化工节能原理与技术2.ppt

化工节能原理与技术北京化工大学北京化工大学 2012.2（春季学期）（春季学期）第一页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1 1第第第第第第 1 1 1 1 1 1 章章章章章章 总总总总总总 论论论论论论1.1 能源与能源的分类能源与能源的分类（1 1）我国国民经济持续高速增长面临资源和环境的双重制约。）我国国民经济持续高速增长面临资源和环境的双重制约。石油作为重要的不可再生资源，其加工过程和产品质量对它的利用效率和生态环境石油作为重要的不可再生资源，其加工过程和产品质量对它的利用效率和生态环境都具有重大影响。都具有重大影响。（2 2）分子水平炼油、原子经济化工）分子水平炼油、原子经济化工 新催化材料、新反应工程和新反应途径新催化材料、新反应工程和新反应途径 第二页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2 2第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论1.1 1.1 能源与能源的分类能源与能源的分类能源与能源的分类能源与能源的分类1.1.1 能源能源能源定义：能源定义：为人类生产和生活提供能量和动力的物质为人类生产和生活提供能量和动力的物质能源类型：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水力、电能能源类型：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水力、电能等。等。能源与能量的区别能源与能量的区别作业：列举几例新型能源及制备技术（从文献摘要中总结作业：列举几例新型能源及制备技术（从文献摘要中总结1-21-2句）。句）。第三页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3 3第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论1.1.2 1.1.2 能源的分类能源的分类能源的分类能源的分类1.1.2.1 1.1.2.1 按来源分类按来源分类来自地球以外天体的能量（太阳辐射能）来自地球以外天体的能量（太阳辐射能）太阳能总能量可达太阳能总能量可达174000 TW/a174000 TW/a地球本身蕴藏的能量（地热能和原子核能）地球本身蕴藏的能量（地热能和原子核能）地球和其他天体相互作用而产生的能量（潮汐能）地球和其他天体相互作用而产生的能量（潮汐能）第四页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4 4第第第第第第 1 1 1 1 1 1 章章章章章章 总总总总总总 论论论论论论1.1.2 能源的分类能源的分类1.1.2.2 1.1.2.2 按能源的转换和利用层次分类按能源的转换和利用层次分类（1 1）一次能源）一次能源 （煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能）（煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能）可再生能源可再生能源非可再生能源非可再生能源（2 2）二次能源）二次能源 （电、蒸汽、煤气、石油制品）（电、蒸汽、煤气、石油制品）（3 3）终端能源）终端能源天然气：甲烷天然气：甲烷(82-98%)(82-98%)和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。和少量的乙烷、丙烷、丁烷等。类似的有煤层气。类似的有煤层气。95%95%以上甲烷以上甲烷水煤气（半水煤气）：水煤气（半水煤气）：主要成分：主要成分：H H2 2,CO,CO,少量少量COCO2 2,N,N2 2,CH,CH4 4等等第五页，编辑于星期六：十八点 三十三分。5 5第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论1.1.2 能源的分类能源的分类1.1.2.3 1.1.2.3 按能源的使用状况分类按能源的使用状况分类（1 1）常规能源）常规能源（2 2）新能源）新能源生物质能：秸杆气化，生物制氢。生物质能：秸杆气化，生物制氢。生物柴油：各种不同油料和醇类在酸或碱催化下进行酯交换反生物柴油：各种不同油料和醇类在酸或碱催化下进行酯交换反 应应1.1.2.4 1.1.2.4 按对环境的污染程度分类按对环境的污染程度分类（1 1）清洁能源）清洁能源（2 2）非清洁能源）非清洁能源第六页，编辑于星期六：十八点 三十三分。6 6第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论1.1.2 能源的分类能源的分类CH2COOR1CHCOOR2CH2COOR3+CH3OHR1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3+CH2OHCHOHCH2OH化学法：液碱催化酯交换，反应速度慢，工艺流程复杂，不 是绿色加工工艺生物法：采用生物酶作催化剂，距离大规模工业化较远高温高压（超临界反应）法：用超临界萃取（或液固萃取）后的液体原料；反应速度快，无催化剂；绿色加工工艺第七页，编辑于星期六：十八点 三十三分。7 7第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论1.1.2 能源的分类能源的分类产物分相酯相甘油相蒸短链醇蒸短链醇真空蒸馏甘油真空蒸馏水洗干燥生物柴油醇水稀溶液醇水稀溶液无共沸物（甲醇/水）普通蒸馏无水甲醇共沸物（乙醇/水、叔丁醇/水）特殊蒸馏无水乙醇（叔丁醇）关键技术后处理分离过程的分子热力学基础，用于建立过程数学模型特殊蒸馏分离醇水稀溶液（分离剂的筛选）第八页，编辑于星期六：十八点 三十三分。8 8第第第第第第 1 1 1 1 1 1 章章章章章章 总总总总总总 论论论论论论1.2 化学工业节能的潜力与意义化学工业节能的潜力与意义1.2.1 1.2.1 我国化学工业的特点我国化学工业的特点（1 1）煤、石油、天然气既是能源，又是原料）煤、石油、天然气既是能源，又是原料（2 2）能源消费以煤为主）能源消费以煤为主（3 3）大宗化学品生产规模太小）大宗化学品生产规模太小1.2.2 1.2.2 节能潜力节能潜力节能总潜力和可实现的节能潜力节能总潜力和可实现的节能潜力第九页，编辑于星期六：十八点 三十三分。9 9第第第第第第 1 1 1 1 1 1 章章章章章章 总总总总总总 论论论论论论1.2 1.2 化学工业节能的潜力与意义化学工业节能的潜力与意义化学工业节能的潜力与意义化学工业节能的潜力与意义1.2.3 1.2.3 节能的意义节能的意义1.3 1.3 节能的途径节能的途径1.3.1 1.3.1 结构节能结构节能1.3.2 1.3.2 管理节能管理节能1.3.3 1.3.3 技术节能技术节能1.3.3.1 1.3.3.1 工艺节能工艺节能 催化剂和化学反应工程催化剂和化学反应工程 催化技术是现代炼油和石油化工工业重要的科学技术基础，在炼油和催化技术是现代炼油和石油化工工业重要的科学技术基础，在炼油和化学工业中化学工业中60%60%以上的新产品和以上的新产品和90%90%以上新工艺的开发基于催化作用。以上新工艺的开发基于催化作用。分离工程分离工程 改进工艺方法和设备改进工艺方法和设备第十页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1010第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论1.3 节能的途径1.3.3.2 1.3.3.2 化工单元操作设备节能化工单元操作设备节能流体输送机械、换热设备、蒸发设备、塔设备、干燥设备。流体输送机械、换热设备、蒸发设备、塔设备、干燥设备。1.3.3.3 1.3.3.3 化工过程系统节能化工过程系统节能把整个系统集成起来作为一个有机的整体对待，所进行的节能工作。把整个系统集成起来作为一个有机的整体对待，所进行的节能工作。1.3.3.4 1.3.3.4 控制节能控制节能第十一页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1111第第第第第第 1 1 1 1 1 1 章章章章章章 总总总总总总 论论论论论论教材：教材：教材：教材：冯宵冯宵.化工节能原理与技术化工节能原理与技术.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，20052005参考书：参考书：1.1.陈安民陈安民.石油化工过程节能方法和技术石油化工过程节能方法和技术.北京：中国石化出版社，北京：中国石化出版社，199519952.2.黄素逸黄素逸.能源科学导论能源科学导论.北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，199819983.3.刘家祺刘家祺.分离过程分离过程.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，20052005第十二页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1212第第第第 1 1 1 1 章章章章 总总总总 论论论论考核方式：考核方式：考核方式：考核方式：五分制五分制成绩评定：成绩评定：课程总成绩的评定权重为：作业占课程总成绩的评定权重为：作业占10%10%，课程测验占，课程测验占60%60%（采取开卷（采取开卷方式），课程报告占方式），课程报告占30%30%。课程报告：课程报告：一种新型的节能技术，如催化（反应精馏）技术，反应一种新型的节能技术，如催化（反应精馏）技术，反应-反应耦反应耦合，结构化催化剂，新型热泵，新型精馏技术（热偶精馏、合，结构化催化剂，新型热泵，新型精馏技术（热偶精馏、特殊精馏）等。大约特殊精馏）等。大约5000-100005000-10000字左右。字左右。第十三页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1313第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学能量：能量：能量：能量：内能是物质内部一切微观粒子所具有的能量的总和。（状态参数）内能是物质内部一切微观粒子所具有的能量的总和。（状态参数）热力学定律：热力学定律：热力学定律：热力学定律：热力学第一定律：能量转换与守恒定律热力学第一定律：能量转换与守恒定律热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化，揭示能量变化，揭示能量“质质”的属性的属性热力学第三定律：热力学第三定律：0K时纯物质完美晶体的熵等于零 节能的实质：防止和减少能量贬值现象的发生第十四页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1414第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.1 2.1.1 热力系统（系统）热力系统（系统）热力系统（系统）热力系统（系统）：相互作用的物体中取出的研究对象。：相互作用的物体中取出的研究对象。系统的边界：系统与外界的分界面固定的、移动的、真实的、假想的能量交换：热和功物质交换：物质的流进和流出，伴随着能量的交换开口系统（流动系统）：有物质交换和能量交换闭口系统：无物质交换孤立系统：无物质交换和能量交换绝热系统：无热量交换第十五页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1515第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.2 2.1.2 平衡状态平衡状态热力状态（状态）热力状态（状态）：某一瞬间的宏观物理状况。：某一瞬间的宏观物理状况。平衡状态：在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态宏观性质不随时间改变的状态如温度、压力、组成等满足力平衡、热平衡和化学平衡的状态（不存在不平衡势）2.1.3 2.1.3 状态参数和状态方程式状态参数和状态方程式状态参数状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数第十六页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1616第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.3 2.1.3 状态参数和状态方程式状态参数和状态方程式状态参数状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数强度量（强度性质）：压力强度量（强度性质）：压力P P、温度、温度T T、组成、组成 x x 等；不可加量等；不可加量广延量（容量性质）：容积广延量（容量性质）：容积V V、内能、内能 U U、焓、焓 H H、熵、熵 S S 等；可加量等；可加量广延量广延量/质量质量 转变为强度量转变为强度量2.1.3.1 2.1.3.1 温度温度温标温标：衡量温度的标尺：衡量温度的标尺t t（摄氏温度）（摄氏温度）=T=T（热力学温度，（热力学温度，开尔文温度，或称绝对温度）273.15 273.15第十七页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1717第第第第第第 2 2 2 2 2 2 章章章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.3 2.1.3 状态参数和状态方程式状态参数和状态方程式2.1.3.2 2.1.3.2 比容和密度比容和密度比容比容：单位质量物质所占有的容积：单位质量物质所占有的容积 m m3 3/kg/kg密度密度：比容的倒数：比容的倒数 kg/m kg/m3 3第十八页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1818第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.3.3 2.1.3.3 压力压力单位单位：工程大气压（：工程大气压（atat）1at=1kgf/cm1at=1kgf/cm2 2 标准大气压标准大气压(atm(atm）1atm=760 mmHg1atm=760 mmHg测量仪器测量仪器：差压计（压力表或真空表）：差压计（压力表或真空表）表压表压(P(Pg g)=)=绝对压力绝对压力(P)-(P)-大气压大气压(P(P0 0)真空度真空度(P(Pv v)=)=大气压大气压(P(P0 0)-)-绝对压力绝对压力(P)(P)真空度真空度(P(Pv v)=-)=-表压表压(P(Pg g)第十九页，编辑于星期六：十八点 三十三分。1919第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.3.3 2.1.3.3 状态公理和状态方程式状态公理和状态方程式状态公理状态公理：对于组成一定的物质系统若存在：对于组成一定的物质系统若存在 n n 种可逆功（系统进行可逆过程时种可逆功（系统进行可逆过程时 和外界所交换的功量）的作用，则决定该系统平衡态的独立状态参和外界所交换的功量）的作用，则决定该系统平衡态的独立状态参 数有数有 n n+1+1 个。个。简单可压缩系统简单可压缩系统：与外界交换功量的模式中只有容积功的系统。：与外界交换功量的模式中只有容积功的系统。物质的状态方程式物质的状态方程式：F(F(p p,v v,T)=0,T)=0第二十页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2020第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 2.1 基本概念基本概念基本概念基本概念2.1.4 2.1.4 功和热量功和热量功（功（W)W)：系统对外界的单一效果归结为提升一个重物，则说系统作了功。：系统对外界的单一效果归结为提升一个重物，则说系统作了功。系统对外做功为正，得到功为负。系统对外做功为正，得到功为负。热量热量(Q)(Q)：由于温差引起的，系统与外界之间发生的能量转移。：由于温差引起的，系统与外界之间发生的能量转移。系统吸热为正，放热为负。系统吸热为正，放热为负。第二十一页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2121第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.1 基本概念基本概念2.1.5 2.1.5 可逆过程可逆过程耗散效应耗散效应：使功变为热的效应。：使功变为热的效应。非平衡损失非平衡损失：有限温差下的传热过程有限温差下的传热过程 有限压差有限压差 混合过程（化学势差）混合过程（化学势差）可逆过程是理想化的极限过程，可以作出最大的功或消耗最少的功，为评价可逆过程是理想化的极限过程，可以作出最大的功或消耗最少的功，为评价 实际能量转换过程提供了理想的标准。实际能量转换过程提供了理想的标准。第二十二页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2222第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律输入系统的能量输入系统的能量-输出系统的能量输出系统的能量=系统储存能量的变化系统储存能量的变化宏观动能宏观动能：mcmc2 2/2/2宏观位能宏观位能：mgzmgz系统内部的微观能量（内能）系统内部的微观能量（内能）：U U2.2.1 2.2.1 闭口系统能量恒算式闭口系统能量恒算式Q Q=U U+WW对单位质量对单位质量q q=u u+w w对微元过程对微元过程q q=d du u+w w第二十三页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2323第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：物质流转移到系统的能量为：m1 m2 Q W m(u+pv+c2/2+gz)=m(h+c2/2+gz)h=u+pvh=u+pvH=U+pVH=U+pV第二十四页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2424第第第第第第 2 2 2 2 2 2 章章章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：开口系统的能量衡算式为：m1 m2 Q WdU=Q W+mdU=Q W+m1 1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2)Q=Q=m2(h2+c22/2+gz2)m m1 1(h1+c12/2+gz1)+W W+dU dU 第二十五页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2525第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算稳定流动稳定流动：空间各点参数不随时间变化的流动过程：空间各点参数不随时间变化的流动过程（1 1）.热和功的交换不随时间而变；热和功的交换不随时间而变；（2 2）.物质交换不随时间而变；物质交换不随时间而变；（3 3）.进、出口截面参数不随时间而变进、出口截面参数不随时间而变dU=Q W+mdU=Q W+m1 1(h1+c12/2+gz1)m2(h2+c22/2+gz2)dU=0dU=0，m m1 1=m=m2 2Q=Q=HH+m +m c c2 2/2+mg/2+mg z+W z+WQ =Q =outout m mi i(h+c2/2+gz)i inin m mi i(h+c2/2+gz)i+W（对多股流体）（对多股流体）第二十六页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2626第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算例例2-12-1：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：某化肥厂生产的半水煤气，其组成如下：COCO2 2 9%9%，CO 33%,HCO 33%,H2 2 36%,N 36%,N2 2 21.5%,CH21.5%,CH4 4 0.5%0.5%。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为。进变换炉时水蒸气与一氧化碳的体积比为6 6，温度为，温度为 653.15 K 653.15 K。设变换率为。设变换率为85%85%，试计算出变换炉的气体温度。，试计算出变换炉的气体温度。变换气半水煤气水蒸气100 kmoln kmol(nH2O:nCO=6)T=380 第二十七页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2727第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算进入炉中的湿气体各组分的物质的量（进入炉中的湿气体各组分的物质的量（kmol)kmol)：COCO2 2 9;CO 33;9;CO 33;H H2 2 36;N 36;N2 2 21.5;21.5;CHCH4 4 0.5;H 0.5;H2 2O 198O 198出变换炉时湿气体各组分的物质的量（出变换炉时湿气体各组分的物质的量（kmol)kmol)：COCO2 2 37.5;CO 4.95;37.5;CO 4.95;H H2 2 64.05;N 64.05;N2 2 21.5;21.5;CHCH4 4 0.5;H 0.5;H2 2O 169.95O 169.95绝热过程绝热过程：HH=0 0；UU=第二十八页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2828第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算 焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓；焓是状态参数，过程焓变等于终态的焓减去初态的焓；既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。既有物理变化又有化学反应的物系，计算焓变需考虑反应热。653.15 K298.15 KHH1 1恒压降温恒压降温HHr r恒温恒压化恒温恒压化学反应学反应298.15 KT K恒压升温恒压升温HH2 2H=0H=0恒压绝热反应恒压绝热反应第二十九页，编辑于星期六：十八点 三十三分。2929第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算（1 1）.状态参数法状态参数法H=HH=H1 1+H+Hr r+H+H2 2=0=0HH1 1=-3.56 =-3.56 10 106 6(kJ)(kJ)HHr r=28=28.05.05 (-41198)=-1.156 (-41198)=-1.156 10 106 6(kJ)(kJ)HH2 2=10396 T-3099527(kJ)=10396 T-3099527(kJ)作业：作业：1 1。计算。计算653.15 K653.15 K时转化时转化 28.05 kmol 28.05 kmol 的恒温恒压反应热。的恒温恒压反应热。第三十页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3030第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.2 2.2 能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律能量与热力学第一定律2.2.2 2.2.2 稳定流动开口系统能量衡算稳定流动开口系统能量衡算（1 1）.统一基准焓法统一基准焓法 规定规定 0 K 0 K 时稳定时稳定单质单质的理想气体的焓为零；的理想气体的焓为零；规定规定 298.15 K 298.15 K 时稳定时稳定单质单质的理想气体的焓为零；的理想气体的焓为零；基准态下化合物的焓等于标准生成焓基准态下化合物的焓等于标准生成焓 无论物理变化，还是化学变化，元素守恒无论物理变化，还是化学变化，元素守恒 无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：无论物理变化，还是化学变化，过程焓变：H=HH=H终态终态 H H初态初态653.15 K653.15 K时，时，H H初态初态=-49.17 =-49.17 10 106 6(kJ)(kJ)753.15 K753.15 K时，时，H H终态终态 =-49.98 =-49.98 10 106 6(kJ)(kJ)H=HH=H终态终态 H H初态初态 =0=0第三十一页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3131第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律用与热力学第二定律用与热力学第二定律 热力学第一定律指出了能量的同一性热力学第一定律指出了能量的同一性，“量量”的属性；不能解释的属性；不能解释“质质”的属性的属性 如：功和热，高温热与低温热；如：功和热，高温热与低温热；热力学第二定律指出了能量的热力学第二定律指出了能量的“质质”的属性的属性，说明过程进行的方向、条件及，说明过程进行的方向、条件及 限制。限制。开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。而同时使一热源冷却。第三十二页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3232第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律TS12卡诺定理卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。何热机的效率比可逆热机的效率更高。热效率：热效率：c c=1-=1-T T2 2/T T1 1第三十三页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3333第第第第第第 2 2 2 2 2 2 章章章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律用与热力学第二定律用与热力学第二定律结论结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可能减少不可逆因素。能减少不可逆因素。2.3.2 2.3.2 熵的概念和孤立系统熵增原理熵的概念和孤立系统熵增原理 熵是状态函数，定义（对可逆过程）熵是状态函数，定义（对可逆过程）热效率：热效率：c c=1-=1-T T2 2/T T1 1最大有用功（以环境温度为限）：最大有用功（以环境温度为限）：W W=Q(1-=Q(1-T T0 0/T T1 1)第三十四页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3434第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律2.3.2 2.3.2 熵的概念和孤立系统熵增原理熵的概念和孤立系统熵增原理 熵流：由于热流引起的熵的变化熵流：由于热流引起的熵的变化 熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化 孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热 力学第二定律的另一种表述）力学第二定律的另一种表述）不可逆性引起的做功能力损失为：不可逆性引起的做功能力损失为：第三十五页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3535第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律2.3.3 2.3.3 热力学第二定律的熵衡算方程式热力学第二定律的熵衡算方程式 适用于任何系统的熵衡算方程式：适用于任何系统的熵衡算方程式：进入系统的熵进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵离开系统的熵+系统熵的变化系统熵的变化 进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传 热所引起的熵变热所引起的熵变 对闭口系统对闭口系统第三十六页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3636第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律用与热力学第二定律用与热力学第二定律2.3.3 2.3.3 热力学第二定律的熵衡算方程式热力学第二定律的熵衡算方程式 对开口系统（既有能量交换又有物质交换）对开口系统（既有能量交换又有物质交换）对稳定流动系统（系统参数不随时间而变）对稳定流动系统（系统参数不随时间而变）对单股稳流系统对单股稳流系统 （m minin=m moutout=m m）（对绝热过程，）（对绝热过程，？）？）第三十七页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3737第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律2.3.3 2.3.3 热力学第二定律的熵衡算方程式热力学第二定律的熵衡算方程式 T T-S S 图图 （可逆过程热量）（可逆过程热量）TS12第三十八页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3838第第第第第第 2 2 2 2 2 2 章章章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律2.3.4 2.3.4 能量和能量和火火用用 能量的转换过程具有方向性或不可逆性能量的转换过程具有方向性或不可逆性 能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力）能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力）能量的可利用性分为三类：能量的可利用性分为三类：(a).(a).具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；(b).(b).具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等；具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等；(c).(c).完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等卡诺热机的热效率：卡诺热机的热效率：c c=1-=1-T T0 0/T T1 1第三十九页，编辑于星期六：十八点 三十三分。3939第第第第第第 2 2 2 2 2 2 章章章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.3 2.3 火火火火用与热力学第二定律用与热力学第二定律2.3.4 2.3.4 能量和能量和火火用用 能量的能量的火火用用 （有效能）：转换为有用功的那部分能量；（有效能）：转换为有用功的那部分能量；能量的能量的火火无无 （无效能）：不能转换为有用功的那部分能量（无效能）：不能转换为有用功的那部分能量 任何一种形式的能量可表示成任何一种形式的能量可表示成 能量能量=火火用用 +火火无无 分析第一类能量，第二类能量和第二类能量的分析第一类能量，第二类能量和第二类能量的 火火用用 和和 火火无无 。第四十页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4040第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 能量的能量的 火火火火用用 计算计算2.4.1 2.4.1 环境与物系的基准状态环境与物系的基准状态 自然环境是自然环境是 火火用用 的自然零点的自然零点 自然环境是一种概念性的环境自然环境是一种概念性的环境 定环境模型：环境是确定不变的。定环境模型：环境是确定不变的。斯蔡古特的环境模型：斯蔡古特的环境模型：(1).(1).环境温度环境温度 T T0 0=298.15 K=298.15 K，环境压力，环境压力 P P0 0=1atm=1atm(2).(2).环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。(3).(3).基准物的自由焓较小基准物的自由焓较小龟山龟山-吉田模型：吉田模型：(1).(1).气态基准物的组成气态基准物的组成(2).(2).其他元素以在其他元素以在 T T0 0,P P0 0 下纯态最稳定的物质作为基准物下纯态最稳定的物质作为基准物第四十一页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4141第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 能量的能量的 火火火火用用 计算计算2.4.1 2.4.1 环境与物系的基准状态环境与物系的基准状态 系统与环境处于热力学平衡状态时，系统与环境处于热力学平衡状态时，火火用用 值为零；值为零；完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡 不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡 物理物理 火火用用：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的火火用用 物理物理 火火用用+化学化学火火用用 ：取完全平衡环境状态作为基准态：取完全平衡环境状态作为基准态 化学化学 火火用用：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的火火用用第四十二页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4242第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 能量的能量的 火火火火用用用用 计算计算计算计算2.4.2 2.4.2 机械形式能量的机械形式能量的火火用用 动能动能 火火用：用：c c2 2/2/2 位能位能 火火用：用：g zg z 封闭系统从状态封闭系统从状态1 1变化到状态变化到状态2 2所做功所做功 WW1212 的的 火火用用 为：为：E Ew w=WW1212 p p0 0(V V2 2 V V1 1)封闭系统所做功的封闭系统所做功的 火火无无 为：为：A Aw w=p p0 0(V V2 2 V V1 1)V1V2T0,p p0 0第四十三页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4343第第第第第第 2 2 2 2 2 2 章章章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 2.4 能量的能量的能量的能量的 火火火火用用 计算计算2.4.3 2.4.3 热量热量 火火用用 热量热量 火火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功 可逆热机T T0Q Q WWA A-Q-Q0 0能量衡算式能量衡算式：Q=-Q Q=-Q 0 0+W+WA A熵平衡方程式熵平衡方程式：Q/Q/T T +dS +dS产产=-Q=-Q0 0/T T第四十四页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4444第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 能量的能量的 火火火火用用用用 计算计算计算计算2.4.3 2.4.3 热量热量 火火用用 热量热量 火火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功 能量衡算式能量衡算式：Q=-Q Q=-Q 0 0+W+WA A熵平衡方程式熵平衡方程式：Q/Q/T T +dS +dS产产=-Q=-Q0 0/T T可逆过程可逆过程：dSdS产产 =0=0热量热量 火火用用热量热量 火火无无第四十五页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4545第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 能量的能量的 火火火火用用 计算计算2.4.3 2.4.3 热量热量 火火用用 热量热量 火火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功 热量热量 火火用用S S热量热量 火火无无S S1 1S S2 21243TT0E EQ QA AQ Q第四十六页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4646第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的热力学节能的热力学节能的热力学2.4 能量的能量的 火火火火用用用用 计算计算计算计算2.4.3 2.4.3 热量热量 火火用用 温度恒定热源温度恒定热源 变温热源变温热源热量热量 火火用用热量热量 火火无无热量热量 火火无无？热力学平均温度热力学平均温度第四十七页，编辑于星期六：十八点 三十三分。4747第第第第 2 2 2 2 章章章章 节能的热力学节能的