数是抽象的难理解的概念，这里我们简单熵函数是抽象的难理解的概念，这里我们简单的复习一下。的复习一下。我们可以通过研究热机的效率推导出熵函我们可以通过研究热机的效率推导出熵函数的定义式。对于可逆热机有数的定义式。对于可逆热机有 热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 74热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 75l 只有体系的某只有体系的某状态函数状态函数，当经历一个循环后，当经历一个循环后，其函数的净增量才等于零。现在其函数的净增量才等于零。现在工质工质经过一个可经过一个可逆循环逆循环l 这说明了这说明了:表示体系在可逆吸热表示体系在可逆吸热与可逆放热阶段某状态函数的增量，人们就把与可逆放热阶段某状态函数的增量，人们就把此此函数定义为熵。函数定义为熵。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理熵函数与熵增原理 76l 熵定义熵定义:由卡诺效率推导出由卡诺效率推导出 l 熵变熵变热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 77热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式 因为因为:可逆可逆 不可逆不可逆热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 78l 可逆过程：可逆过程：l 不可逆过程：不可逆过程：l 这两个式子说明，可逆过程的熵变这两个式子说明，可逆过程的熵变等于等于其热温商，不可逆过程的熵变则其热温商，不可逆过程的熵变则大于大于其热其热温熵。温熵。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 79 对可逆过程和不可逆过程用同一式子表示，对可逆过程和不可逆过程用同一式子表示，就得到了热力学第二定律的表达式：就得到了热力学第二定律的表达式：=可逆可逆 不可逆不可逆热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 80 注意：注意：l 熵是状态函数。只要始态、终态相同熵是状态函数。只要始态、终态相同;l 对于不可逆过程，可以设计一个可逆对于不可逆过程，可以设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温商积分计算熵变。过程，利用可逆过程的热温商积分计算熵变。热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 81 熵增原理熵增原理 对于孤立体系（或绝热体系）对于孤立体系（或绝热体系）Q=0 熵增原理表达式熵增原理表达式 这个式子说明这个式子说明热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 82热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 l St 为为总熵变总熵变 St=Ssys+Ssurl 只有同时满足热力学只有同时满足热力学第一定律第一定律和热力学和热力学第第二定律二定律的过程，在实际当中才的过程，在实际当中才 能实现能实现，违背其，违背其中任意一条，过程就中任意一条，过程就不能实现不能实现。83热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 1）基本概念）基本概念 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 4）熵变的计算）熵变的计算 84热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 5）熵变的计算）熵变的计算 l 由可逆过程的热温商计算（熵定义），由可逆过程的热温商计算（熵定义），温温度、压力均发生变化时度、压力均发生变化时 第一定律第一定律 可逆过程可逆过程 两边同除两边同除T,即即85热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 5）熵变的计算）熵变的计算 因为因为对于理想气体对于理想气体所以所以86l 相变化熵变相变化熵变 相变化都属于可逆过程，相变化都属于可逆过程，并且相变化的热量根据能量平衡方程知并且相变化的热量根据能量平衡方程知 所以相变化的熵变为所以相变化的熵变为热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 5）熵变的计算）熵变的计算 87l 环境熵变环境熵变l 热力学环境一般指周围大自然，可视为热力学环境一般指周围大自然，可视为恒温热源，因此恒温热源，因此热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 5）熵变的计算）熵变的计算 88热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 1）基本概念）基本概念 2）热功转换与热量传递的方向和限度）热功转换与热量传递的方向和限度 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 4）熵变的计算）熵变的计算 89 5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 能量平衡方程能量平衡方程-热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律热力学第二定律热功转化与熵函数热功转化与熵函数 熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生 理想功和损失功理想功和损失功 有效能及其计算有效能及其计算 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率 有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 90思考题：思考题：1.几个概念：稳流过程、稳流体系、流动功、轴几个概念：稳流过程、稳流体系、流动功、轴功、可逆过程、卡诺定理功、可逆过程、卡诺定理。2.稳流体系热力学第一定律的数学表达式及其在稳流体系热力学第一定律的数学表达式及其在不同单元过程中的应用。不同单元过程中的应用。3.讨论可逆过程、卡诺定理的意义。讨论可逆过程、卡诺定理的意义。4.当熵增原理用于敞开体系讨论时，当熵增原理用于敞开体系讨论时，St 应应包括包括 哪两哪两项项？5.体系和体系和环环境境熵变熵变的的计计算。算。91作业作业:5-1 一台透平机每小时消耗水蒸汽一台透平机每小时消耗水蒸汽5550kg，水蒸汽在、，水蒸汽在、728K下以下以61m/S的速度的速度进入机内，出口管道比进口管道低进入机内，出口管道比进口管道低3m，排气，排气速度速度366m/S，透平机的轴功为，热损失为，透平机的轴功为，热损失为105kJ