第四章 化工过程的能量分析精选文档.ppt

第四章 化工过程的能量分析本讲稿第一页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析本章要求本章要求：3、掌握熵变的计算，并运用熵增原理判断实际过程进行的方向和限度；4、正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定义及其应用；5、正确理解并熟练应用有效能、有效能的衡算及其应用。本讲稿第二页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n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。本讲稿第三页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n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二定律。n利用热力学这两大定律可以计算过程的热和功，以及判断过程的方向和限度。本讲稿第四页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.14.1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n4.24.2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n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n4.54.5有效能及其计算有效能及其计算n4.64.6有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n4.74.7有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 本讲稿第五页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.14.1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n4.24.2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n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n4.54.5有效能及其计算有效能及其计算n4.64.6有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n4.74.7有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 本讲稿第六页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n4.1.24.1.2能量平衡方程能量平衡方程n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用本讲稿第七页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n4.1.24.1.2能量平衡方程能量平衡方程n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用本讲稿第八页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n自自然然界界的的物物质质是是千千变变万万化化的的，但但就就其其数数量量来来说说是是不不变变的的，能能量量也也是是守守恒恒的的，热热力力学学第第一一定定律律明明确确表表明明了了自自然然界界中中能能量量的的多多种种形形式式之之间间是是可可以以相相互互转转换换的的，但但只只能能是是等等量量相相互互转转换换，这这就就说说明明能能量量既既不不能能被被消消灭灭，也也不不能能凭凭空空产产生生，必必须须遵遵循守恒规律循守恒规律 本讲稿第九页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n用数学式来表示就是用数学式来表示就是（体系的能量）（体系的能量）+（环境的能量）（环境的能量）=0=0或或 （体系的能量）（体系的能量）=-=-（环境的能量）（环境的能量）本讲稿第十页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n为为了了便便于于下下面面能能量量平平衡衡方方程程的的讨讨论论，我我们简单回顾一下有关体系的概念们简单回顾一下有关体系的概念 n封闭体系（限定质量体系）n与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的 本讲稿第十一页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n敞开体系（限定容积体系）敞开体系（限定容积体系）n与环境既有能量交换也有质量交换。n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，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的 n化工生产中大都为稳定流动体系 本讲稿第十二页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n稳流过程稳流过程n敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，限定容积体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同），则此过程称为稳定流动过程，简称稳流过程。n化工生产中大都为稳定流动体系 本讲稿第十三页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n均流过程均流过程n如果在流动过程中的任何时刻，整个限定容积内物质的状态是均匀的，限定容积内任一点都处于相同的状态（但整个限定容积内的状态随时间而变），则此过程称为均匀流动过程，简称均流过程n如：钢瓶充气或排气的过程本讲稿第十四页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n4.1.24.1.2能量平衡方程能量平衡方程n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用本讲稿第十五页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n容量性质的数量衡算容量性质的数量衡算 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本讲稿第十六页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n物料平衡方程物料平衡方程 本讲稿第十七页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程本讲稿第十八页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n能量平衡方程能量平衡方程 n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 进入体系的能量=微元体本身具有的能量 +环境对微元体所作的流动功 +环境传入的热量 本讲稿第十九页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n离开体系的能量=微元体带出的能量 +流体对环境所作的流动功 +体系对环境所作的轴功n体系积累的能量=本讲稿第二十页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n能量衡算式为 n注意：E单位质量流体的总能量，它包含有内能、动能和位能（A）本讲稿第二十一页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程nPV流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功 nP1V1输入流动功，环境对体系做功nP2V2输出流动功，体系对环境做功本讲稿第二十二页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程nWs单位流体通过机器时所作的轴功，可逆轴功为n为什么可以用这个式子计算呢？n对于可逆总功 本讲稿第二十三页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程因为积分本讲稿第二十四页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n能量平衡方程的一般形 n将和代入A式，n整理可得本讲稿第二十五页，共一百零三页4.14.1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n4.1.2 4.1.2 能量平衡方程能量平衡方程n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（5-9）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。本讲稿第二十六页，共一百零三页4.14.1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n4.1.14.1.1热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质n4.1.24.1.2能量平衡方程能量平衡方程n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用本讲稿第二十七页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n1）封闭体系：限定质量体系，无质量交换封闭体系：限定质量体系，无质量交换 本讲稿第二十八页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n若 n不存在流动功 积分式微分式本讲稿第二十九页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n2）稳定流动体系稳定流动体系 定义：流动过程中体系内流体的质量相等，同时体系内任何一点物料状态不随时间变化，即体系没有质量和能量的积累，这种流动体系通常称为稳流体系。本讲稿第三十页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n2）稳定流动体系稳定流动体系 本讲稿第三十一页，共一百零三页4.14.1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n4.1.3 4.1.3 能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n稳定流动体系的能量衡算式（积分式）本讲稿第三十二页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n应用此式时要注意注意以下几点：n单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；n式中Q和WS为代数值，即：Q以体系吸热为正，WS以体系得功(环境对体系做功）为正；n应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。本讲稿第三十三页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n能量平衡方程的应用与简化能量平衡方程的应用与简化 n对化工机器：如膨胀机、压缩机等本讲稿第三十四页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n对化工设备：如反应器、热交换器、传质设备、阀门、管道等 本讲稿第三十五页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n对化工机器的绝热过程n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少，功和热都是过程的函数，但焓是状态函数，在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，也不论过程是否可逆，这个式子总是成立的。本讲稿第三十六页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n对喷嘴：如如喷喷射射器器，是是通通过过改改变变流流体体截截面面以以使使流流体体的的动动能能与与内内能能发发生生变变化化的的一一种种装装置置。高高压压气气体体通通过过喷喷嘴嘴后后，压压力力下下降降，而而流流速速c c远远远远增大增大 本讲稿第三十七页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n例例：30的空气，以5m/s的速率流过一垂直安装的热换热器，被加热至150，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气的恒压平均热容Cp为1.005kJ/(kgk)，求50kg空气从换热器吸收的热量。本讲稿第三十八页，共一百零三页n解：单位质量的稳流体系能量方程式为：n设下标1为入口，下标2表示出口，则：n 故50kg空气从换热器吸收的热量Q为本讲稿第三十九页，共一百零三页4.14.1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n4.1.34.1.3能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用n热热力力学学第第一一定定律律是是从从能能量量传传递递或或转转换换过过程程中中总总结结出出来来的的一一条条客客观观规规律律。凡凡违违背背热热力力学学第第一一定定律律的的过过程程一一定定不不会会发发生生，但但不不违违背背热热力力学学第第一一定定律律的的过过程程是是否否一一定定会会自自发发发发生生呢呢？这这个个问问题题热热力力学学第第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律 本讲稿第四十页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.14.1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n4.24.2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n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n4.54.5有效能及其计算有效能及其计算n4.64.6有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n4.74.7有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 本讲稿第四十一页，共一百零三页4.24.2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n热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解决方向和限度问题。n对孤立体系本讲稿第四十二页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念 n2 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 n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n4 4）熵变的计算）熵变的计算 本讲稿第四十三页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念 n2 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 n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n4 4）熵变的计算）熵变的计算 本讲稿第四十四页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念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；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：夏天的郑州，水变成冰就是非自发过程，如：夏天的郑州，水变成冰就是非自发过程，冬天的东北，水变成冰就是自发过程。冬天的东北，水变成冰就是自发过程。本讲稿第四十五页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念可可逆逆过过程程：没没有有摩摩擦擦，推推动动力力无无限限小小，因因此此过过程程进进行行无无限限慢慢，体体系系内内部部均均匀匀一一致致，处处于于热热力力学学平平衡衡；对对产产功功的的可可逆逆过过程程，产产功功最最大大；对对耗耗功功的的可可逆逆过过程程，耗耗功功最最小小；逆逆向向进进行行时时，体体系系恢恢复复始始态态，环环境境不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。本讲稿第四十六页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念不不可可逆逆过过程程：有有摩摩擦擦，过过程程进进行行有有一一定定速速度度，体体系系内内部部不不均均匀匀（有有扰扰动动、涡涡流流等等现现象象），逆逆向向进进行行时时体体系系恢恢复复始始态态，环环境境留留下下痕痕迹迹，如如果果与与相相同同始始、终终态态的的可可逆逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。本讲稿第四十七页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念 n2 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 n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n4 4）熵变的计算）熵变的计算 本讲稿第四十八页，共一百零三页4.24.2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n2 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 自自然然界界中中的的许许多多过过程程，如如热热从从高高温温物物体体传传递递给给低低温温物物体体，气气体体向向真真空空或或低低压压膨膨胀胀，水水由由高高处处流流向向低低处处，这这些些过过程程都都不不需需要要借借助助外外力力即即可可进进行行。自自然然界界中中类类似似的的自自发发过过程程的的进进行行有有一一定定的的方向性。方向性。本讲稿第四十九页，共一百零三页4.24.2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n2 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热量传递的方向与限度热量传递的方向与限度 热热量量传传递递的的方方向向性性是是指指高高温温物物体体可可自自发发向向低低温温物物体体传传热热，而而低低温温物物体体向向高高温温物物体体传传热热则则必必须须消消耗耗功功。热热量量传传递递的的限限度是温度达到一致，不存在温差。度是温度达到一致，不存在温差。本讲稿第五十页，共一百零三页4.24.2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n2 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热功转换的方向热功转换的方向 热功转换的方向性是指热功转换的方向性是指 功功可可以以完完全全转转化化为为热热，而而热热只只能能部部分分转转化化为为功功。之之所所以以有有此此结结果果，是是由由于于热热是是无无序序能能量量，而而功功是是有有序序能能量量，自自然然界界都都遵遵循循这这样样一一个个规规律律：有有序序运运动动可可以以自自发发转转变变为为无无序序运运动动，而而无无序序运运动动不不能能自自发发转转变变为有序运动。为有序运动。本讲稿第五十一页，共一百零三页4.24.2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n2 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热功转换的限度热功转换的限度卡诺循环卡诺循环 卡卡诺诺循循环环是是热热力力学学的的基基本本循循环环，它它由由四四个个可可逆逆过过程程完完成成一一个个工工作作循循环环，卡卡诺诺循循环环解解决决了了工工质质从从高高温温热热源源吸吸收收的的热热量量转换为功的最大限度。转换为功的最大限度。本讲稿第五十二页，共一百零三页4.24.2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n2 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 4 4个过程个过程 可逆等温膨胀可逆等温膨胀 1212 工作介质蒸发，吸热工作介质蒸发，吸热Q QH H 可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀 23 23 做功做功W WC C 可逆等温压缩可逆等温压缩 34 34 工作介质冷凝工作介质冷凝 放热放热 Q QL L 可逆绝热压缩可逆绝热压缩 4141 对液体做功（可忽略）对液体做功（可忽略）本讲稿第五十三页，共一百零三页4.24.2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n2 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卡诺循环分两种情况：卡诺循环分两种情况：正卡诺循环和逆卡诺循环。正卡诺循环和逆卡诺循环。正正卡卡诺诺循循环环是是指指工工质质吸吸热热温温度度高高于于排排热热温温度度，是是产产功过程；（热电厂、蒸汽机）功过程；（热电厂、蒸汽机）逆逆卡卡诺诺循循环环是是指指吸吸热热温温度度低低于于排排热热温温度度，是是耗耗功功过过程。（空调、冰机、热泵）程。（空调、冰机、热泵）本讲稿第五十四页，共一百零三页4.24.2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n2 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 卡卡诺诺循循环环的的结结果果是是热热部部分分地地转转化化为为功功，其其经经济济性性用用热热效效率率来来评评价价。热热效效率率的的物物理理意意义义为为工工质质从从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。高温热源吸收的热量转化为净功的比率。本讲稿第五十五页，共一百零三页4.24.2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n2 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卡诺循环的热效率最大卡诺循环的热效率最大可以根据热力学第一定律推出卡诺循环的热效率可以根据热力学第一定律推出卡诺循环的热效率 n热力学第一定律 n为状态函数，工质通过一个循环 本讲稿第五十六页，共一百零三页4.24.2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n2 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 本讲稿第五十七页，共一百零三页4.24.2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n2 2）热热功功转转换换与与热热量量传传递递的方向和限度的方向和限度由由T-ST-S图知图知 本讲稿第五十八页，共一百零三页4.24.2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n2 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 n ，欲使 ，则需 或 ，这在实际当中是不可能的，也说明了热不能完全转化为功；n ，欲使效率增大，需要TH升高，TL降低，工程上采用高温高压，提高吸热温度TH，但要受到材质的影响；本讲稿第五十九页，共一百零三页4.24.2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n2 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 若若 ，则则 ，这这说说明明单单一一热热源源不不能能转转化化为为功功，必须有两个热源；，必须有两个热源；卡卡诺诺循循环环，最最大大，相相同同的的TH、TL无无论论经经过过何何种种过过程程，是是相相同同的的，实实际际上上热热机机只只能能接接近近，不不能达到能达到。本讲稿第六十页，共一百零三页4.24.2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n2 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 意义：意义：虽虽然然可可逆逆过过程程只只是是一一个个理理想想过过程程，实实际际上上无无法法实实现现，由由可可逆逆过过程程组组成成的的卡卡诺诺循循环环发发动动机机也也无无法法制制造造，但但是是，卡卡诺诺循循环环在在热热力力学学中中具具有有重重大大的的意意义义。卡卡诺诺循循环环在在历历史史上上首首先先奠奠定定了了热热力力学学第第二二定定律律的的基基本本概概念念，对对如如何何提提高高各各种种热热机机的的效效率率指指明明了方向。了方向。本讲稿第六十一页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念 n2 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 n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n4 4）熵变的计算）熵变的计算 本讲稿第六十二页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n熵函数熵函数 前前面面我我们们已已经经讲讲过过了了熵熵函函数数，大大家家知知道道熵熵函函数数是是抽抽象象的难理解的概念，这里我们简单的复习一下。的难理解的概念，这里我们简单的复习一下。我我们们可可以以通通过过研研究究热热机机的的效效率率推推导导出出熵熵函函数数的的定定义式。对于可逆热机有义式。对于可逆热机有本讲稿第六十三页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 本讲稿第六十四页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n熵定义:n熵变 本讲稿第六十五页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n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 n因为本讲稿第六十六页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n可逆过程：可逆过程：n不可逆过程：n这这两两个个式式子子说说明明，可可逆逆过过程程的的熵熵变变等等于于其其热热温温商商，不不可逆过程的熵变则大于其热温熵。可逆过程的熵变则大于其热温熵。本讲稿第六十七页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n对对可可逆逆过过程程和和不不可可逆逆过过程程用用同同一一式式子子表表示示，就就得得到到了热力学第二定律的表达式：了热力学第二定律的表达式：本讲稿第六十八页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n注意：注意：n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，n对对于于不不可可逆逆过过程程，可可以以设设计计一一个个可可逆逆过过程程，利利用可逆过程的热温商积分计算熵变。用可逆过程的热温商积分计算熵变。本讲稿第六十九页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n熵增原理熵增原理 n对于孤立体系（或绝热体系）这个式子说明 熵增原理表达式本讲稿第七十页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n自自然然界界一一切切能能够够进进行行的的过过程程都都是是向向着着熵熵增增大大的的方方向向进进行的。行的。n通过以上讨论，我们可以得到以下结论：通过以上讨论，我们可以得到以下结论：自然界一切自发进行的过程都是熵增大的过程；自发过程向着熵增大的方向进行；自发进行的限度；本讲稿第七十一页，共一百零三页4.24.2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n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 为总熵变 只有同时满足热力学第一定律和热力学第二定律的过程，在实际当中才能实现，违背其中任意一条，过程就不能实现。本讲稿第七十二页，共一百零三页4.24.2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n1 1）基本概念）基本概念 n2 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 n3 3）熵函数与熵增原理）熵函数与熵增原理 n4 4）熵变的计算）熵变的计算 本讲稿第七十三页，共一百零三页4.24.2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n4 4）熵变的计算）熵变的计算 n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）第一定律可逆过程两边同除T即本讲稿第七十四页，共一百零三页4.24.2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n4 4）熵变的计算）熵变的计算n又又n对于理想气体对于理想气体 本讲稿第七十五页，共一百零三页4.24.2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n4 4）熵变的计算）熵变的计算 n相变化熵变相变化熵变n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n所以相变化的熵变为 本讲稿第七十六页，共一百零三页4.24.2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n4 4）熵变的计算）熵变的计算 n环境熵变环境熵变n热力学环境一般指周围大自然，可视为恒温热源，因此 本讲稿第七十七页，共一百零三页4.24.2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n4 4）应用举例应用举例n例例：有人设计了一种热机，该机从温度为400k处吸收25000j/s热量，向温度为200k处放出12000j/s热量，并提供16000w的机械功。试问该机器设计是否合理？本讲稿第七十八页，共一百零三页n解：根据热力学第一定律，热机完成一个循环，U=0，则nW=-Q=-(Q1+Q2)=-(25000-12000)=-13000J/S 而设计者提出可供W=-16000J/S W W，违反热力学第一定律又根据热力学第二定律，可逆机效率但设计者提出该机器的效率 综上所述，这种热机设计不合理。本讲稿第七十九页，共一百零三页本讲稿第八十页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.14.1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n4.24.2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n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n4.54.5有效能及其计算有效能及其计算n4.64.6有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n4.74.7有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 本讲稿第八十一页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n1)熵平衡方程熵平衡方程n熵函数既是状态函数，又是容量性质，因此熵也可以按容量性质进行衡算，对于敞开体系，我们选定某一限定容积作为研究体系：入出Q1Q2本讲稿第八十二页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n2）熵产生熵产生 n当排除外因熵变化后，只要体系内部发生不可逆变化，就会有熵产生，因而熵产生就其物理意义来说，就是由于体体系系内内部部的的不不可可逆逆性性引引起起的的熵熵变变化化。这这样样就就可可以以用用熵熵产产生生作作为为判判断断过过程程方方向向的的准准则。则。本讲稿第八十三页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生当 0时，体系内部的过程不可逆或自发当 =0时，体系内部的过程可逆或平衡；当 0时，体系内部的过程不自发。本讲稿第八十四页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n将容量性质衡算通式用于熵，得n与一般衡算式不同之处在于熵函数平衡方程中多了一项熵产生，熵产生是体系由于一系列的不可逆变化而引起的，它反映了体系的不可逆程度。本讲稿第八十五页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n从我们研究的体系来看，熵由两部分携带：物料和热量，功与熵变化无关，因此功不携带熵。n物料携带的熵=n 热流携带的熵=本讲稿第八十六页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n于是：本讲稿第八十七页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n3）熵平衡方程的特殊形式熵平衡方程的特殊形式n当熵平衡方程用于特殊过程时，可以进行特殊简化处理。n绝热过程：本讲稿第八十八页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n可逆过程：n稳流过程：本讲稿第八十九页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n封闭过程：n熵熵产产生生是是判判断断过过程程方方向向和和限限度度的的另另一一种种方方法法，当当环环境境的的熵变熵变不易求取时，可以通过熵产生来进行过程方向的判断。不易求取时，可以通过熵产生来进行过程方向的判断。本讲稿第九十页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析n4.14.1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n4.24.2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n4.34.3熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生n4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n4.54.5有效能及其计算有效能及其计算n4.64.6有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n4.74.7有效能分析法及其应用有效能分析法及其应用 本讲稿第九十一页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n1）理想功理想功 n定定义义：体系以可逆方式进行一定的状态变化，理论上可产生的最大功或理论上必须消耗的最小功，称为理想功。n也就是体系从状态1完全可逆的变化到状态2时的最大功或最小功。完全可逆是指：状态变化可逆；传热可逆（物系与环境）。本讲稿第九十二页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n状态变化可逆是指物系内部所有变化都是可逆的，若物系进行化学变化、相变化、膨胀、压缩等过程都是在可逆条件下进行，过程的推动力无限小。n传热可逆是指物系与环境间的换热也必须是可逆的，这里的环境指的是我们周围的大气。由于环境热容量大，因而环境可视为体系外的一个恒温热源。n由此可见，理想功是一个极限值，任何实际过程的功都不可能高于（或低于）理想功 本讲稿第九十三页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n2）理想功的计算式理想功的计算式非流动体系理想功的计算式非流动体系理想功的计算式由热力学第一定律由热力学第一定律 若过程可逆，则 本讲稿第九十四页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n 又 即式中式中：体系对环境或环境对体系所作的可逆功。它体系对环境或环境对体系所作的可逆功。它包括理想功和抵抗大气压力包括理想功和抵抗大气压力P P0 0所作的无法利用的功所作的无法利用的功P P0 0（V V2 2-V-V1 1）。）。本讲稿第九十五页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n所以由以上讨论，对非流动体系我们可以得到下述结论：理想功决定于体系的始、终状态和环境的状态，与过程无关；体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对应的理想功。本讲稿第九十六页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n 流动过程理想功的计算流动过程理想功的计算 n对于稳流过程，热力学第一定律表达式为 n忽略动能和势能变化 本讲稿第九十七页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n若可逆传热 稳流过程理想功的定义式和计算式，由于 是状态函数，因此稳流过程理想功与途径无关。本讲稿第九十八页，共一百零三页第四章化工过程的能量分析4.44.4理想功和损失功理想功和损失功n2 ）损失功）损失功 n定定义义：体体系系完完成成相相同同状状态态变变化化时时，