第六章 化工过程热力学分析.ppt

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1、第六章第六章 化工过程热力学分析化工过程热力学分析内容：内容：内容：内容：6.1 6.1 基础理论基础理论基础理论基础理论 6.2 6.2 化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析 6.3 6.3 过程热力学分析的三种基本方法过程热力学分析的三种基本方法过程热力学分析的三种基本方法过程热力学分析的三种基本方法 6.4 6.4 合理用能原则合理用能原则合理用能原则合理用能原则课时：课时：课时：课时：6 6要求：要求：要求：要求：1 1、了解能量的级别、了解能量的级别、了解能量的级别、了解能量的级别2 2、掌握理想功、损失功的概念及计算、掌握理想功、

2、损失功的概念及计算、掌握理想功、损失功的概念及计算、掌握理想功、损失功的概念及计算3 3、熟悉对化工单元进行热力学分析以及三种基本方法、熟悉对化工单元进行热力学分析以及三种基本方法、熟悉对化工单元进行热力学分析以及三种基本方法、熟悉对化工单元进行热力学分析以及三种基本方法（对过程进行热力学分析）的特点（对过程进行热力学分析）的特点（对过程进行热力学分析）的特点（对过程进行热力学分析）的特点6.1 6.1 基础理论基础理论基础理论基础理论1 1、能量形式分类、能量形式分类、能量形式分类、能量形式分类（1 1）热能）热能）热能）热能精馏、蒸发、干燥、吸收剂或吸附剂再生、精馏、蒸发、干燥、吸收剂或吸

3、附剂再生、精馏、蒸发、干燥、吸收剂或吸附剂再生、精馏、蒸发、干燥、吸收剂或吸附剂再生、化学反应等都需要热能化学反应等都需要热能化学反应等都需要热能化学反应等都需要热能燃料。燃料。燃料。燃料。（2 2）机械能）机械能）机械能）机械能流体输送和压缩（泵、压缩机、真空泵、流体输送和压缩（泵、压缩机、真空泵、流体输送和压缩（泵、压缩机、真空泵、流体输送和压缩（泵、压缩机、真空泵、鼓风机等）鼓风机等）鼓风机等）鼓风机等）电、余热获得高温高压蒸汽。电、余热获得高温高压蒸汽。电、余热获得高温高压蒸汽。电、余热获得高温高压蒸汽。（3 3）电能）电能）电能）电能便于输送、调节、自动化等便于输送、调节、自动化等便

4、于输送、调节、自动化等便于输送、调节、自动化等(电解、电镀、电解、电镀、电解、电镀、电解、电镀、电热电热电热电热)。（4 4）化学能）化学能）化学能）化学能由于化学物质结构变化由于化学物质结构变化由于化学物质结构变化由于化学物质结构变化 提供或消耗的能量。提供或消耗的能量。提供或消耗的能量。提供或消耗的能量。6.1.1 6.1.1 能量的级别能量的级别能量的级别能量的级别2 2、能量质量分类、能量质量分类、能量质量分类、能量质量分类（1 1）高级能量）高级能量）高级能量）高级能量理论上可以完全转变为功的能量，如机理论上可以完全转变为功的能量，如机理论上可以完全转变为功的能量，如机理论上可以完全

5、转变为功的能量，如机械能、电能、水力能、风力能等。械能、电能、水力能、风力能等。械能、电能、水力能、风力能等。械能、电能、水力能、风力能等。（2 2）低级能量）低级能量）低级能量）低级能量理论上不能全部转变为功的能量，如热理论上不能全部转变为功的能量，如热理论上不能全部转变为功的能量，如热理论上不能全部转变为功的能量，如热能、内能、焓等。能、内能、焓等。能、内能、焓等。能、内能、焓等。（3 3）寂态能量）寂态能量）寂态能量）寂态能量完全不能转变为功的能量，如大气、大完全不能转变为功的能量，如大气、大完全不能转变为功的能量，如大气、大完全不能转变为功的能量，如大气、大地、天然水资源具有的内能。地

6、、天然水资源具有的内能。地、天然水资源具有的内能。地、天然水资源具有的内能。6.1.1 6.1.1 能量的级别能量的级别能量的级别能量的级别3 3、能量的贬质、能量的贬质、能量的贬质、能量的贬质 由高质量的能量变为低质量的能量由高质量的能量变为低质量的能量由高质量的能量变为低质量的能量由高质量的能量变为低质量的能量贬质（意味着做贬质（意味着做贬质（意味着做贬质（意味着做功能力的损耗）如：节流和传热过程（高温热转化为低温功能力的损耗）如：节流和传热过程（高温热转化为低温功能力的损耗）如：节流和传热过程（高温热转化为低温功能力的损耗）如：节流和传热过程（高温热转化为低温热、高压流体转化为低压流体）

7、。热、高压流体转化为低压流体）。热、高压流体转化为低压流体）。热、高压流体转化为低压流体）。4 4、合理用能、合理用能、合理用能、合理用能 注意对能量质量的保护和管理，尽可能减少能量贬质，注意对能量质量的保护和管理，尽可能减少能量贬质，注意对能量质量的保护和管理，尽可能减少能量贬质，注意对能量质量的保护和管理，尽可能减少能量贬质，避免不必要的贬质。避免不必要的贬质。避免不必要的贬质。避免不必要的贬质。6.1.1 6.1.1 能量的级别能量的级别能量的级别能量的级别概概概概 念念念念理想功理想功理想功理想功指体系的状态变化是在一定的环境条件下，按指体系的状态变化是在一定的环境条件下，按指体系的状

8、态变化是在一定的环境条件下，按指体系的状态变化是在一定的环境条件下，按完全可逆的过程进行时，理论上可能产生的最大功或者必须完全可逆的过程进行时，理论上可能产生的最大功或者必须完全可逆的过程进行时，理论上可能产生的最大功或者必须完全可逆的过程进行时，理论上可能产生的最大功或者必须 消耗的最小功。是一切实际产功或耗功大小的比较标准。消耗的最小功。是一切实际产功或耗功大小的比较标准。消耗的最小功。是一切实际产功或耗功大小的比较标准。消耗的最小功。是一切实际产功或耗功大小的比较标准。（1 1）体系内部一切变化必须可逆；）体系内部一切变化必须可逆；）体系内部一切变化必须可逆；）体系内部一切变化必须可逆；

9、（2 2）体系只与温度为）体系只与温度为）体系只与温度为）体系只与温度为T T0 0的环境进行可逆的热交换。的环境进行可逆的热交换。的环境进行可逆的热交换。的环境进行可逆的热交换。6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid1 1、稳流过程理想功、稳流过程理想功、稳流过程理想功、稳流过程理想功WWidid的计算的计算的计算的计算无数个小型无数个小型无数个小型无数个小型卡诺热机卡诺热机卡诺热机卡诺热机环境环境环境环境T T0 0稳流过程稳流过程稳流过程稳流过程由理想功由理想功由理想功由理想功WWidid的概念的概念的概念

10、的概念WWidid=W=WS S（R R）+W+WC C由敞开体系稳流、可逆过程熵平衡关系式：由敞开体系稳流、可逆过程熵平衡关系式：由敞开体系稳流、可逆过程熵平衡关系式：由敞开体系稳流、可逆过程熵平衡关系式：由能量平衡方程式即热力学第一定律：由能量平衡方程式即热力学第一定律：由能量平衡方程式即热力学第一定律：由能量平衡方程式即热力学第一定律：WWidid只与只与只与只与T T0 0和和和和初末态有关。初末态有关。初末态有关。初末态有关。6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid例例例例6-1 6-1 试求试求试求试求2525、0.101330.10133MPaMPa的水变为的

11、水变为的水变为的水变为0 0、0.101330.10133MPaMPa冰冰冰冰的理想功，已知的理想功，已知的理想功，已知的理想功，已知0 0 冰的溶解焓变为冰的溶解焓变为冰的溶解焓变为冰的溶解焓变为334.7334.7kJkgkJkg-1-1。设环境温。设环境温。设环境温。设环境温度为（度为（度为（度为（1 1）25 25，（，（，（，（2 2）-25-25 解：解：解：解：2525、0.101330.10133MPaMPa的水的焓和熵的水的焓和熵的水的焓和熵的水的焓和熵：忽略压力影响：忽略压力影响：忽略压力影响：忽略压力影响h h1 1=104.89 104.89 kJkgkJkg-1-1

12、s s1 1=0.3674 0.3674 kJkgkJkg-1-1 KK-1-1 0 0、0.101330.10133MPaMPa的冰的焓和熵：的冰的焓和熵：的冰的焓和熵：的冰的焓和熵：h h2 2=-334.7=-334.7 kJkgkJkg-1-1 s s2 2=-1.2260=-1.2260 kJkgkJkg-1-1 KK-1-1 6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid（1 1）25 25（2 2）-25-25 6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid结论：理想功的数值不仅与初末态有关，还与结论：理想功的数值不仅与初末态有关，还与结论：理想功的数

13、值不仅与初末态有关，还与结论：理想功的数值不仅与初末态有关，还与 环境温度有关环境温度有关环境温度有关环境温度有关2 2、稳定流动化学反应过程理想功、稳定流动化学反应过程理想功、稳定流动化学反应过程理想功、稳定流动化学反应过程理想功WWidid的计算的计算的计算的计算 可用来判断一个化学反应得以实现的条件可用来判断一个化学反应得以实现的条件可用来判断一个化学反应得以实现的条件可用来判断一个化学反应得以实现的条件标准状态下（标准状态下（标准状态下（标准状态下（25 25，0.10330.1033MPaMPa）：）：）：）：标准反应热（标准状态下化学反应过程的焓变）标准反应热（标准状态下化学反应过

14、程的焓变）标准反应热（标准状态下化学反应过程的焓变）标准反应热（标准状态下化学反应过程的焓变）标准反应熵（标准状态下化学反应过程的熵变）标准反应熵（标准状态下化学反应过程的熵变）标准反应熵（标准状态下化学反应过程的熵变）标准反应熵（标准状态下化学反应过程的熵变）标准生成焓。标准生成焓。标准生成焓。标准生成焓。标准熵。标准熵。标准熵。标准熵。6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid由由由由即理想功为反应过程物流标准自由焓的减少量。即理想功为反应过程物流标准自由焓的减少量。即理想功为反应过程物流标准自由焓的减少量。即理想功为反应过程物流标准自由焓的减少量。标准生成自由焓标准生成

15、自由焓6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid自学书上例题自学书上例题自学书上例题自学书上例题6-26-46-26-43 3、热力学效率、热力学效率、热力学效率、热力学效率产功过程：产功过程：产功过程：产功过程：耗功过程：耗功过程：耗功过程：耗功过程：可逆过程：可逆过程：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程：不可逆过程：不可逆过程：热力学效率热力学效率热力学效率热力学效率是过程热力学完善程度的尺度，代表的是是过程热力学完善程度的尺度，代表的是是过程热力学完善程度的尺度，代表的是是过程热力学完善程度的尺度，代表的是以热力学第二定律衡量的热效率，是高级能量的利用率。以热力

16、学第二定律衡量的热效率，是高级能量的利用率。以热力学第二定律衡量的热效率，是高级能量的利用率。以热力学第二定律衡量的热效率，是高级能量的利用率。6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid4 4、效率表示方式比较、效率表示方式比较、效率表示方式比较、效率表示方式比较效率效率作功过程作功过程耗功过程耗功过程机械效率机械效率热效率热效率等熵效率等熵效率热力学效率热力学效率6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid例例例例6-56-5某合成氨厂甲烷蒸汽转化工段转化气量为某合成氨厂甲烷蒸汽转化工段转化气量为某合成氨厂甲烷蒸汽转化工段转化气量为某合成氨厂甲烷蒸汽转化工段

17、转化气量为51605160NmNm3 3（t tNHNH3 3）-1-1，因工艺需要，将其温度从因工艺需要，将其温度从因工艺需要，将其温度从因工艺需要，将其温度从10001000降到降到降到降到380380。现。现。现。现有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收的实际功有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收的实际功有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收的实际功有废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收的实际功为为为为283283kWkW h h。试求（试求（试求（试求（1 1）转化气降温过程的理想功；（）转化气降温过程的理想功；（）转化气降温过程的理想功；（）转化气降温过程的

18、理想功；（2 2）余）余）余）余热动力装置的热效率；（热动力装置的热效率；（热动力装置的热效率；（热动力装置的热效率；（3 3）此余热利用过程的热力学效率。）此余热利用过程的热力学效率。）此余热利用过程的热力学效率。）此余热利用过程的热力学效率。大气温度为大气温度为大气温度为大气温度为3030 ，转化气降温过程压力不变，在，转化气降温过程压力不变，在，转化气降温过程压力不变，在，转化气降温过程压力不变，在380-1000380-1000温温温温度范围内等压热容为度范围内等压热容为度范围内等压热容为度范围内等压热容为3636kJkJ kmolkmol -1-1 K K-1-1 ，废热锅炉和透平的

19、废热锅炉和透平的废热锅炉和透平的废热锅炉和透平的热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气 。6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid解：以解：以解：以解：以1 1吨氨为计算基准吨氨为计算基准吨氨为计算基准吨氨为计算基准（1 1）转化气降温过程的理想功：）转化气降温过程的理想功：）转化气降温过程的理想功：）转化气降温过程的理想功：转化气的物质量为：转化气的物质量为：转化气的物质量为：转化气的物质量为：转化气降温过程的焓变为：转化气降温过程的焓变为：转化气降温过程的焓

20、变为：转化气降温过程的焓变为：6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid（2 2）热效率）热效率）热效率）热效率（3 3）热力学效率）热力学效率）热力学效率）热力学效率6.1.2 6.1.2 理想功理想功理想功理想功WWidid6.1.3 6.1.3 不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功WWL L1 1、概念：理想功与实际功之差即为损耗功。、概念：理想功与实际功之差即为损耗功。、概念：理想功与实际功之差即为损耗功。、概念：理想功与实际功之差即为损耗功。2 2、计算、计算、计算、计算高乌斯托多拉公式6.1.3 6.1.3 不可逆过程的损耗功不

21、可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功WWL L热力学效率的计算：热力学效率的计算：热力学效率的计算：热力学效率的计算：产功产功产功产功耗功耗功耗功耗功自学例自学例自学例自学例6-66-6、6-86-8讨论讨论讨论讨论（1 1）可逆过程）可逆过程）可逆过程）可逆过程S St t=0 0 W WL L=0 0（2 2）不可逆过程）不可逆过程）不可逆过程）不可逆过程S St t0 0 W WL L0 0敞开体系多股物流：敞开体系多股物流：敞开体系多股物流：敞开体系多股物流：例例例例6-7 6-7 设有两股理想气体在混合器中进行等温（设有两股理想气体在混合器中进行等温（设有两股理想气体

22、在混合器中进行等温（设有两股理想气体在混合器中进行等温（T T0 0）混合。混合。混合。混合。混合前两股物流的量各为混合前两股物流的量各为混合前两股物流的量各为混合前两股物流的量各为n n1 1与与与与n n2 2molhmolh-1-1，压力为压力为压力为压力为P P，混合后混合后混合后混合后压力仍为压力仍为压力仍为压力仍为P P，试求混合过程的损耗功试求混合过程的损耗功试求混合过程的损耗功试求混合过程的损耗功WWL L与理想功与理想功与理想功与理想功WWidid6.1.3 6.1.3 不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功WWL L解：混合前两股气体的压力

23、均为解：混合前两股气体的压力均为解：混合前两股气体的压力均为解：混合前两股气体的压力均为P P，混合后压力不变，则两混合后压力不变，则两混合后压力不变，则两混合后压力不变，则两气体的分压为：气体的分压为：气体的分压为：气体的分压为：等温过程熵产生为：等温过程熵产生为：等温过程熵产生为：等温过程熵产生为：由热力学第一定律：由热力学第一定律：由热力学第一定律：由热力学第一定律：6.1.3 6.1.3 不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功WWL L理想气体等温混合过程：理想气体等温混合过程：理想气体等温混合过程：理想气体等温混合过程：6.1.3 6.1.3 不可逆

24、过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功不可逆过程的损耗功WWL L 由于理想气体等温混合过程中，体系和外界无热和轴由于理想气体等温混合过程中，体系和外界无热和轴由于理想气体等温混合过程中，体系和外界无热和轴由于理想气体等温混合过程中，体系和外界无热和轴功交换，因此过程为绝热，过程熵产生与体系熵变相等，功交换，因此过程为绝热，过程熵产生与体系熵变相等，功交换，因此过程为绝热，过程熵产生与体系熵变相等，功交换，因此过程为绝热，过程熵产生与体系熵变相等，故其理想功与损耗功相等。故其理想功与损耗功相等。故其理想功与损耗功相等。故其理想功与损耗功相等。理想气体在稳定流动过程中进行分离的理想功和

25、损耗理想气体在稳定流动过程中进行分离的理想功和损耗理想气体在稳定流动过程中进行分离的理想功和损耗理想气体在稳定流动过程中进行分离的理想功和损耗功与混合过程的相反：功与混合过程的相反：功与混合过程的相反：功与混合过程的相反：或或或或或或或或6.2 6.2 化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析化工单元过程热力学分析6.2.16.2.1流体流动过程流体流动过程流体流动过程流体流动过程 流体流经管道、设备时，存在流体与管道设备之间、流体流体流经管道、设备时，存在流体与管道设备之间、流体流体流经管道、设备时，存在流体与管道设备之间、流体流体流经管道、设备时，存在流体与管道设

26、备之间、流体分子之间的摩擦和扰动，使一部分机械能耗散为热能，导致分子之间的摩擦和扰动，使一部分机械能耗散为热能，导致分子之间的摩擦和扰动，使一部分机械能耗散为热能，导致分子之间的摩擦和扰动，使一部分机械能耗散为热能，导致熵产生与不可逆的功损耗。熵产生与不可逆的功损耗。熵产生与不可逆的功损耗。熵产生与不可逆的功损耗。当流体与外界无功和热交换时（有压力降），存在功损耗。当流体与外界无功和热交换时（有压力降），存在功损耗。当流体与外界无功和热交换时（有压力降），存在功损耗。当流体与外界无功和热交换时（有压力降），存在功损耗。根据热力学基本关系式和能量平衡方程式：根据热力学基本关系式和能量平衡方程式：

27、根据热力学基本关系式和能量平衡方程式：根据热力学基本关系式和能量平衡方程式：实际上由于绝热：实际上由于绝热：实际上由于绝热：实际上由于绝热：6.2.16.2.1流体流动过程流体流动过程流体流动过程流体流动过程 若温度和比容变化不大则：若温度和比容变化不大则：若温度和比容变化不大则：若温度和比容变化不大则：讨论：讨论：讨论：讨论：减低流速、增大管径、加减阻剂。减低流速、增大管径、加减阻剂。减低流速、增大管径、加减阻剂。减低流速、增大管径、加减阻剂。升高温度，在深冷时要减小流动阻力引起升高温度，在深冷时要减小流动阻力引起升高温度，在深冷时要减小流动阻力引起升高温度，在深冷时要减小流动阻力引起的功损

28、失。的功损失。的功损失。的功损失。气体节流比液体的损耗功大，气体通常用气体节流比液体的损耗功大，气体通常用气体节流比液体的损耗功大，气体通常用气体节流比液体的损耗功大，气体通常用膨胀机、液体采用节流阀，以减少功的损膨胀机、液体采用节流阀，以减少功的损膨胀机、液体采用节流阀，以减少功的损膨胀机、液体采用节流阀，以减少功的损耗。耗。耗。耗。6.2.2 6.2.2 传热过程传热过程传热过程传热过程 传热过程的功损耗：来自于传热的温差传热过程的功损耗：来自于传热的温差传热过程的功损耗：来自于传热的温差传热过程的功损耗：来自于传热的温差造成过程不可造成过程不可造成过程不可造成过程不可逆的直接原因。逆的直

29、接原因。逆的直接原因。逆的直接原因。传热前，高温流体释放的热量传热前，高温流体释放的热量传热前，高温流体释放的热量传热前，高温流体释放的热量Q QHH的最大作功能力为的最大作功能力为的最大作功能力为的最大作功能力为传热后，低温流体得到的热量传热后，低温流体得到的热量传热后，低温流体得到的热量传热后，低温流体得到的热量Q QL L的最大作功能力为的最大作功能力为的最大作功能力为的最大作功能力为传热过程中损耗的功为：传热过程中损耗的功为：传热过程中损耗的功为：传热过程中损耗的功为：6.2.2 6.2.2 传热过程传热过程传热过程传热过程或或或或讨论：讨论：讨论：讨论：减小温差、增大传热面积、设备费

30、用增加减小温差、增大传热面积、设备费用增加减小温差、增大传热面积、设备费用增加减小温差、增大传热面积、设备费用增加经济最佳化。经济最佳化。经济最佳化。经济最佳化。低温下传热，损耗功更大，高温传热可低温下传热，损耗功更大，高温传热可低温下传热，损耗功更大，高温传热可低温下传热，损耗功更大，高温传热可允许的温差大一些。允许的温差大一些。允许的温差大一些。允许的温差大一些。节能方向：温差减小、做到温度匹配、温差分布合理。节能方向：温差减小、做到温度匹配、温差分布合理。节能方向：温差减小、做到温度匹配、温差分布合理。节能方向：温差减小、做到温度匹配、温差分布合理。6.2.2 6.2.2 传热过程传热过

31、程传热过程传热过程传热过程热力学效率：传热过程热力学效率：传热过程热力学效率：传热过程热力学效率：或或或或自学例自学例自学例自学例6-9 P1626-9 P162可逆无温差的传热过程，无散热损失：可逆无温差的传热过程，无散热损失：可逆无温差的传热过程，无散热损失：可逆无温差的传热过程，无散热损失：WWidid低低低低=WWidid高高高高不可逆有温差的传热过程，无散热损失：不可逆有温差的传热过程，无散热损失：不可逆有温差的传热过程，无散热损失：不可逆有温差的传热过程，无散热损失：WWidid低低低低WWidid高高高高6.2.3 6.2.3 分离过程分离过程分离过程分离过程在在在在T T0 0

32、温度下，分离过程消耗的理想功（最小功）温度下，分离过程消耗的理想功（最小功）温度下，分离过程消耗的理想功（最小功）温度下，分离过程消耗的理想功（最小功）机械分离如：沉降、过滤、离心不需要理论能耗。机械分离如：沉降、过滤、离心不需要理论能耗。机械分离如：沉降、过滤、离心不需要理论能耗。机械分离如：沉降、过滤、离心不需要理论能耗。传质分离过程：精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附传质分离过程：精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附传质分离过程：精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附传质分离过程：精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶、吸附 需要理论能耗。需要理论能耗。需要理论能耗。需要理论能耗。气相气相气相气相理想溶

33、液理想溶液理想溶液理想溶液非理想溶液非理想溶液非理想溶液非理想溶液自学例自学例自学例自学例6-10 P1646-10 P1646.2.4 6.2.4 化学反应过程化学反应过程化学反应过程化学反应过程 化学反应过程通常可以向外供能。需要对这部分能化学反应过程通常可以向外供能。需要对这部分能化学反应过程通常可以向外供能。需要对这部分能化学反应过程通常可以向外供能。需要对这部分能量进行合理利用，是节能的重要任务。量进行合理利用，是节能的重要任务。量进行合理利用，是节能的重要任务。量进行合理利用，是节能的重要任务。是化工生产的核心，其反应路线、工艺、装置水平是化工生产的核心，其反应路线、工艺、装置水平

34、是化工生产的核心，其反应路线、工艺、装置水平是化工生产的核心，其反应路线、工艺、装置水平以及反应的进行程度在很大程度上决定着反应过程的能以及反应的进行程度在很大程度上决定着反应过程的能以及反应的进行程度在很大程度上决定着反应过程的能以及反应的进行程度在很大程度上决定着反应过程的能耗水平。尽可能提高原料的转化率和产品收率来设计反耗水平。尽可能提高原料的转化率和产品收率来设计反耗水平。尽可能提高原料的转化率和产品收率来设计反耗水平。尽可能提高原料的转化率和产品收率来设计反应路线和工艺将会将会大大节省后续分离等工序的能应路线和工艺将会将会大大节省后续分离等工序的能应路线和工艺将会将会大大节省后续分离

35、等工序的能应路线和工艺将会将会大大节省后续分离等工序的能耗，并降低原料消耗。耗，并降低原料消耗。耗，并降低原料消耗。耗，并降低原料消耗。P164-167 P164-1676.3 6.3 过程热力学分析的三种基本方法过程热力学分析的三种基本方法过程热力学分析的三种基本方法过程热力学分析的三种基本方法6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能1 1、有效能概念：、有效能概念：、有效能概念：、有效能概念：任何体系在一定状态下的有效能，就是任何体系在一定状态下的有效能，就是任何体系在一定状态下的有效能，就是任何体系在一定状态下的有效能，就是该体系从该状态变至基态，

36、即达到与环境处于完全平衡状该体系从该状态变至基态，即达到与环境处于完全平衡状该体系从该状态变至基态，即达到与环境处于完全平衡状该体系从该状态变至基态，即达到与环境处于完全平衡状态时，此过程的理想功。态时，此过程的理想功。态时，此过程的理想功。态时，此过程的理想功。（1 1）理想功：变化过程为完全可逆；）理想功：变化过程为完全可逆；）理想功：变化过程为完全可逆；）理想功：变化过程为完全可逆；（2 2）基准态：就是与周围环境达到）基准态：就是与周围环境达到）基准态：就是与周围环境达到）基准态：就是与周围环境达到热力学平衡的状态热力学平衡的状态热力学平衡的状态热力学平衡的状态。一、有效能一、有效能一

37、、有效能一、有效能E EX X 热力学定义的周围环境：热力学定义的周围环境：热力学定义的周围环境：热力学定义的周围环境：指温度指温度指温度指温度T T0 0，压力，压力，压力，压力 P P0 0以及构成环境以及构成环境以及构成环境以及构成环境的物质浓度保持恒定，且物质之间不发生化学反应，彼此间的物质浓度保持恒定，且物质之间不发生化学反应，彼此间的物质浓度保持恒定，且物质之间不发生化学反应，彼此间的物质浓度保持恒定，且物质之间不发生化学反应，彼此间处于热力学平衡。处于热力学平衡。处于热力学平衡。处于热力学平衡。约束性平衡：约束性平衡：约束性平衡：约束性平衡：热平衡、力平衡热平衡、力平衡热平衡、力

38、平衡热平衡、力平衡非约束性平衡非约束性平衡非约束性平衡非约束性平衡热力学平衡热力学平衡热力学平衡热力学平衡：热平衡、力平衡、化学平衡热平衡、力平衡、化学平衡热平衡、力平衡、化学平衡热平衡、力平衡、化学平衡6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能 任何体系凡与环境处于热力学不平衡的状态都具有做功任何体系凡与环境处于热力学不平衡的状态都具有做功任何体系凡与环境处于热力学不平衡的状态都具有做功任何体系凡与环境处于热力学不平衡的状态都具有做功能力，系统与环境的状态差距越大，做功能力越大。当系统能力，系统与环境的状态差距越大，做功能力越大。当系统能力，系统与环境的

39、状态差距越大，做功能力越大。当系统能力，系统与环境的状态差距越大，做功能力越大。当系统与环境达到热力学平衡的状态时，系统便不再具有做功能力。与环境达到热力学平衡的状态时，系统便不再具有做功能力。与环境达到热力学平衡的状态时，系统便不再具有做功能力。与环境达到热力学平衡的状态时，系统便不再具有做功能力。（3 3）能级：）能级：）能级：）能级：单位能量所含的有效能：单位能量所含的有效能：单位能量所含的有效能：单位能量所含的有效能：是衡量能量质量的指标，代表了体系能量质量的优劣。是衡量能量质量的指标，代表了体系能量质量的优劣。是衡量能量质量的指标，代表了体系能量质量的优劣。是衡量能量质量的指标，代表

40、了体系能量质量的优劣。高级能量高级能量高级能量高级能量僵态能量僵态能量僵态能量僵态能量低级能量低级能量低级能量低级能量6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能2 2、有效能的组成、有效能的组成、有效能的组成、有效能的组成稳流过程物流具有的总有效能（稳流过程物流具有的总有效能（稳流过程物流具有的总有效能（稳流过程物流具有的总有效能（）流体动能可全部转变成有用的功流体动能可全部转变成有用的功流体动能可全部转变成有用的功流体动能可全部转变成有用的功动能动能动能动能流体位能可全部转变成有用的功流体位能可全部转变成有用的功流体位能可全部转变成有用的功流体位能可全部

41、转变成有用的功位能位能位能位能物系所处的状态达到与环境成约束性平衡状态所物系所处的状态达到与环境成约束性平衡状态所物系所处的状态达到与环境成约束性平衡状态所物系所处的状态达到与环境成约束性平衡状态所提供的理想功，即由于提供的理想功，即由于提供的理想功，即由于提供的理想功，即由于T T和和和和P P与环境不同而具有的与环境不同而具有的与环境不同而具有的与环境不同而具有的有效能。其计算与理想功相同有效能。其计算与理想功相同有效能。其计算与理想功相同有效能。其计算与理想功相同物理有效能。物理有效能。物理有效能。物理有效能。体系由约束性平衡达到非约束性平衡所提供的理想体系由约束性平衡达到非约束性平衡所

42、提供的理想体系由约束性平衡达到非约束性平衡所提供的理想体系由约束性平衡达到非约束性平衡所提供的理想功，即体系组成由于与环境不同而具有的有效能。功，即体系组成由于与环境不同而具有的有效能。功，即体系组成由于与环境不同而具有的有效能。功，即体系组成由于与环境不同而具有的有效能。化学有效能化学有效能化学有效能化学有效能6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能3 3、物理有效能的计算、物理有效能的计算、物理有效能的计算、物理有效能的计算4 4、热流有效能的计算、热流有效能的计算、热流有效能的计算、热流有效能的计算热量相对于平衡环境态所具有的最大做功能力热量相对于

43、平衡环境态所具有的最大做功能力热量相对于平衡环境态所具有的最大做功能力热量相对于平衡环境态所具有的最大做功能力6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能5 5、有效能与理想功的区别和联系、有效能与理想功的区别和联系、有效能与理想功的区别和联系、有效能与理想功的区别和联系 有效能是复合的状态函数，与给定的状态和基准态有有效能是复合的状态函数，与给定的状态和基准态有有效能是复合的状态函数，与给定的状态和基准态有有效能是复合的状态函数，与给定的状态和基准态有关。此外各种形式的能量的有效能在热力学上是等价的，关。此外各种形式的能量的有效能在热力学上是等价的，关。此

44、外各种形式的能量的有效能在热力学上是等价的，关。此外各种形式的能量的有效能在热力学上是等价的，因为各种有效能的理论作功能力是相同的。因为各种有效能的理论作功能力是相同的。因为各种有效能的理论作功能力是相同的。因为各种有效能的理论作功能力是相同的。6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能即：即：即：即：6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能理想功理想功理想功理想功有效能有效能有效能有效能区区区区别别别别概念概念概念概念体系经历一个完全可逆的过体系经历一个完全可逆的过体系经历一个完全可逆的过体系经历一个完全可逆的过程

45、时，所作的最大功或消耗程时，所作的最大功或消耗程时，所作的最大功或消耗程时，所作的最大功或消耗的最小功。的最小功。的最小功。的最小功。是由于体系所处状态与基是由于体系所处状态与基是由于体系所处状态与基是由于体系所处状态与基态不同所能作的理态不同所能作的理态不同所能作的理态不同所能作的理 想功。想功。想功。想功。计算计算计算计算联系联系联系联系有效能的减少等于对外做的理想功有效能的减少等于对外做的理想功有效能的减少等于对外做的理想功有效能的减少等于对外做的理想功有效能与理想功的区别与联系二、无效能二、无效能二、无效能二、无效能A AN N1 1、无效能的概念：、无效能的概念：、无效能的概念：、无

46、效能的概念：在给定状态环境下，能量可转变为有在给定状态环境下，能量可转变为有在给定状态环境下，能量可转变为有在给定状态环境下，能量可转变为有用功的部分为有效能，不能转变为有用功的部分叫无效能。用功的部分为有效能，不能转变为有用功的部分叫无效能。用功的部分为有效能，不能转变为有用功的部分叫无效能。用功的部分为有效能，不能转变为有用功的部分叫无效能。恒温热源的有效能：恒温热源的有效能：恒温热源的有效能：恒温热源的有效能：当当当当高级能量高级能量高级能量高级能量僵态能量僵态能量僵态能量僵态能量6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能由能量守恒定律：由能量守恒定

47、律：由能量守恒定律：由能量守恒定律：由第二定律：不可逆过程功的损耗实质上是有效能的损失由第二定律：不可逆过程功的损耗实质上是有效能的损失由第二定律：不可逆过程功的损耗实质上是有效能的损失由第二定律：不可逆过程功的损耗实质上是有效能的损失 dEdEX X0 0 dAdAN N0 0 dEdEX X=-dAdAN N 损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效能的量。损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效能的量。损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效能的量。损耗功就是不可逆过程中有效能转化为无效能的量。即有效能守恒，也是热力学第二定律的另一种表达方式。即有效能守恒，也是热力学第二定律的另一种表达方式。

48、即有效能守恒，也是热力学第二定律的另一种表达方式。即有效能守恒，也是热力学第二定律的另一种表达方式。（1 1）一切不可逆过程中，均有有效能转化为无效能。一切不可逆过程中，均有有效能转化为无效能。一切不可逆过程中，均有有效能转化为无效能。一切不可逆过程中，均有有效能转化为无效能。（2 2）只有可逆过程有效能才守衡。）只有可逆过程有效能才守衡。）只有可逆过程有效能才守衡。）只有可逆过程有效能才守衡。（3 3）由无效能转化为有效能是不可能的。）由无效能转化为有效能是不可能的。）由无效能转化为有效能是不可能的。）由无效能转化为有效能是不可能的。能量贬质过程是不可逆的，又称为能量降级定律能量贬质过程是不

49、可逆的，又称为能量降级定律能量贬质过程是不可逆的，又称为能量降级定律能量贬质过程是不可逆的，又称为能量降级定律6.3.1 6.3.1 有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能有效能和无效能2 2 2 2、能量的降级定律、能量的降级定律、能量的降级定律、能量的降级定律6.3.2 6.3.2 两种损失和两种效率两种损失和两种效率两种损失和两种效率两种损失和两种效率一、两种损失一、两种损失一、两种损失一、两种损失1 1、能量损失：、能量损失：、能量损失：、能量损失：通过各种途径由体系排到环境中去的未能通过各种途径由体系排到环境中去的未能通过各种途径由体系排到环境中去的未能通过各种途径由体系排到环境

50、中去的未能利用的能量。利用的能量。利用的能量。利用的能量。2 2、有效能损失：、有效能损失：、有效能损失：、有效能损失：内部损失：由于体系内部存在各种不可逆因素造成有效内部损失：由于体系内部存在各种不可逆因素造成有效内部损失：由于体系内部存在各种不可逆因素造成有效内部损失：由于体系内部存在各种不可逆因素造成有效能的损失（温度差、压差、浓度差、化学位差）。能的损失（温度差、压差、浓度差、化学位差）。能的损失（温度差、压差、浓度差、化学位差）。能的损失（温度差、压差、浓度差、化学位差）。外部损失：体系向环境排出的能量中所含有效能的损失。外部损失：体系向环境排出的能量中所含有效能的损失。外部损失：体