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1、2018/10/20,第4章 热力学基本定律及其应用,2018/10/20,化工过程能量分析实例,南京塑料厂乙苯脱氢制苯乙烯,2018/10/20,化工过程能量分析实例,2018/10/20,化工过程能量分析实例,反应器 烧重油加热反应物至560620oC，产生高温烟道气 第三过热器 利用高温烟道气加热高温反应物 第二过热器 利用高温产物加热中温反应物 蒸发器 利用中温烟道气加热低温反应物 废热锅炉 利用中温产物产生水蒸汽,2018/10/20,化工热力学的任务,1、平衡研究 相平衡、热平衡 2、化工过程的热力学分析 能量的有效利用,2018/10/20,基本概念,能量不仅有数量，而且有质量（
2、品位）。功的品位高于热 。 自然界的能量可分为三大类 （1）高级能量： 能够完全转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等； （2）低级能量： 不能完全转化为功的能量，如热能、焓等。 高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。 （3）僵态能量： 完全不能转化为功的能量，如大气、大地、天然水源具有的内能。,2018/10/20,作业,1.自然界的能量可分为哪三大类？ 2.分别在p-v图上和T-S图上表示卡诺循环过程 3.已知蒸汽进入透平机时的焓h1=3230kJ/kg,流速 u1=50m/s,离开透平机时的焓h2=2300kJ/kg,流速 u2=120m/s。蒸气出口管比进口管低3m
3、，蒸汽流 量为10000kg/h。若忽略透平的散热损失，试求： (a)透平机输出的功率； (b)忽略进、出口蒸汽的动能和位能变化，估计对输出功率计算值所产生的误差。,2018/10/20,化工过程的热力学分析 1、能量衡算。 2、分析能量品位的变化。 化工过程总是伴随着能量品位的降低。 一个效率较高的过程应该是能量品位降低较少的过程。 找出品位降低最多的薄弱环节，指出改造的方向。,化工热力学的任务,2018/10/20,本章内容,4.1 热力学第一定律能量转换与守恒方程 4.2 热力学第二定律热功转换的不等价性 4.3 理想功、损失功与热力学效率 4.4 有效能 4.5 化工过程能量分析及合理
4、用能,2018/10/20, 4.1.1 能量的种类 热力学第一定律中所涉及的能量通常为以下几种 (1)内能U也叫热力学能，其定义见教材p185,内能具有加和性。内能由三部分组成：分子内动能、分子内势能、分子内部能 (2) 动能Ek定义见教材p186 (3)重力势能Ep (4)热Q规定体系得到热Q为正，反之为 (5)功W规定体系得功为正，反之为负,4.1 热力学第一定律,2018/10/20, 4.1.2热力学第一定律能量守恒的基本式,热力学第一定律对不同的系统有对应的表述,对孤立系统，热力学第一定律指出：孤立系统无论经历何种变 化，其能量守恒。,孤立系统的概念，物化里学过，本课程也多次复习过
5、。,热力学第一定律可描述成,（体系的能量）+ （环境的能量）= 0,由此可推导出热力学第一定律的基本式,2018/10/20,4.1.3 封闭系统的热力学第一定律 The First Law Of Thermodynamics in closed system,U+,只适合封闭体系!,热力学第一定律,The first law in closed system,（4-12）,2018/10/20,4.1.4 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用 The first law in open system,稳定流动- Stead flow 敞开体系 稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和
6、物料的积累。 化工过程中最常用,2018/10/20,如图4-3所示流体流经管路、换热器、透平，做稳定流动 m-质量流率kg/s,显然 m1=m2=m 以单位质量流体为计算基准截面1处的能量e1 e1 = U1 + gZ1+ u12/2 (J/kg) Z1-截面1处流体重心距势能零点平面得高度（m） u1-截面1处流体的平均流速(m/s),4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,2018/10/20,p1、V1、A1截面1处流体的压力、体积和截面面积。 下标2 代表截面2处相应的参数 截面2处的能量e2 e2 = U2 + gZ2+ u22/2 (J/kg) q为体系吸收的热量(J/
7、kg) w为体系与环境交换的功(J/kg) 以单位质量流体为计算基准,4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,2018/10/20,4.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,根据能量守衡 e1 +q = e2 -w （1） 由于 w = ws + wf ws 轴功；wf 流动功(计算基准单位质量流体） 所以 w = ws+p2V2 -p1V1 (2)h = U+pV (3) 将(2)、(3)代入（1）可得(6-12)式,2018/10/20,6.1.3 稳定流动系统的热力学第一定律及其应用,稳定流动体系的热力学第一定理：,可得稳流过程另一能量平衡方程,2018/10/20,稳
8、流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化 （1）流体通过换热器、管道、混合器 ws=0，u2=0，g Z=0 h=q 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程,2018/10/20,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化 （2）流体通过压缩机、膨胀机、泵、透平 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。,2018/10/20,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化 （3）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 u1,201
9、8/10/20,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化 （4）伯努利(Bernouli)方程,（4-20）,注意使用条件 不可压缩+无摩擦+无热功交换,2018/10/20,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化 （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 ， Wf=P2V2 -P1V1 =0U=q + w,2018/10/20,稳流体系能量平衡方程的应用,应用中的简化 （6）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 冷冻过程是节流过程，焓未变但温度降低,2018/10/20,稳流体系能量平衡方程的应用
10、,可逆过程体积功计算（物化）,可逆过程轴功计算,2018/10/20,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： 体系吸热为正（+），体系放热为负（-） ； 体系对外做功为负（-） ，外界对体系做功为正（+）。,2018/10/20,例题,例1：功率为2.0 kw的泵将90oC水从贮水罐泵压到换热器，水流量为3.2kg/s，在换热器中以697.3kJ/s的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高20 m的第二贮水罐求送入第二贮水罐的水温 解：以l kg的水为计算基准。须注意： 由于水放热q为负、泵对水做功w为正。 h2 =h+
11、 h1 （h1为90oC水的焓，可查水蒸汽表得） 查水蒸汽表可得符合h2 的饱和水的温度即得。,2018/10/20,4.2热力学第二定律,热功转换的不等价性 热力学第二定律 热机工作原理 热机效率 卡诺循环 可逆机的效率,2018/10/20,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学第二定律所表述的一个基本内容。,热力学第二定律的多种描述-question,2018/10/20,4.2 Second law of thermodynamics Thermodynamics,2. Statement,Clausius
12、 statement: heat will flow unaided from a hot to a cold reservoir. Kelvin-Planck statement: no cyclic process is possible whose sole result is the flow of heat froma single heat reservoir and the performance of an equivalent amount of work,2018/10/20,4.2 热力学第二定律 The Second Law of Thermodynamics,克劳修斯
13、（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。”即热不可能自动的从低温物体转给高温物体,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。”,都说明了自发过程的不可逆性,2018/10/20, 4.2.1 熵与熵增原理 Entropy and entropy increase,首先了解热机工作原理： 工质从高温T1热源吸收Q1的热量，一部分通过循环热机用来对外做功W，另一部分Q2 的热量放给低温T2 热源。U=Q + W U=0 W=-Q= -(Q1+Q2),热机示意图,注意：研究对象/体系？ 循环热机/工质， 环境？
14、热源question how to transfer ideal to reality,2018/10/20,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而与工质无关。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。,2018/10/20,卡诺循环（Carnot cycle）,等温可逆膨胀,绝热可逆膨胀,等温可逆压缩,绝热可逆压缩,2018/10/20,卡诺循环（Carnot cycle）,T,S,等温可逆膨胀,绝热可逆膨胀,等温可逆压缩,绝热可逆压缩,2018/10/20,可逆机的
15、效率,可逆机的效率：,Tl高温热源的温度，K。 最高限为锅炉的使用极限，约450oC。栖化800oC T2低温热源的温度，K。 最低限为环境温度。南通夏天30oC，北极-50oC 南通夏天max =58%；北极 max =79%。,2018/10/20,冷冻系数,如果将卡诺机倒开,就变成了致冷机.这时环境对体系做功W,体系从低温 热源吸热 ,而放给高温 热源 的热量，将所吸的热与所作的功之比值称为冷冻系数，用 表示。,2018/10/20,卡诺定理,卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相等，即与热机的工作物质无关。,卡诺定理的意义：解决了热机效率的极限值问题。,2018/10/20, 4.2.1 熵与熵增原理 Entropy and entropy increase,熵的定义 熵增原理 熵变的计算 熵平衡,2018/10/20,由物化可知，任何一个可逆循环均可看成由无数个小Carnot之和代替，则由,v,p,1,2,B,A,熵的定义式Clausius,2018/10/20,1、熵S的定义,P,V,A,B,C(可逆),D (可逆),F (不可逆),任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关，这个热温商具有状态函数的性质。, 4.2.1 熵与熵增原理,
