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1、第五章第五章 化工过程热力学分析化工过程热力学分析本章内容本章内容n5.1 热力学第一定律热力学第一定律n5.2 热力学第二定律热力学第二定律n5.3 理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率n5.4 有效能有效能n5.5 化工过程热力学分析化工过程热力学分析热力学基本概念复习热力学基本概念复习1: 1: 体系与环境体系与环境体系（体系（System） 在在科科学学研研究究时时必必须须先先确确定定研研究究对对象象，把把一一部部分分物物质质与与其其余余分分开开，这这种种分分离离可可以以是是实实际际的的，也也可可以以是是想想象象的的。这这种种被被划划定定的的研研究究对对象象称称为为体体
2、系系，亦亦称为称为物系或系统物系或系统。环境（环境（surroundings） 与与体体系系密密切切相相关关、有有相相互互作作用用或或影影响响所所能能及及的的部部分分称称为为环境。环境。热力学基本概念复习热力学基本概念复习2 2：体系的分类：体系的分类 根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1 1）敞开体系）敞开体系 体体系系与与环环境境之之间间既既有有物物质交换质交换，又有能量交换又有能量交换（2 2）封闭体系）封闭体系 体体系系与与环环境境之之间间无无物物质交换质交换，但，但有能量交换有能量交换。（3 3）孤立体系（）孤立体系（isolate
3、d system） 体系与环境之间体系与环境之间既无物质交换既无物质交换，又无能量交换又无能量交换，故，故又称为又称为隔离体系隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环。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境一起作为孤立体系来考虑。热力学基本概念复习热力学基本概念复习2 2：体系的分类：体系的分类5.1.1热力学第一定律热力学第一定律(环境的能量环境的能量)-（+）热力学第一定律（能量守恒与转化定律）的数学表热力学第一定律（能量守恒与转化定律）的数学表达式：达式：(体系的能量体系的能量)UEk +Ep(环境的能量环境的能量)+ (体系的能量体系的能量)=0其中：其中：Q体系
4、吸热为正，放热为负体系吸热为正，放热为负;W体系得功为正，做功为负体系得功为正，做功为负UEk +EpQW5.1.2 封闭体系热力学第一定律封闭体系热力学第一定律n封闭体系只有能量交封闭体系只有能量交换，无物质交换，故换，无物质交换，故与物质交换有关的动与物质交换有关的动能和势能变化为零能和势能变化为零UEk +EpQWUQW5.1.3稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律稳定流动稳定流动n敞开体系敞开体系n稳定、连续、稳定、连续、流进、流流进、流出，不随时间变化，没出，不随时间变化，没有有能量和物料的积累能量和物料的积累。n化工过程中最常用化工过程中最常用不能用不能用U+来表达来表达!
5、n以以1Kg为基准为基准!nQ为体系吸收的热量为体系吸收的热量nW为体系与环境交换为体系与环境交换的功。的功。n截面截面1的能量的能量E1E1 = U1 + gZ1+ u12/2n截面截面2的能量的能量E2E2 = U2 + gZ2+ u22/25.1.3稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u2A1A2根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：进入体系能量进入体系能量=离开体系能量离开体系能量+体系内积累的能量体系内积累的能量 稳定流动体系稳定流动体系无能量的积累无能量的积累 E1 QW = E2 E2E1 QW (U2-U1)+(u22-u22)/2
6、+g(Z2-Z1)=QWUu2/2gZQW （5-5）5.1.3稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律n体系与环境交换的功体系与环境交换的功W包括与环境交换的包括与环境交换的轴功轴功Ws 和和流动功流动功Wf，即即W = Ws + Wf nWf为流体进入或离开设备时与前后流体所交换的功为流体进入或离开设备时与前后流体所交换的功n流体进入界面流体进入界面1时受到后面流体的推动，故所获得的时受到后面流体的推动，故所获得的流动功为：流动功为：Wf1=(p1A1)(V1/A1)p1V1n流体出界面流体出界面2时需推动前面的流体，故向外做功，此时需推动前面的流体，故向外做功，此时的流动功：时的流动
7、功： Wf2= -(p2A2)(V2/A2) -p2V2n其中：其中：Wf= Wf1 + Wf2 = p1V1 -p2V2 n所以所以 W = Ws+ p1V1 -p2V2 = Ws (pV) (a)n将将(a)式代入（式代入（55）可得式）可得式5.1.3稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律稳定流动体系的热力学第一定理：稳定流动体系的热力学第一定理：焓变焓变位能变位能变化化动能变动能变化化(5-6)(5-6)(5-6)(5-6)式的计算单位建议用式的计算单位建议用式的计算单位建议用式的计算单位建议用 J/kgJ/kgJ/kgJ/kg；即以；即以；即以；即以1Kg1Kg1Kg1Kg为基
8、准为基准为基准为基准!5.1.3稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律一些常见的属于稳流体系的装置一些常见的属于稳流体系的装置喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置n应用中的简化应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机）流体通过压缩机、膨胀机 u20，g Z0 H=Q + Ws稳流过程中稳流过程中最常用最常用的的公式公式若绝热过程若绝热过程Q=0， Ws= H= H2-H1高高压高温高温蒸汽蒸汽带动透平透平产生生轴功功。5.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律2）流体通过换热器、管道、混合器）流体通过换热器、管道、混合器 W
9、s=0， u2=0，g Z=0 H=Q如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓体系的焓差差。 体系状态变化，如体系状态变化，如化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相变热 显热显热 Q 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程5.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律3）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。胀或绝热闪蒸过程。 Ws=0， u2=0，g
10、Z=0 ，Q=0 H=0冷冻冷冻过程是过程是节流节流过程，过程，焓未变焓未变但但温度降低温度降低5.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律4）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：例：火箭火箭、化工生产中的、化工生产中的喷射器喷射器。 Q=0，g Z=0 ， Ws=0 H= - u2/2 ； u2 u15.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律5）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律一定律 u2=0，g Z=0 H= Q + WS 又又 H=U+ PV U=Q + W=Q + W- Wf= Q
11、 + W+ P1V1 -P2V2流动功流动功Wf= P1V1 -P2V25.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律5.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律n6)对于没有摩擦的流体流动，可视为可逆过程对于没有摩擦的流体流动，可视为可逆过程两边积分，并令两边积分，并令V1/，当与环境无轴功交换时：，当与环境无轴功交换时：柏努利方程柏努利方程稳流过程的可逆轴功稳流过程的可逆轴功其中：其中：5.1.3 稳流体系热力学第一定律稳流体系热力学第一定律若流体流进出运转设备的动能和位能的变化可以若流体流进出运转设备的动能和位能的变化可以忽略时：忽略时：稳流过程的可逆轴功稳流过程的
12、可逆轴功计算公式：计算公式：热力学第一定律应用注意事项热力学第一定律应用注意事项1、注意区别：、注意区别： U=Q + W 封闭体系封闭体系 H=Q +Ws 稳定流动体系稳定流动体系2、注意符号、注意符号：n热量热量：体系：体系吸热为正吸热为正（+），体系），体系放热为负放热为负（-） ；n功：功：外界对体系做功为外界对体系做功为正正（+），体系），体系对外做功为负对外做功为负（-） 。例例 1 1.5MPa的的湿湿蒸蒸汽汽在在量量热热计计中中被被节节流流到到0.1MPa和和403.15K，求湿蒸汽的干度，求湿蒸汽的干度n解解节流过程无功的传递，节流过程无功的传递， 忽略散热、忽略散热、 动能
13、变化动能变化和位能变化和位能变化T H kJ/kg1202716.61602796.2130H2例题例题n1.5MPa 饱和液体焓值饱和液体焓值 Hl=844.9 kJ/kg n 饱和蒸汽焓值饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2 kJ/kg例题例题n例例2：功率为功率为2.0 kw的泵将的泵将95oC水水从贮水罐泵压到换热从贮水罐泵压到换热器，水流量为器，水流量为3.5kg/s，在换热器中以，在换热器中以698kJ/s的速率将的速率将水冷却后，水送入比第一贮水罐高水冷却后，水送入比第一贮水罐高15 m的第二贮水罐的第二贮水罐求送入第二贮水罐的求送入第二贮水罐的水温水温.n解：解：以以l kg的水为
14、计算基准的水为计算基准。思路：思路：1.H2 = H+ H1 (H1为为95oC水的焓，查水蒸汽表得水的焓，查水蒸汽表得397.96kJ/kg)2.计算得计算得H2198.98kJ/kg，查水蒸汽表可得符合，查水蒸汽表可得符合H2 的饱和水的的饱和水的温温度度等于等于47.5。须注意：须注意： 由于水放热由于水放热Q为负、为负、泵对水做功泵对水做功W为正。为正。1) Q=-698 kJ/s =-698/3.5-199.4 kJ/kg2) Ws=2 kw=2 kJ/s =2/3.5=0.57 kJ/kg H=-198.98 kJ/kg注意：计算单位为注意：计算单位为kJ/kg5.2 热力学第二定
15、律热力学第二定律n热功转换的不等价性热功转换的不等价性n功可以功可以100%转变为热转变为热n热不可能热不可能100%转变为功。转变为功。n热、功的不等价性正是热力学第二定律所热、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。表述的一个基本内容。自然界的现象自然界的现象水往低处流水往低处流水往低处流水往低处流气体由高压向低压膨胀气体由高压向低压膨胀气体由高压向低压膨胀气体由高压向低压膨胀热由高温物体传热由高温物体传热由高温物体传热由高温物体传向低温物体向低温物体向低温物体向低温物体自然界的现象自然界的现象我我们们可可以以使使这这些些过过程程按按照照相相反反方方向向进进行，但需要消耗功。行
16、，但需要消耗功。 第第一一定定律律没没有有说说明明过过程程发发生生的的方方向向，它它告告诉诉我我们们能能量量必必须守衡。须守衡。 第第二二定定律律告告诉诉我我们们过程发生的方向。过程发生的方向。5.2.1 热力学第二定律热力学第二定律克劳修斯（克劳修斯（Clausius）的说法：）的说法：“不可能把不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。变化。”开尔文（开尔文（Kelvin）的说法：）的说法：“不可能从单一热不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。化。”不可能把热从低温物不可能把热从低温
17、物体传到高温物体，而体传到高温物体，而不引起其它变化不引起其它变化一切自发过程都是不可逆的！一切自发过程都是不可逆的！热机工作原理热机工作原理热机工作原理：热机工作原理：工质从高温工质从高温T1热源吸收热源吸收Qh的热的热量，量，一部分一部分通过热机用来对外通过热机用来对外做做功功W，另一部分，另一部分Ql 的热量放给低的热量放给低温温T2 热源热源。 根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：- -W=Qh+Ql其中对外做功其中对外做功W W为负，对外放热为负，对外放热Q Ql l为负为负热机示意图热机示意图QhQl热机效率热机效率n热机效率热机效率：将将热机所作的功热机所作的功W与所吸的热与
18、所吸的热Qh之之比称为热机效率比称为热机效率, 用用表示。表示。n热机效率大小与过程的可逆程度有关。热机效率大小与过程的可逆程度有关。nCarnot循环可逆热机的效率与工质无关，只与循环可逆热机的效率与工质无关，只与热源和冷源的温度有关热源和冷源的温度有关:n卡诺定理：卡诺定理：所有工作于所有工作于同温热源和同温冷源同温热源和同温冷源之之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆可逆机的效率最大机的效率最大。（517）热机效率热机效率(5-19)对于任意一个热力循环，可以设想为许多小的热机构成，每个对于任意一个热力循环，可以设想为许多小的热机构成，每个热机均从
19、高温热源吸收无限小的热量热机均从高温热源吸收无限小的热量Qh，恒温向低温冷源放，恒温向低温冷源放出无限小的热量出无限小的热量Ql沿热力学循环过程作循环积分为：沿热力学循环过程作循环积分为：可逆循环等于可逆循环等于0不可逆循环小于不可逆循环小于0热力学第二定律的本质与熵的概念热力学第二定律的本质与熵的概念凡是凡是自发的过程都是不可逆的自发的过程都是不可逆的，而一切不可，而一切不可逆过程都可以归结为逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性热转换为功的不可逆性。一切一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行行，而，而熵熵函数可以作为体系函数可以作为体系混乱度混乱度的一种
20、量的一种量度。度。5.3.2 熵熵与熵增原理与熵增原理1、熵、熵S的定义的定义PVABC C( (可逆可逆) )D ( (可逆可逆) )F ( (不可逆不可逆) )任意任意可逆过程可逆过程的热温商的值的热温商的值决定于始终状态，而与可逆决定于始终状态，而与可逆途径无关，途径无关，这个热温商具有这个热温商具有状态函数的性质。状态函数的性质。2、不可逆过程的、不可逆过程的熵变熵变 n由于由于S是是状态函数状态函数，体系不，体系不可逆过程的可逆过程的熵变熵变 ，与可逆与可逆过程的过程的熵变熵变相等相等3、Clausius 不等式不等式PVABC C( (可逆可逆) )D ( (可逆可逆) )F (
21、(不可逆不可逆) )5.2.2 熵与熵增原理熵与熵增原理总结总结(1)、(2)式得式得(3)式式“ ” 号为不可逆过程；号为不可逆过程；“= =” 号为可逆过程号为可逆过程Clausius 不等式不等式4 4、对于孤立体系：、对于孤立体系：Q=0熵增原理：熵增原理：一个孤立体系一个孤立体系的熵永不减少。的熵永不减少。5.2.2 熵与熵增原理熵与熵增原理“ ” 号为自发过程，号为自发过程，“= =” 号为可逆过程号为可逆过程任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作一个一个孤立体系孤立体系!注意：注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是判断孤立体系是否自发过程
22、的依据是总熵变总熵变大于大于0 0，而不是，而不是体系的熵变大于体系的熵变大于0 0。环境环境孤立体系孤立体系体系体系5.2.2 熵与熵增原理熵与熵增原理5.2.2 熵与熵增原理熵与熵增原理5 5、对于绝热体系（、对于绝热体系（Q体系体系=0 ；Q环境环境=0 ）1 1）绝热可逆过程）绝热可逆过程绝热体系绝热体系Q体系体系=0环境环境Q环境环境=02 2）绝热不可逆过程）绝热不可逆过程（Q Q体系体系=0 =0 ；Q Q环境环境= =0 0 ）这是因为不管体系发生的这是因为不管体系发生的是否可逆过程，由于环境是否可逆过程，由于环境的热源无限大，环境的变的热源无限大，环境的变化可视为可逆过程。化
23、可视为可逆过程。5.2.2 熵与熵增原理熵与熵增原理熵及熵增原理小结熵及熵增原理小结过程过程S总S体系体系S环境境总则总则0，+0，+，-0，+，-可逆可逆0不可逆不可逆+绝热可逆绝热可逆000绝热不可逆绝热不可逆+0可逆循环可逆循环000不可逆循环不可逆循环+0+例例3：某一铸钢（：某一铸钢（Cp=0.5KJ /Kg K ），重量为），重量为40Kg，温度为，温度为4500C，用，用150Kg，250C的油（的油（Cp=2.5KJ /KgK ）冷却。假使）冷却。假使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？1）铸钢；）铸钢；2）油；）油；3）两者一起考虑。并
24、判断过程是否自发的。）两者一起考虑。并判断过程是否自发的。n解：铸钢散失的热为解：铸钢散失的热为Q1=150*0.5（T-450）；油获取的热为）；油获取的热为Q2=150*2.5（T-25）。）。Q1=-Q2 解得解得T=46.520Cn 答：该过程是自发过程。答：该过程是自发过程。实例分析实例分析实例实例52n例：有人有一发明如下，请判断它的可行性例：有人有一发明如下，请判断它的可行性T=463.15KT=463.15K环境环境1 1T=273.15KT=273.15K环境环境2 2高温储热高温储热器器冷却水冷却水例题分析例题分析n解题思路：是否同时符合热力学第一、解题思路：是否同时符合热
25、力学第一、第二定律（能量守恒、总熵变第二定律（能量守恒、总熵变 0 ）答：不可行答：不可行P.106P.106例例 5-25-25.2.3 熵平衡熵平衡n熵增熵增的过程即是的过程即是能量损耗能量损耗的过程的过程n熵平衡熵平衡就是用来检验过程熵的变化，就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的它可以精确地衡量过程的能量有效能量有效利用利用5.2.3 熵平衡熵平衡n敞开体系的熵平衡方程敞开体系的熵平衡方程注：功的传递不会引起熵的的流动！注：功的传递不会引起熵的的流动！5.2.3 熵平衡熵平衡1、应用于封闭体系、应用于封闭体系2、应用稳定流动过程、应用稳定流动过程实例5-3, P108装置空气
26、，空气，0.5MPa, 298K, m0.1MPa, 273K, m/20.1MPa, 323K, m/2装置与环境无功的交换，问该稳装置与环境无功的交换，问该稳流过程是否可行？流过程是否可行？解题思路：解题思路：一个过程是否可行，从热力学上分析，必须满足热一个过程是否可行，从热力学上分析，必须满足热力学第一定律和第二定律，也就是必须同时满足稳力学第一定律和第二定律，也就是必须同时满足稳流体系的能量平衡式和稳流系统的熵平衡式！流体系的能量平衡式和稳流系统的熵平衡式！H0,S0,T0H1,S1,T1H2,S2,T2满足热力学第一定律满足热力学第一定律满足热力学第二定律！满足热力学第二定律！该装置
27、在热力学上可行！该装置在热力学上可行！5.3 理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率5.3.1 理想功理想功Wid：n指体系的状态变化以完全可逆过程实现指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论上可能时，理论上可能产生的最大功产生的最大功或者必须或者必须消耗的最小功消耗的最小功。n完全可逆完全可逆是指：是指： (1)体系内所有的变化过程必须是可逆的体系内所有的变化过程必须是可逆的 (2)体系与环境进行热交换必须可逆。体系与环境进行热交换必须可逆。n理想功是一个理论的极限值，是实际功的理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。比较标准。理想功理想功Wid（1）完全可逆的封闭体系
28、（非流动过程）完全可逆的封闭体系（非流动过程 ） U=Qrev + Wrevn过程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个过程完全可逆，而且体系所处环境构成了一个温度为温度为T0的恒温热源。的恒温热源。n理想功理想功产生最大功；消耗最小功产生最大功；消耗最小功理想功理想功（2）稳定流动过程）稳定流动过程环境的环境的温度温度理想功理想功（3）说明）说明n理想功理想功Wid仅与体系状态有关，与仅与体系状态有关，与具体的变化途径无关。具体的变化途径无关。n理想功理想功Wid与与环境的温度环境的温度T0有关有关nP110，例，例54例54n试计算非流动过程中试计算非流动过程中1mol氮气从氮气从813K、
29、4.052MPa变至变至373K、1.013MPa时的理想功。若氮气是稳定流动过程，时的理想功。若氮气是稳定流动过程，理想功又为多少？设理想功又为多少？设T0293K，p00.1013MPa，氮气，氮气的等压热容的等压热容Cp27.894.27110-3T(J/mol.K)n解：根据非流动过程理想功的计算公式解：根据非流动过程理想功的计算公式:因因U未知，可由未知，可由H来计算：来计算：其中：其中：例54因此：因此：氮气在稳流过程中，理想功计算公式为：氮气在稳流过程中，理想功计算公式为：由此可见：由此可见：1mol氮气在稳流过程放出的总能量为氮气在稳流过程放出的总能量为13386J，其中可作出
30、的最大功为其中可作出的最大功为9846.6J，其余，其余3539.4J不做功，排入不做功，排入环境中了环境中了5.3.2 损失功损失功WL n由于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。由于实际过程的不可逆性，将导致作功能力的损失。n损失功损失功体系在给定状态变化过程中该过程体系在给定状态变化过程中该过程实际功实际功Wac与所计算的与所计算的理想功理想功Wid的差值：的差值：稳流过程稳流过程Wac等于轴功等于轴功Ws损失功损失功损失功损失功：与：与1 1）环境温度）环境温度T T0；2 2）总熵变总熵变有关有关过程的不可逆性过程的不可逆性越大，越大，S总总越大，越大，WL就越大，就越大，因此
31、应尽可能降低过程的不可逆性。因此应尽可能降低过程的不可逆性。热力学效率热力学效率n实际过程的能量利用情况可通过实际过程的能量利用情况可通过热力学效率热力学效率加以评定加以评定例例5-5：一台蒸汽透平机，进入的是压力为：一台蒸汽透平机，进入的是压力为1570KPa和温度为和温度为484的过热蒸汽，排出的蒸汽压力为的过热蒸汽，排出的蒸汽压力为68.7KPa。透平机中透平机中过程不是可逆也不是绝热，实际输出的功等于过程不是可逆也不是绝热，实际输出的功等于可逆绝热时可逆绝热时轴功的轴功的85%。由于保温不完善，在环境温度由于保温不完善，在环境温度298K时，损失时，损失于环境的热量为于环境的热量为7.
32、12kJ/kg，试求该过程的理想功、损失功，试求该过程的理想功、损失功及热力学效率。及热力学效率。解：解：1）查表得蒸汽初态）查表得蒸汽初态H1=3428kJ/kg， S1=7.488kJ/kg.KS2=7.488kJ/kg.K2）68.7KPa下下H2=2659kJ/kg3）可逆绝热功）可逆绝热功WSWS= H -Q = H2 -H1 =-769kJ/kgWac=85%WS=-653.7kJ/kgTSP1= 1570KPa T1 = 4840CP2=68.7KPa2124）稳流体系，忽略动能和位能差稳流体系，忽略动能和位能差实际过程实际过程Wac= H QH2H1QH2 =H1+ Q+ Wa
33、c=3428-7.12-653.7=2767.2kJ/kg5） 68.6KPa ，查表，查表H2下的下的S2= 7.76kJ/kg.K（过热蒸汽）（过热蒸汽）S体系体系=(S2 - S1)=7.76-7.488=0.272kJ/kg.K6）理想功理想功 Wid= H -T0 S体系体系=(2767-3428)- 298*0.272 =-741.9kJ/kg.K7）损失功损失功WL=Wac-Wid=-653.7-（-741.9）=88.2kJ/kg或按照或按照 WL=T0S总总S环境环境=-Q/T0=7.12/298=0.0239kJ/kg.KWL=T0S总总=298*(0.272+0.0239
34、）=88.2kJ/kg8）热力学效率热力学效率=Wac/ Wid =1 WL/ Wid =（1-88.2/741.9）*100%=88.1% 5.4 有效能有效能5.4.1 有效能有效能的概念的概念5.4.2 有效能有效能的计算的计算5.4.3 有效能有效能的衡算及的衡算及有效能有效能效率效率基本概念基本概念n能量不仅有能量不仅有数量数量，而且有，而且有质量质量（品位）（品位）。n功的功的品位品位高于热高于热 。n1度电度电=1KWhr=3600KJ=860Kcaln但但860Kcal热不能变成热不能变成1度电。度电。n热转变为功的效率为热转变为功的效率为30%。n高压蒸汽的做功能力高于低压蒸
35、汽。高压蒸汽的做功能力高于低压蒸汽。n高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的高温热源产生的热的品位比低温热源产生的热的品位高。品位高。n大气中的能量全部不能做功。大气中的能量全部不能做功。5.4.1 有效能的概念有效能的概念n1、有效能、有效能 Ex做功的本领。做功的本领。 Exergy n中文别称：中文别称：火用、可用能，火用、可用能， 英文别称：英文别称：Available Energy, Availability、 Utilizable Energy 定义定义 ：体系在一定状态下的：体系在一定状态下的有效能有效能Ex是该体系由所处是该体系由所处的的状态状态(P，T)以以完全可逆完全可
36、逆的方式变换为与环境处于平的方式变换为与环境处于平衡的衡的状态状态(P0，T0)时所作出的时所作出的最大有用功（即理想功）最大有用功（即理想功）n不能转化为功的那部分能量称之为无效能，也称不能转化为功的那部分能量称之为无效能，也称注意定义中：注意定义中：（1）由于是理想功，因此过程）由于是理想功，因此过程完全可逆。完全可逆。（2）基准态基准态：体系与环境处于平衡的状态：体系与环境处于平衡的状态(P0，T0)被被称为称为基准态或寂态基准态或寂态，基准态下的基准态下的Ex为为0。 （3） Ex是一种热力学性质，但它与内能、熵和焓不是一种热力学性质，但它与内能、熵和焓不同，除与始终态有关，还与选定的
37、同，除与始终态有关，还与选定的平衡态有关平衡态有关 。（4）平衡平衡：热平衡，力平衡，化学平衡，相平衡：热平衡，力平衡，化学平衡，相平衡5.4.1 有效能的概念有效能的概念（5）能量能量是用是用数量数量来衡量的；来衡量的；有效能有效能是用是用质量质量来衡来衡量的（量的（能级能级）n能级能级=有效能有效能/总能量总能量n高级能级高级能级=1（电能、机械能）；低级能级（电能、机械能）；低级能级=01；僵化；僵化=0（海水、大气）（海水、大气）n总能量总能量= 有效能有效能 + Exergy Axergy（6）能量能量仅包含仅包含热力学第一定律热力学第一定律，有效能有效能而包含了而包含了热力学第一、
38、二定律热力学第一、二定律。5.4.1 有效能的概念有效能的概念5.4.2 有效能的计算有效能的计算n稳定流动体系的有效能稳定流动体系的有效能Ex5.4.2 有效能的计算有效能的计算(1)功、电和机械能的有效能等于能量功、电和机械能的有效能等于能量ExWW(2)热量的有效能热量的有效能 热量中的有效能是热量中能转变成最大有用功热量中的有效能是热量中能转变成最大有用功的那部分能量，对恒温热源：的那部分能量，对恒温热源：若热源不恒定为若热源不恒定为T，而是在，而是在T1变化到变化到T2若热源不恒定为若热源不恒定为T，而是在，而是在T1变化到变化到T2若热源不恒定为若热源不恒定为T，而是在，而是在T1
39、变化到变化到T25.4.2 有效能的计算有效能的计算(3)冷量的有效能冷量的有效能 温度低于环境温度，热自发从环境传入该体系，温度低于环境温度，热自发从环境传入该体系，因此冷量具有做功的能力，恒温冷源因此冷量具有做功的能力，恒温冷源(TT0)时时:当当T ” 号为不可逆过程；号为不可逆过程；“= =” 号为可逆过程号为可逆过程熵及熵增原理小结熵及熵增原理小结过程过程S总S体系体系S环境境总则总则0，+0，+，-0，+，-可逆可逆0不可逆不可逆+绝热可逆绝热可逆000绝热不可逆绝热不可逆+0可逆循环可逆循环000不可逆循环不可逆循环+0+第五章总结第五章总结1010、熵平衡、熵平衡11、理想功、理想功Wid：9 9、熵变的计算、熵变的计算1、有有PVT变化的熵变变化的熵变2、有相变过程的熵变有相变过程的熵变3、环境的熵变环境的熵变第五章总结第五章总结12、损失功、损失功WL：13、有效能、有效能注意与理想功的区别注意与理想功的区别14、有效能效率、有效能效率
