化工过程的能量分析y化工热力学

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1、2019/11/12,第五章 化工过程的能量分析,2019/11/12,本章内容,5.0 热力学基本概念复习 5.1 热力学第一定律与能量平衡方程 5.2 热功转换 5.3 熵 5.4 理想功和损失功 5.5 火用及其计算,2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,1、体系与环境 2、状态和状态函数 3、过程 4、热和功,2019/11/12,1、体系与环境,体系（System）,在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为体系，亦称为物系或系统。,环境（surroundings）,与体系密切相关、有相互作用或影

2、响所能及的部分称为环境。,2019/11/12,体系分类,根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：,（1）敞开体系 体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。,（2）封闭体系 体系与环境之间无物质交换，但有能量交换。,2019/11/12,体系分类,（3）孤立体系（isolated system） 体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。,2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,2、状态和状态函数 状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。 平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称

3、体系处于热力学平衡状态。 热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。 状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称为状态函数。 常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G,2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,“状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零。” 循环过程： 状态1 状态2 状态3 H=0,U=0,V=0,S体系=0（当然 S总0),2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,3、过程 指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换 对某一过程的描写：初态+终态+路径. 不可逆过程：一个单向过程发生之

4、后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程 凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。 如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等,2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,P,V,T,无限小的沙子。,带活塞的气缸,拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。,可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程逆行而能使过程中所涉及的一切(体系及环境)都回复到原始状态而不留下任何变化，则此过程称为可逆过程 注意： 1）可逆过程一旦发生，不仅体系能恢复到原来状态，而且而环境也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否

5、是可逆过程？）,2019/11/12,2）若是可逆过程，位的梯度即推动力需为无限小；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。 3）可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近 ，体系始终无限接近平衡状态。 4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果比较的标准。 若说某体系效率为80%，是指与可逆过程比。 5）可逆过程是效率最高的过程。 体系对外做最大功。 体系对外吸收最小功。 6）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来的。如：,2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,4、热和功 1）热和功不是状态函数，与途径有

6、关。 2）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。 U+ 热力学第一定律 3） 按照国际规定: :体系吸热为正，0，体系放热为负,0 ，体系对环境作功,0,2019/11/12,5.0 热力学基本概念复习,特别提醒： 过去的教材中习惯用U = Q - W表示，两种表达式完全等效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为：环境对体系作功， W0 。 本新版教材用的是U+，敬请注意！ 4)热的推动力是温差。 功的推动力是除温差以外的位的梯度。 5）热量的传递是无序的，热量是规格低的能量。 功的传递是有序的， 功是规格高的能量。,2019/11/12,

7、5.1热力学第一定律与能量平衡方程,5.1.1 热力学第一定律 5.1.2 稳定流动体系的热力学原理 5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,2019/11/12,5.1.1热力学第一定律,U+,只适合封闭体系!,热力学第一定律的数学表达式：,2019/11/12,5.1.2稳定流动体系的热力学原理,稳定流动 敞开体系 稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和物料的积累。 化工过程中最常用,不能用U+来表达!,2019/11/12,能量的形式,化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物 质的能量、能量传递的两种形式。 1、物质的能量E(以1kg为基准) 动能：Ek= u2/2 内能：

8、U=f(T,P, x) 位能： EP= gZ 2、能量传递的两种形式(以1kg为基准) 在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能 量的传递，能量传递的形式有两种，即热和功。,2019/11/12,热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用Q表示。 规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。,功W： 1.对流动系统：包括两部分 (1) 流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为轴功Ws。 (2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所交换的功，称为流动功Wf =PV。,管道截面积A m2,1kg流体,Vm3/kg,P,流动功F.S =（P.A）.(V/A) = PV J/K

9、 g,2019/11/12,注意： *热和功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说“某物质具有多少热或功”。 当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。 如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。 *热和功是过程函数，非状态函数。,2.对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功W。 规定：系统得功，其值为正；反之为负。,2019/11/12,以1Kg为基准! Q为体系吸收的热量 W为体系与环境交换的功。 截面1的能量E1 E1 = U1 + gZ1+ u12/2 截面2的能量E2 E2 = U2

10、 + gZ2+ u22/2,5.1.2稳定流动体系的热力学原理,P1,V1,Z1,u1,P2,V2,Z2,u2,2019/11/12,根据能量守恒原理： 进入体系能量=离开体系能量+体系内积累的能量 稳定流动体系无能量的积累 E1 +Q = E2 -W （1） 体系与环境交换的功W包括与环境交换的轴功Ws 和流动功Wf，即W = Ws + Wf 其中：Wf= P1V1 -P2V2 所以 W = Ws+ P1V1 -P2V2 (2) E = U + gZ + u2/2 (3) 将(2)、(3)代入（1）可得(4)式,5.1.2稳定流动体系的热力学原理,2019/11/12,稳定流动体系的热力学第

11、一定理：,焓变,位能变化,动能变化,(4)式的计算单位建议用 J/kg；即以1Kg为基准!,5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,2019/11/12,一些常见的属于稳流体系的装置,喷嘴,扩压管,节流阀,透平机,压缩机,混合装置,换热装置,2019/11/12,应用中的简化 1）流体通过压缩机、膨胀机 u20，g Z0 H=Q + Ws稳流过程中最常用的公式 若绝热过程Q=0， Ws= H= H2-H1 高压高温蒸汽带动透平产生轴功。,5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,2019/11/12,2）流体通过换热器、管道、混合器 Ws=0，u2=0，g Z=0 H=Q 如发生化学反应，相

12、变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差。,5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,体系状态变化，如,化学反应,相变化,温度变化,反应热,相变热,显热,Q,用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程,2019/11/12,3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。 Ws=0，u2=0，g Z=0 ，Q=0 H=0,5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,2019/11/12,4）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速） 例：火箭、化工生产中的喷射器。 Q=0，g Z=0 ， Ws=0 H= -u2/2 ； u2 u1,5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,2

13、019/11/12,5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律 u2=0，g Z=0 。 H= Q + WS 又 H=U+ PV U=Q + W,5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用,=Q + W- Wf,= Q + W+ P1V1 -P2V2,流动功Wf= P1V1 -P2V2,2019/11/12,热力学第一定律应用注意事项,1、注意区别： U=Q + W 封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系 2、注意符号： 热量：体系吸热为正（+），体系放热为负（-） ； 功：外界对体系做功为正（+），体系对外做功为负（-） 。,2019/11/12,例 1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流

14、到0.1MPa和403.15K，求湿蒸汽的干度,解,节流过程无功的传递，,忽略散热、,动能变化,和位能变化,130,H2,例题,2019/11/12,1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 kJ/kg 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2 kJ/kg,2019/11/12,5.2 热功转换,5.2.1 热功转换的不等价性 5.2.2 热力学第二定律 5.2.3 热机工作原理 5.2.4 热机效率 5.2.5 卡诺循环 5.2.6 可逆机的效率,2019/11/12,5.2.1 热功转换的不等价性,热功转换的不等价性 功可以100%转变为热 热不可能100%转变为功。 热、功的不等价性正是热力

15、学第二定律所表述的一个基本内容。,2019/11/12,自然界的现象,水往低处流,气体由高压向低压膨胀,2019/11/12,热由高温物体传向低温物体,自然界的现象,我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。 第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必须守衡。 第二定律告诉我们过程发生的方向。,2019/11/12,5.2.2 热力学第二定律,克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”,开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。”,2019/11/12,5.2.3 热机工作原理,热机工作原理： 工质从高温T1热源吸收Q1的热量，一部分通过热机用来对外做功W，另一部分Q2 的热量放给低温T2 热源。 U=Q + W 循环过程 U=0 W=Q1-Q2,热机示意图,2019/11/12,5.2.4 热机效率,热机效率：将热机所作的功W与所吸的热Q1之比称为热机效率, 用表示。 热机效率大小与过程的可逆程度有关。 卡诺定理：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆机的效率最大