2022年能量守恒原理与能量贬值原理 .pdf

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1、第一章能量守恒原理与能量贬值原理能量守恒定律是18301850年间由十几位科学家各自独立地提出的。在19世纪初，随着当时工业革命的日益发展，涌现出一批有远见， 勇于创新精神的科学家，其中做出杰出贡献的有迈尔、焦耳、亥姆霍兹。这三者对能量守恒定律的发现做出了重要贡献。能量在量方面的变化， 遵循自然界最普遍、 最基本的规律， 即能量守恒定律。能量守恒定律指出： “自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变”。能源在一定条件下可以转换成人们所需要的各种形式的能量。例如，煤燃烧后放出热量，

2、可以用来取暖；可以用来生产蒸汽， 推动蒸汽机转换为机械能， 推动汽轮发电机转变为电能。电能又可以通过电动机、电灯或其它用电器转换为机械能、光能或热能等。又如太阳能，可以通过聚热气加热水， 也可以产生蒸汽用以发电； 还可以通过太阳能电池直接将太阳能转换为电能。当然，这些转换都遵循能量守恒定律。另外，运动是多种多样的，就其运动形态而论，运动可分为有序运动和无序运动，因此能量也可分为有序能和无序能。一切宏观整体运动的能量和大量电子定向运动的电能都是有序能； 而物质内部分子杂乱无章的热运动所具有的能量是无序能。根据热力学第二定律，有序能可以完全地、无条件地转换为无序能，但无序能不能自动地全部转化为有序

3、能，无序能不能全部被利用， 总有一部分要转移到环境中去， 无序能转换为有序能是有条件的、不完全的。 因此能量的转换特性，导致了能量不仅有 量 的多少，还有 质 的高低。自发进行的能量转换过程是有方向性的，当能量转换或传递过程中有无序能参与时就会产生转换的方向性和不可逆问题。因此可以说有序能比无序能更有价值。具有更高的品质。有一种普遍的自然现象：摩擦生热。由于摩擦机械能转换为热能， 即有序能转换为无序能。 能量的转化从量级上看没有变化，但从品质上看却降低了， 即它的使用价值变小了， 能量使用价值的降低称为能量贬值。摩擦使高品质能量贬值为低品质能量。能量贬值是自然界的普遍现象。一、能量守恒原理19

4、 世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中十分重要的定律。它的发现名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件。尽管如此，它的发现仍然是艰辛和激动人心的。 早期华海伦发明并改进了温度计。 18世纪 50 年代，英国科学家布莱克发现了潜热理论，之后，亚历山大 希罗发明的蒸汽机实现了热能转变为机械能的现实。12 世纪人们开始研究永动机。在前面这些科学研究的基础上，机械能的度量和

5、守恒的提出、热能的度量、机械能和热能的相互转化、 永动机的大量实践宣布为不可能。由此，能量守恒定律的发现条件逐渐成熟了。这项发现最早由迈尔来开头。在1841 年他 最早提及了热功当量。他说： “对于我能用数学的可靠性来阐述的理论来说，极为重要的 仍然是解决以下问题，某一重物（例如100 磅）必须举到地面上多高的地方， 才能使得与这一高度相应的运动量和将该重物放下来所获得的运动量正好等于将一磅 0的冰转化为 0的水所必需的热量。 ”之后，亥姆霍兹在这方面也发表了同样的论点。 1840 年焦耳经过多次测量通电的导体，发现电能可以转化为热能，并且得出一条定律： 电导体所产生的热量与电流强度的平方、导

6、体的电阻和通过的时间成正比。 后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守恒与转化关系，并提出了：“自然界的能是不能毁灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相当的热，热只是能的一种形式。 ”能量守恒定律指出：“自然界的一切物质都具有能量，能量既不能创造也不能消灭， 而只能从一种形式转换成另一种形式， 从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变“。其含义为：（1）从一种形式转换成另一种形式是泛指，是指所有形式能量；（2）能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变，并没有限制是哪几种形式能量。设一体系有 3 焦耳动能增量和 6 焦耳电能增量全部转换为势能。 根据各种形式的能量相互转化的

7、规律可知：要保证系统能量守恒，其根本原因：一是系统内各种形式的能量可以相互转换，且转换的量值一定相等 （以下称为： 等量转换原则） ；二是系统内变化形式能量的减少量与变化形式能量的增加量相等。即=增加减少dEdE（11）另外，系统内的作用是有时间与过程的，不同形式能量之间的转换是多种多样， 故要确保能量守恒定律成立的条件之一就是所有形式能量之间是可以相互转换的，且转换量一定相等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - -

8、由此，我们可得出：1= 常量E，只是保证总能量守恒或总能量增量守恒，并不保证体系内的所有形式能量之间能量转换必须遵守等量转换原则，在= 常量E中，不仅含有不同形式能量之间转换遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒，而且还含有不同形式之间能量之间转换不遵守等量转换原则的总能量守恒或总能量增量守恒。 而根据能量守恒定律， 能量的变化只能是不同形式的能量互相转化，在转化中每一种形式的能量转化为另一种形式的能量时，都要严格遵守等量转换原则，从而才能保证总能量守恒。明显= 常量E等同于能量守恒定律。2能量守恒定律成立的条件是：一是功和能的关系各种不同形式的能可以通过做功来转化， 能转化的多少通过功

9、来度量，即功是能转化的量度。 二是能量增量与各种形式能量之间关系各种形式能量的转换遵守等量转换原则，能量增量是所有形式能量的增量， 是此形式能量的增量， 也是彼形式能量的增量。 而=增加减少dEdE与= 常量E是结果。3能量守恒定律与总能量守恒（总改变量守恒）以及几种能量形式等量转换间之关系是不可逆的， 由能量守恒定律可得总能量守恒（总改变量守恒） 以及能量形式等量转换， 但由总能量守恒 （总改变量守恒） 以及几种能量形式之间等量转换是不能得到能量守恒定律的。 能量守恒定律与总能量守恒 （总改变量守恒）以及几种能量形式等量转换是不能等同对待的。4能量守恒有二，一是等量转换，二是总量守恒，二者不

10、可或缺。5功能原理与能量守恒定律的本质是一致的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 二、能量贬值原理1能量贬值原理概述能量不仅有量的多少， 还有质的高低。 热力学第一定律只说明了能量在量上要守桓，并没有说明能量在“ 质” 方面的高低。事实上能量是有品质上的差别。自然界进行的能量转换过程是有方向性的。不需要外界帮助就能自动进行的过程称之为自发过程， 反之为非自发过程。 自发过程都有一定的方向。 前述温差传热就是典型的

11、例子，即热量只能自发地(即不花代价的 )从高温物体传向低温物体，却不能自发地由低温物体传向高温物体。由此可见自发过程都是朝着一定方向进行的，若要使自发过程反向进行并回到初态则需花代价所以自发过程都是不可逆过程。过程的方向性反映在能量上，就是能量有品质的高低。热力学第二定律深刻地指明了能量转换过程的方向、条件及限度。当存在有限势差 (温差、浓度差等 )时，自发过程总是朝着消除势差的方向进行，在势差消除时自发过程即终止 (过程的极限 )。能量从 “ 量” 的观点看，只有是否已利用、利用了多少的问题；而从“ 质” 的观点看，还有个是否按质用能的问题。所谓提高能量酌有效利用， 其实质就在于防止和减少能

12、量贬值发生。人们常把能够从单一热源取热， 使之完全变为功而不引起其它变化的机器叫做第二类永动机。 人们设想的这种机器并不违反热力学第一定律。它在工作过程中能量是守恒的，只是这种机器的热效率是100，而且可以利用大气、海洋和地壳作热源， 焚其中无穷无尽的热能完全转换为机械能，机械能又可变为热， 循环使用，取之不尽，用之不竭。其实这违背了热力学第二定律。从热力过程方向性的现实例子来看，所有的自发过程， 无论是有势差存在的自发过程， 还是有耗散效应的不可逆过程，虽然过程没有使能量的数量减少，但却使能量的品质降低了。 例如：热量从高温物体传向低温物体，使所传递的热能温度降低了， 从而使能量的品质降低了

13、； 在制动刹车过程中， 飞轮的机械能由于摩擦变成了热能， 能量的品质也下降了。 正是孤立系统内能量品质的降低才造成了孤立系统的熵增。 如果没有能量的品质高低就没有过程的方向性和孤立系统的熵增，也就没有热力学第二定律。这样，孤立系的熵增与能量品质的降低，即能量的“贬值”联系在一起。在孤立系统中使熵减少的过程不可能发生，也就意名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 味着孤立系中能量的品质不能升高，即能量不能“升值”。事实上

14、，所有自发过程的逆过程若能自动发生，都是使能量自动“升值”的过程。因而热力学第二定律还可以表述为：在孤立系统的能量传递与转换过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，极限条件下保持不变。这个表述称为“能量贬值原理”，它是热力学第二定律更一般、更概括性的说法。2典型过程能量贬值的分析（1）流体流动过程流体流过管道与设备，克服沿程阻力和局部阻力，必然引起有效能的损失。若流体沿导管为稳定的节流过程，流体有序的动能和位能的变化忽略不计，体系和环境之间又无热与功的交换， 流体节流过程可视为等焓过程， 则根据有效能的定义式有：PVTPSTPEHH/=)?/?(=)?/?(00(12)

15、100/=TPVTSTEEL总(13)可见，自发节流过程只能向压力减少的方向进行，其不可逆熵增引起的有效能损失正比于其推动力， 压降越大， 过程的不可逆程度越大， 则其有效能损失越大。因此，在生产实践中应尽量不采用节流过程。由于有效能损失与10/TT成正比，对于同样的压降，流体的温度愈低有效能损失越大。故在深冷工业中，尤其应减少阻力的损耗。（2）传热过程如图 11 所示，高温流体 1 与低温流体 2在一换热器中进行逆流换热。取一微元体来研究，微元体处热流体温度为1T， 冷流体温度为2T， 由于1T2T，必然有热量q?从热流体向冷流体传递，若热损失不计，则两流体产生的换热熵分别为：热流体的熵减1

16、1/?=TqdS，冷流体的熵增22/?=TqdS则体系的熵增为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - qTTTTdSdSdS?)/()(=+=212121(14)有效能损失为：QTTTTTSTEL021210)/()(=(15) 可见，传热温差愈大，过程不可逆程度愈大，有效能损失就愈大。加大传热温差来提高传热速率， 或以冷剂调温等做法， 均是要以付出有效能损失为代价的。（3）传质过程设有混合气体 1 与吸收剂 2在吸

17、收塔中进行逆流传质过程，体系与环境无热量和物质的交换，如图12 所示。取一微分元来研究，由于混合气体1 某组分k的化学位k1大于吸收剂 2 中组分k的化学位k2，即k1k2， 那么就有kdN的量自气相向液相扩散传递，过程的不可逆性必然带来熵产，有：1111/=TdNdSkk，2212/=TdNdSkk平衡状态时kkdNdN21=则体系的熵增为)/(=+=122221kkkdNTTdSdSdS(16)有效能损失即为011220)/(=kkkLNTTTSTE(17)而化学位又与活度（或浓度）有关，即aRPTkkln+)(=000，(18)传质的原因在于存在活度差（或浓度差） ，传质过程的熵增是随着

18、推动力增大而增大的，即过程的不可逆性愈大，有效能损失就愈大。（4）化学反应过程化学反应过程的结果， 物系各组分的数量及化学位都将发生变化，设物系组分k的反应量为kdN，反应方程式中反应组分k的计算系数为ka，组分k的化学位为k，/Takk项为反应的推动力， 反应过程熵增也是随着推动力的增大而名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 增大的，其体系的熵增为：/=TdNadSkkk(19)可见，各种动量、热量、质量的传递过程

19、及化学反应过程都存在阻力，需要一定的推动力， 才能使过程保持一定速率。 必须改变单纯加大过程的推动力来强化过程速率的传统观念和作法， 因为这是以牺牲能量的品位， 增加过程的有效能损失为代价的。 而应尽可能降低过程的推动力，减轻过程的不可逆性， 减少有效能损失，通过合理的经济平衡，确定最佳的推动力，达到最佳的节能效果。设备与工艺过程用能分析及节能途径简介【基本信息】【书名】 ：设备与工艺过程用能分析及节能途径【作者】 ：王强 ( 作者), 邓寿禄 ( 作者) 【ISBN 】 ：9787511418227 【出版社】：中国石化出版社【出版时间】：2012年 11 月 01日【正文语种】：简体中文【

20、商品标识】：B00GLQTCME 【定价】 ：95.00 【品牌】 ：中国石化出版社【页数】 ：363 【装帧】 ：平装【开本】 ：16 【版次】 ：第 1 版【所属分类】：科技：一般工业技术内容介绍本书以热力学第一定律和第二定律为基础，系统介绍了设备与工艺过程的基本知识，重点分析了用能分析模型、能量平衡方程、火用平衡方程以及提高设备和工艺过程用能效率的有效途径。它能够指导现场的能源管理、能源工程设计，为能源评价和节能监测提供理论支持。本书可供能源管理人员、 技术人员、 设计人员和节能评价工程师， 以及节能监测人员阅读，并可作为本专业的大中专院校师生学习的参考资料。目录第一章 能量守恒原理与能

21、量贬值原理第二章 设备与工艺过程的能量分析法第一节 设备与工艺过程用能分析的基本概念第二节 热力学第一定律名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第三节 确定热平衡的基本方法第四节 确定电能平衡的基本方法第三章 设备与工艺过程的 火用 分析法第一节 火用 与热力学第二定律第二节 火用 分析的三箱模型第三节 火用 的计算和 火用平衡方程第四节 设备与工艺过程的 火用 效率第五节 工艺过程的 火用 分析第六节 能量合理利用

22、基本原则第四章 锅炉机组的热力学分析第一节 锅炉概述第二节 锅炉机组热平衡第三节 锅炉机组热效率第四节 固体不完全燃烧热损失第五节 化学不完全燃烧热损失第六节 排烟与散热损失第七节 其他热损失及锅炉燃料消耗量第八节 锅炉的 火用平衡及 火用 分析第九节 提高锅炉效率的途径第五章 油田加热炉的热力学分析第一节 管式加热炉概述第二节 加热炉热平衡第三节 加热炉 火用平衡第四节 油田加热炉用能分析举例第五节 提高加热炉热效率的途径第六节 提高加热炉 火用 效率的途径第六章 风机的热力学分析第一节 风机的概述第二节 风机的能量平衡第三节 风机的 火用平衡第四节 风机热力学分析的计算实例第五节 提高风机

23、用能效率的途径第七章 泵机组的热力学分析第一节 泵的基础知识第二节 泵机组的能量平衡第三节 泵机组的 火用 平衡第四节 泵机组的用能分析举例第五节 提高泵效的途径第八章 换热器的热力学分析第一节 换热器概述第二节 换热器的能量分析第三节 换热器的 火用 分析第四节 换热器用能分析举例第五节 换热器的节能途径名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第九章 制冷循环的热力学分析第一节 制冷循环简介第二节 蒸气压缩制冷循环的

24、能量分析第三节 蒸气压缩制冷循环的 火用分析第四节 制冷循环的热力学分析计算实例第五节 提高蒸气压缩制冷循环效率的途径第十章 热泵系统的热力学分析第一节 热泵系统的概述第二节 热泵系统的能量分析第三节 热泵系统的 火用 分析第四节 提高热泵系统用能效率的途径第五节 联合站利用污水余热供暖的可行性分析第六节 油田污水源热泵的用能分析与经济性评价第十一章中央空调系统的热力学分析第一节 中央空调系统概述第二节 中央空调系统的能量分析第三节 中央空调系统的 火用 分析第四节 提高中空调系统效率的途径第十二章集中供热系统的热力学分析第一节 集中供热系统介绍第二节 集中供热系统的能量分析第三节 集中供热系

25、统的 火用 分析第四节 集中供热系统的节能途径第十三章热电联产系统的热力学分析第一节 热电联产系统的概述第二节 热电联产系统的能量分析第三节 热电联产系统的 火用 分析第四节 热电联产系统用能分析计算实例第五节 提高热电联产系统用能效率的途径第十四章油田注水地面系统的热力学分析第一节 注水系统及组成第二节 注水系统能量平衡第三节 注水地面系统 火用平衡第四节 注水系统用能分析计算实例第五节 提高注水系统用能效率的途径第十五章油气集输系统的热力学分析第一节 油气集输系统介绍第二节 油气集输系统的流程第三节 原油和天然气的加工处理第四节 油田采出水的处理第五节 油气集输系统的能量分析第六节 油气集

26、输系统的 火用 分析第七节 提高油气集输系统用能效率的途径第十六章输油泵站的热力学分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 第一节 输油泵站的概述第二节 输油泵站的能量分析第三节 输油泵站的 火用 分析第四节 输油泵站用能分析举例第五节 输油泵站的节能途径第十七章能级平衡理论及应用第一节 能级平衡理论概述第二节 热工设备的能级分析第三节 能级平衡理论的实际应用第十八章热经济学基本原理第一节 热经济学基本概念第二节 工

27、程技术经济分析原理第三节 节能技术经济性评价第四节 热经济学优化法第五节 热经济学的工程应用参考文献前 言能源是自然环境中存在的， 通过人类开发能够产生各种能量的物质资源，是人类赖以生存的基础和经济发展的动力。人类社会的巨大发展与进步， 都与能源消费的增长密切相关。 能源利用和消费的每一次重大突破，都伴随着科学技术的重大进步， 促进社会生产力的大幅度提高，加速了经济的发展， 使人类社会的面貌发生根本的变化。 人类从远古的钻木取火之后， 薪柴燃料作为主要能源维持日常生活，并少量使用水力、 风力等能源促进生产方式的变化。能源利用的重大突破出现在 18 世纪后半叶， 1785年蒸汽机的问世，把热能转

28、换为机械能，推动了产业革命。机械化大工业生产的迅猛发展， 促使能源由薪材燃料转向了化石燃料，首先是煤炭消耗量的迅速增加。19 世纪中叶以后，内燃机的发明和火力发电厂的发展，以及钻探技术的提高，石油和天然气得到广泛应用。目前，人类社会生产和生活进入了电气化时代， 对电能的需求量日益增长。 由于产生电能的一次能源主要是煤和石油， 都是非再生能源， 长期强行开采势必使之日渐枯竭，能源的开发利用必须走多样化的道路。随着油价的不断攀升， 有效利用能源已成为企业社会责任中比较受人瞩目的一部分。在当今社会中 , 人们把能源、 材料、信息看作是社会发展的三大支柱 ,其中能源是最基本的物质基础。 能源历来是人类

29、文明的先决条件 , 人类社会的一切活动都离不开能源 , 从工业、农业、国防和科技现代化的发展 , 到人们的衣、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 食、住、行 , 都要直接或间接地消耗能量。目前人们需要的能量 , 绝大部分来自于煤、石油、天然气等矿物燃料的燃烧。但是 , 自然界提供给我们的这些矿物燃料并不是无限的。据估计 , 全世界已经探明的煤炭、石油、天然气、油页岩等矿物燃料的总储量 , 大概还能供人类使用到 2

30、 1 世纪中期。如何合理地利用目前有限的能源资源， 是我们所面临的一个重要问题。 因此，进行设备与工艺过程的用能理论研究，分析提高设备与工艺过程用能效率的途径，对缓解当今能源形势和解决能源问题具有积极的作用。本书系统的给出了目前主要的设备和工艺过程的情况介绍，用能分析模型，能量平衡方程， 火用平衡方程以及提高设备和工艺过程用能效率的有效途径。它能够指导现场的能源管理， 能源工程设计，为能源评价和节能监测提供理论支持。本书在编著过程中得到了王贵生同志的大力支持，同时还参阅和借鉴了许多书籍、资料和信息等，在此对有关方面表示感谢！由于编著者水平的限制，难免有错误和疏漏之处，敬请读者批评指正。编著者2012年 3 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -