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1、第6章流动系统的热力学原理及应用,主要内容,热力学第一定律及在化工中的应用热功间的转换(热力学第二定律）化工过程有效能分析蒸汽动力循环制冷循环,6.1 热力学第一定律,6.1.1 能量守恒与转换一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常能量可分为两大类：一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。,能量的形式不同，但是可以相互转化或传递，在转化或传递的过程中，能
2、量的数量是守恒的。对于任意体系有 体系能量的积累=输入能量-输出能量,热力学第一定律-能量转化和守恒原理,此处约定：体系吸热为正值，放热为负值；体系得功为正值，对环境做功为负值。,物料流入和流出的能量包括:1.动能, 记为Ek2.势能(在重力场中则为位能), 记为EP3.物料的内能, U因此,此外规定所有流入体系能量为正, 流出能量为负,6.1.2 封闭体系的能量平衡方程,在闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为,对于孤立体系，由于不存在功和热的交换，故,6.1.3 稳态流动体系的能量平衡方程,稳态流动是指流体流动途径中所有各点的状况都不随时间而变化，系统中没有物料和能量的积累。,稳态流
3、动系统的能量平衡关系式为：,单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能(u2/2)、势能(gz)和热力学能(U)。,流体从截面1通过设备流到截面2，在截面1处流体进入设备所具有的状况用下标1表示，此处距基准面的高度为z1，流动平均速度u1，比容V1，压力P1以及内能U1等。同样在截面2处流体流出所具有的状况用下标2表示。,g为重力加速度。,系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一部分是通过泵、压缩机等机械设备的转动轴，使系统与环境交换的轴功Ws；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给予的功，以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功。 假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为V1，压
4、力为P1，则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功为,这是单位质量流体进入系统时，接受后面流体(环境)所给予的功；同样,单位质量流体离开系统时，必须推动前面的流体(环境)，即对环境作 P2V2的功。这种流体内部相互推动所交换的功，称为流动功。只有在连续流动过程中才有这种功。,对于流动过程，系统与环境交换的功是轴功与流动功之和,稳态流动系统的能量平衡关系可写为,将焓的定义 H=U+PV 代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,使用上式时要注意单位必须一致。按照SI单位制，每一项的单位为 Jk
5、g-1。动能和位能的单位, H、 u2/2、g z、Q和Ws 分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。,可逆条件下的轴功,对于稳定流动体系, 以单位质量流体计,有,对于可逆变化, 则,若忽略动能和位能变化, 则,积分,封闭体系的热力学基本关系对稳态流动体系也是适用的,可逆条件下的轴功,对于液体，在积分时一般可将V当作常数。,对于理想气体等温过程,左式只适用于理想气体等温过程,对于气体怎么办？,可逆条件下的轴功,体积功,可逆轴功,可逆体积功与可轴功的比较,喷嘴与扩压管,喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速加快的部
6、件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。,喷嘴,扩压管,喷嘴与扩压管,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,流体通过焓值的改变来换取动能的调整,透平机和压缩机,透平机是借助流体的减压和降温过程来产出功,压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗功,透平机和压缩机,是否存在轴功?,是!,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,不变化或者可以忽略,动能是否变化？,通常可以忽略,流体通过焓值的改变对外作功, 或消耗功而升高焓值,节流阀 Throttling Valve,理想气体通过节流阀温度不变,节流阀,是否存在轴功?,否,是否和环境交
7、换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,否,动能是否变化?,通常可以忽略,混合设备,混合两种或多种流体是很常见。,混合器,混合设备,是否存在轴功?,否,是否和环境交换热量?,通常可以忽略,位能是否变化?,通常不变或可忽略,动能是否变化?,通常可忽略,混合设备,1 3 2,混合器,Hi为单位质量第i股输出物流的焓值，xi为第i股输出物流占整个输出物流的质量分数。Hj为单位质量第j股输入物流的焓值，xj为第j股输入物流占整个输入物流的质量分数。,当不止一个输入物流或（和）输出物流时,分别为第i流入股和第j股流出物流的质量流量。,为总质量流量。,换热设备,若整个换热设备的热损失可以忽略不计，换热设备
8、的能量平衡方程与混合设备的能量平衡方程相同，只是物流之间不发生混合。,mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量,管路和流体输送,是否存在轴功?,有时存在,是否和环境交换热量?,通常是,位能是否变化?,有时变化,动能是否变化?,通常可以忽略,Bernoulli 方程,实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为热力学能，有摩擦损耗,对于无热、,无轴功交换、,不可压缩流体的稳流过程,对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则,例 6-1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和403.15K，求原湿蒸汽的干度,解,节流过程无功的传递，,忽略散热、,动能变化,和位能变化,13
9、0,H2,在0.1 MPa时,1.5MPa 饱和液体焓值 Hl=844.9 饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2,解,例 6-2 30 的空气，以5m/s的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到150 ，若换热器进出口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为3m，空气Cp=1.005kJ(kgK),求50kg空气从换热器吸收的热量,将空气当作理想气体，并忽略压降时,由此例可以看出, 对于换热过程, 换热器的动能变化和位能变化可以忽略不计,对孤立体系,对封闭体系,对稳流体系,本节小结,对封闭体系,6.2热功间的转化（热力学第二定律）,6.2.1 热力学第二定律 克劳修斯说法：热不可能自动从
10、低温物体传给高温物体。开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。,热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。克劳修斯的说法说明了热传导过程的不可逆性，开尔文说法则描述了功转化为热过程的不可逆性。其实质是“自发过程都是不可逆的”。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。,水往低处流,气体由高压向低压膨胀,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和限度。我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要付出代价, 即消耗功。,热力学第一定律与第二定律的意义,熵增原理,等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。
11、孤立体系,6.2. 2 熵函数,熵与熵增原理,熵平衡,熵流是由于有热量流入或流出系统所伴有的熵变化,可逆过程,由于传递的热量可正、可负、可零，熵流也亦可正、可负、可零。,熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化,不可逆过程,稳态流动体系,绝热节流过程,可逆绝热过程,单股流体,封闭体系,，只有单股流体，mimjm,对孤立体系,对封闭体系,对稳流体系,对开放体系,本节小结,6.3 化工过程的有效能分析,上节内容回顾,热力学第一定律,热力学第二定律,对孤立体系,对封闭体系,对稳流体系,对孤立体系,对封闭体系,对稳流体系,对开放体系,第六章 流动系统的热力学基本原理及应用,6.3 有效能及过程热力学分析,
12、主要内容：引言有效能、无效能理想功、损失功及其计算有效能的计算有效能与理想功的区别与联系,引言,能量不仅有数量、而且有质量（品位）。例如，1kJ功和1kJ热，从热力学第一定律来看，它们在数量上是相等，但从热力学第二定律来看，它们的质量并不相等，功可以全部转化为热，而热不能全部转化为功。,学习目的：掌握一些基本的概念，为以后分析化工过程中的能量转化、传递、使用和损失情况，改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基础。,思考：（1）在冬天用电炉取暖和制热空调取暖，哪种方式的效率更高？ （2）试分析以下火力发电过程。,6.3.1 有效能与无效能的概念,(1)能量的分类按可转化为有用功的能力，分
13、为三类：高(品）质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能；僵态能量：理论上不能转化为有用功的能量。如海水、地壳、环境状态下的能量；低（品）质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量、内能、焓等。,6.3.1 有效能与无效能的概念,为了衡量能量的可利用程度或比较体系在不同状态下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。有效能：一定形式的能量,可逆变化到给定环境状态相平衡时,理论上所能做出的最大有用功的能力。常用B或Ex表示；无效能：理论上不能转化为功的能量。常用El表示。,推论高质能量=有效能僵态能量=无效能低质能量=有效能+无效能。,(1) 机械能、电能的有
14、效能 机械能和电能全部是有效能，即 EX=W,（2）物理有效能 物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的有效能。化工过程中主要涉及：与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程（热有效能）；与压力变化有关的压缩、膨胀等过程（压力有效能）。,6.3.2 有效能的形式,（3）化学有效能 处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换或化学反应，最后达到与环境平衡时，所能做的最大有用功。,在计算化学有效能时，不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物种类和浓度。,6.3.3 理想功、损失功,理想功：系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。所谓的完全可逆，指的是不
15、仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。理想功是一个理想的极限值，可作为实际功的比较标准。,1 理想功的定义,稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：,假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为是个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定律，系统与环境之间的可逆传热量为 Qrev=T0S体系,忽略动能和势能变化,2 稳态流动体系理想功计算公式的推导,稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。也就是说，只要初、终态以及环境温度T0相同，无论是否可逆过程，其理想功相同。理想功与轴功的区别：理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。轴功是实际过程中体系与环境所交换的功。,3 理想功的特点,若对外做功，WidWRS若对内做功，WidWRS,例1,例2,4 损失功的定义,系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差称为损失功。,5 稳态流动过程损失功,由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆热，但是用于环境时为负号，即 - QT0S0 。,
