化工过程能量分析

《化工过程能量分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工过程能量分析（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章第五章化工过程能量分析化工过程能量分析 5.1 5.1 能量平衡方程能量平衡方程 n一一热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质能量在数量上是守恒的能量在数量上是守恒的. .基本形式为：基本形式为： （体系的能量）体系的能量）（环境的能量）环境的能量）0 0或或 （体系的能量）体系的能量）（环境的能量）环境的能量）体系的能量的增加等于环境的能量的减少。体系的能量的增加等于环境的能量的减少。在在实实际际生生产产中中大大都都遇遇到到两两种种体体系系，即即敞敞开开体体系系和封闭体系。和封闭体系。1. 1. 封闭体系：（限定质量体系）封闭体系：（限定质量体系） 与与环环境境仅仅有有能能量量交交换

2、换，没没有有质质量量交交换换。体体系系内内部部是是固固定定的的。封封闭闭体体系系是是以以固固定定的的物物质质为为研究对象。研究对象。2. 2. 敞开体系：（限定容积体系）敞开体系：（限定容积体系） 与环境有能量交换，也有质量交换。与环境有能量交换，也有质量交换。 二二. .能量平衡方程能量平衡方程 n1.一般形式一般形式 Ws(轴功)（热）Qm2m1P1V1C1U1P2V2C2U2Z1Z2（1 1）物料平衡方程：）物料平衡方程：m m1 1-m-m2 2=m=m体系体系（2 2）能量平衡方程）能量平衡方程 进入体系的能量离开体系的能量进入体系的能量离开体系的能量= =体系积累的能量体系积累的能

3、量 进入体系的能量进入体系的能量: : 微元体本身具有的能量微元体本身具有的能量 E1m1 环境对微元体所作的流动功环境对微元体所作的流动功 P1V1m1 环境传入的热量环境传入的热量 Q 环境对体系所作的轴功环境对体系所作的轴功Ws 离开体系的能量离开体系的能量: : 微元体带出能量微元体带出能量E2m2 流体对环境所作的流动功流体对环境所作的流动功 P2V2m2 体系积累的能量体系积累的能量d（mE）能量恒等式为：能量恒等式为： E E1 1mm1 1+P+P1 1V V1 1mm1 1+Q +Ws -E+Q +Ws -E2 2mm2 2-P-P2 2V V2 2mm2 2=d(mE)=d

4、(mE)(A)(A)1 ) 1 ) E E单位质量流体的总能量，它包含有热力学单位质量流体的总能量，它包含有热力学能、动能和位能。能、动能和位能。 注意：注意：2) 2) PVPV流动功，单位质量流体对环境或环境对流体所作功流动功，单位质量流体对环境或环境对流体所作功功力功力* *距离距离P*A*V/A=PVP*A*V/A=PVP P1 1V V1 1输入流动功，环境对体系作功输入流动功，环境对体系作功P P2 2V V2 2输出流动功，体系对环境作功。输出流动功，体系对环境作功。3)3)WsWs单位流体通过机器时所作的轴功单位流体通过机器时所作的轴功 可逆轴功可逆轴功对于可逆总功对于可逆总功

5、 d(PV)=PdV+VdPd(PV)=PdV+VdP积分式积分式2.2. 能量平衡方程一般形式能量平衡方程一般形式代入（代入（A A）式，整理，得到式，整理，得到 将将H=U+PV(5-9) (5-9) E E1 1mm1 1+P+P1 1V V1 1mm1 1+Q +Ws -E+Q +Ws -E2 2mm2 2-P-P2 2V V2 2mm2 2=d(mE) A=d(mE) A三三. .能量平衡方程的应用能量平衡方程的应用 n1.1.封闭体系：无质量交换，限定质量体系封闭体系：无质量交换，限定质量体系 m1=m2=mm1=m2=dm=0Q+Ws=mdE 不存在流动功不存在流动功若若Ws=W

6、Q+Ws=mdU 或或 Q+W=mdU (5-11)(5-11) 积分：积分：Q+W=U2.2.稳定流动体系稳定流动体系 稳定流动过程，表现在流动过程中体系内稳定流动过程，表现在流动过程中体系内 (1)(1)每点状态不随时间变化每点状态不随时间变化(2)(2)没有质量和能量的积累没有质量和能量的积累由式由式(5-9)(5-9)可得到稳流体系的一般能量平衡方程可得到稳流体系的一般能量平衡方程 (1)(1)一般能量平衡方程一般能量平衡方程 对稳流体系对稳流体系, ,由式由式(5-9)(5-9)得：得： =0m1=m2=dm(H2-H1)m+(v22-v12)m+g(Z2-Z1)m-Ws-Q=0积分

7、：积分：（5 51313）3 3）式（）式（5 51313）应用条件是稳流体系，不受过程是否）应用条件是稳流体系，不受过程是否 可逆以及流体性质的影响。可逆以及流体性质的影响。注意：注意：1) 1) 单位要一致，且用单位要一致，且用SISI单位制单位制. . H,Q,Ws H,Q,Ws能量单位，能量单位，J/KgJ/Kg v vm/sm/s 流量流量G GKg/hKg/h（min.smin.s）2 2）Q Q和和WsWs为代数值，即：为代数值，即：Q Q以体系吸收为正，以体系吸收为正，WsWs 以环境对体系作功为正。以环境对体系作功为正。（2 2）能量平衡方程的应用）能量平衡方程的应用n1 1

8、）对化工机器：如膨胀机，压缩机等）对化工机器：如膨胀机，压缩机等。n流流体体的的动动能能，位位能能变变化化量量与与体体系系焓焓值值的的变变化化量量相相比比较较，或或者者与与流流体体与与环环境境交交换换的的热热和和功功相相比比较较，大大都都可可以以忽忽略。也即略。也即（516）2 2）对对化化工工设设备备类类：如如反反应应器器，热热交交换换器器，传质阀门，管道等传质阀门，管道等且且Ws=0（5 51717）物理意义：体系状态变化，如发生化学反应，相变化，物理意义：体系状态变化，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，显温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显

9、热）等于体系的焓差。热）等于体系的焓差。 体系状态变化体系状态变化化学反应化学反应 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 Q 3)3)对化工机器的绝热过程对化工机器的绝热过程 与环境进行功的交换时与环境进行功的交换时Q=0 在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系与环境交换的功量等于体系焓的减少体系与环境交换的功量等于体系焓的减少 。4)4)对喷嘴对喷嘴Ws=0，gZ0水平放水平放 gZ=0垂直放垂直放 gZ0 流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，

10、 Q=03.3.应用举例应用举例nP108 P108 例例5-15-15-25-2自看自看5.2 5.2 功热间的转化（热力学第二定律）功热间的转化（热力学第二定律） n物化知：物化知：St00 不可逆不可逆= =可逆可逆一、基本概念一、基本概念 才可进行的过程才可进行的过程自发过程：不消耗功自发过程：不消耗功非自发过程：消耗功非自发过程：消耗功 00 3030 冰冰冬天冬天 气温气温 -30 -30 自发自发, ,具有产功能力具有产功能力 如如 夏天夏天 气温气温3030-30-30 非自发非自发水水水水冰冰n可逆过程：可逆过程：n没有摩擦，推动力无限小没有摩擦，推动力无限小,过程进行无限慢

11、过程进行无限慢;n体系内部均匀一致，处于热力学平衡体系内部均匀一致，处于热力学平衡;n对对产产功功的的可可逆逆过过程程，其其产产功功最最大大，对对耗耗功功的的可可逆逆过过程程，其其耗耗功最小功最小;n逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。n（也即没有功热得失及状态变化）（也即没有功热得失及状态变化） n不可逆过程：不可逆过程：n有摩擦，过程进行有一定速度有摩擦，过程进行有一定速度; ;n体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）; ;n逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹

12、; ;n如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。耗功大于可逆过程。 自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？n自发与非自发过程决定物系的始、终态与自发与非自发过程决定物系的始、终态与环境状态；环境状态； 可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没有关系。方式，与状态没有关系。 可逆过程可逆过程是一个是一个理想过程理想过程，实际过程实际过程都是都是不可逆不可逆的。的。 可逆过程具有过程进行的任一瞬间体系都处于热力学可逆过程具有过程进行的

13、任一瞬间体系都处于热力学平衡态的特征，因次，平衡态的特征，因次，体系的状态可以用状态参数来体系的状态可以用状态参数来描述。描述。 二二. .热功转换与热量传递的方向和限度热功转换与热量传递的方向和限度 n1.热量传递的方向和限度热量传递的方向和限度高温高温低温低温自发自发 非自发非自发 限度：限度：t=0 t=0 2.2.热功转化的方向热功转化的方向 功功热热 100%100%非自发非自发 100%100%自发自发 热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决 3.3.热与功转化的限度热与功转化的限度卡诺循环卡诺循环 卡诺循环：卡诺循环：热机热机; ;高

14、温热源（恒高温热源（恒T TH H）; ;低温热源（恒低温热源（恒T TL L）. . n图形图形工质从高温热源工质从高温热源T TH H吸收吸收热量，部分转化为功，热量，部分转化为功，其余排至低温热源其余排至低温热源T TL L。 T TH HT TL LQ QH H Q QL L W WC C 卡诺循环由四个过程组成。卡诺循环由四个过程组成。 可逆等温膨胀可逆等温膨胀可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀可逆等温压缩可逆等温压缩可逆绝热压缩可逆绝热压缩TSPV11234234QHQHQLWcWcQL工质吸热温度大于工质排热温度，产功过程工质吸热温度大于工质排热温度，产功过程 正卡诺循环的结果是热部分地转

15、化为功，用热效率来评正卡诺循环的结果是热部分地转化为功，用热效率来评价循环的经济性价循环的经济性 热效率热效率: :热效率的物理意义：热效率的物理意义： 工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。 正卡诺循环：正卡诺循环： H 为状态函数，工质通过一个循环为状态函数，工质通过一个循环据热一律据热一律: : H = 0= 0Q =QH+QL又又由卡诺循环知由卡诺循环知(5-25)(5-25) 注意以下几点：注意以下几点： 若使若使或或T TL L=0=0实际当中是不可能实际当中是不可能 (1)(1) (2)=f(TH,TC) , , 若使若使，则则 T

16、TH H ,T ,TL L 工程上采用高温高压，提高吸热温度工程上采用高温高压，提高吸热温度T TH H，但又受到材质影响但又受到材质影响. . (3)(3)若若TH=TL，=0,W=0 这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。 (4)(4)卡诺循环，卡诺循环，可逆可逆最大，相同最大，相同T TH H,T,TL L无论经过何种过程，无论经过何种过程，可逆可逆是是相同的，实际热机只能接近，不能达到相同的，实际热机只能接近，不能达到 5.3 5.3 熵函数熵函数 n5.3.15.3.1熵与熵增原理熵与熵增原理 通过研究热机效率推导出熵函数的定

17、义式通过研究热机效率推导出熵函数的定义式 对于可逆热机有对于可逆热机有也即也即熵定义熵定义 . .热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式 对不可逆过程：对不可逆过程： 对可逆过程：对可逆过程： 热力学第二定律的数热力学第二定律的数学表达式学表达式： 不可逆不可逆= =可逆可逆注意：注意：n熵状态函数。只要初、终态相同，熵状态函数。只要初、终态相同，对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温熵积分进行熵变计算可逆过程的热温熵积分进行熵变计算. . 熵增原理熵增原理 对于孤立体系（或绝热体系）对于孤立体系（或绝热体系）这个式子说明了这个

18、式子说明了由由 熵增原理表达式。熵增原理表达式。0 00 不可逆过程不可逆过程=0 =0 可逆过程可逆过程结论：结论： 自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程；自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程；同时满足热一律，热二律的过程，实际当中才能实现，同时满足热一律，热二律的过程，实际当中才能实现，违背其中任一定律，其过程就不可能实现。违背其中任一定律，其过程就不可能实现。总熵变为总熵变为自发进行的限度自发进行的限度自发进行的方向自发进行的方向 4 4熵变的计算熵变的计算 n1 1) )可逆过程的热温熵计算可逆过程的热温熵计算 据热一律据热一律可逆过程可逆过程同除同除 T T 得：得： 又

19、又 对理想气体对理想气体: : dHdH=nC=nCp pdTdT ) )相变化熵变相变化熵变 相变化的熵变相变化的熵变相变化皆属于可逆过程，相变化皆属于可逆过程，并且相变化的热量，据能量平衡方程知：并且相变化的热量，据能量平衡方程知：) )环境熵变环境熵变 热力学环境：一般指周围大自然（可视为恒温热源）热力学环境：一般指周围大自然（可视为恒温热源） 应用举例应用举例 n P111P112 (例53，54) 自看 5 5.3 .3 熵平衡和熵产生熵平衡和熵产生 n敞开体系熵平衡方程敞开体系熵平衡方程 将容量性质衡算通式用于熵，得将容量性质衡算通式用于熵，得: := =- -+ + T T 限制

20、表面上热流通过处的温度限制表面上热流通过处的温度, , T T 代表始态温度代表始态温度, , T T 代表终态温度代表终态温度物料物料热量热量 S S 单位质量物料的熵；单位质量物料的熵； 熵携带者熵携带者功与熵变化无关，功不携带熵功与熵变化无关，功不携带熵。物料携带的熵物料携带的熵 = = mSmS热流携带的熵热流携带的熵 = =式中式中: : m m 物料的质量；物料的质量；是代数值，是代数值，以体系收入者为正，体系支出者为负以体系收入者为正，体系支出者为负于是于是: :熵平衡方程为熵平衡方程为: :将此整理将此整理, ,得得: :(5-33)(5-33)熵平衡方程熵平衡方程注意：注意：

21、物料熵热熵流2.2.熵产生熵产生 (5-33)中：中： 体系的总熵变；体系的总熵变； 因物流流进，流出限定容积而引起的熵变化；因物流流进，流出限定容积而引起的熵变化； 因热流流进因热流流进, ,流出限定容积而引起的熵变化；流出限定容积而引起的熵变化； 因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关，因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关，属于内因熵变。属于内因熵变。引起熵产生的内在原因实际上是由于体系内部不可逆性而引起熵产生的内在原因实际上是由于体系内部不可逆性而引起的熵变化。这可以用孤立体系的熵平衡方程来证实。引起的熵变化。这可以用孤立体系的熵平衡方程来证实。 对孤立体系：因与环境没有质量交换，

22、也没有能量交换对孤立体系：因与环境没有质量交换，也没有能量交换 代入熵平衡方程中代入熵平衡方程中 = = =由热二律知由热二律知: : 可逆过程可逆过程 不可逆过程不可逆过程 结论：结论：n熵产生可以用作判断过程方向的准则熵产生可以用作判断过程方向的准则 0 0 0 时，体系内部的过程不可逆或自发；时，体系内部的过程不可逆或自发；=0 =0 时，体系内部的过程可逆或平衡；时，体系内部的过程可逆或平衡；3. 3. 熵平衡方程的特殊形式熵平衡方程的特殊形式 绝热过程绝热过程 可逆过程可逆过程= = + +稳流过程稳流过程=0=0+ + +封闭体系封闭体系= = + +4. 4. 应用举例应用举例

23、( (例例 5-5) 5-5)自看自看 解题要点：符合质量守恒定律能量守恒定律（热一律）熵增原理（热二律） 5.4 5.4 理想功、损失功及热力学效率理想功、损失功及热力学效率 n损损失失功功法法： 以以热热力力学学第第一一定定律律为为基基础础，与理想功进行比较，用热效率评价。与理想功进行比较，用热效率评价。n有有效效能能分分析析法法： 将将热热力力学学第第一一定定律律，热热力力学学第第二二定定律律结结合合起起来来，对对化化工工过过程程每每一一股物料进行分析，用有效能效率评价。股物料进行分析，用有效能效率评价。 化工过程热力学分析的方法：化工过程热力学分析的方法：一一. . 理想功理想功1.

24、1. 定义：体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上定义：体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可对外做的最大功可对外做的最大功( (对产功过程对产功过程) )，或者理论上必须获得，或者理论上必须获得外部的最小功外部的最小功( (消耗过程消耗过程) )，称为理想功。，称为理想功。Wmax (Wmin)Wmax (Wmin)状态状态1 1状态状态2 2完全可逆完全可逆要注意要注意: : 完全可逆完全可逆状态变化可逆；状态变化可逆；传热可逆传热可逆( (物系与环境物系与环境) ). .理想功的计算式理想功的计算式 n（）非流动体系（）非流动体系若过程可逆若过程可逆 由热一律：由热一律：U=Q+W

25、W=U-Q(5-38)过逆功非流动过程理想功结论：结论：理想功决定于体系的始、终态和环境状态，理想功决定于体系的始、终态和环境状态，与过程无关；与过程无关；体系发生状态变化的每一个实际过程都有其体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对应的理想功。对应的理想功。（2）稳态流动过程）稳态流动过程热一律表达式为：热一律表达式为： 忽略动，势能变化忽略动，势能变化 若可逆若可逆 (5-41) (5-41) 稳流过程理想功稳流过程理想功 注意点：注意点： 式（式（5-415-41）忽略了进出口的动能，势能的变化。完整的）忽略了进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：表达式为：体系经历一个稳流过程，状态

26、发生变化，即可计算其体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，而与实际变化途径无关。而与实际变化途径无关。要区别可逆轴功与理想功这两个概念要区别可逆轴功与理想功这两个概念对绝热过程对绝热过程对不做轴功的过程对不做轴功的过程二损失功二损失功WLn.定定义义：体体系系完完成成相相同同状状态态变变化化时时，实实际际功功和和理想功的差值理想功的差值n数学式：数学式： 对稳流体系对稳流体系 (5-43)(5-43)(5-44(5-44a)a)结论：结论： （1 1）（2 2）（3 3）可逆过程）可逆过

27、程有关有关与与有关有关与与实际过程实际过程对产功过程：对产功过程：对耗功过程：对耗功过程： WL=T0St三三 应用举例应用举例n（P P117117-P-P118118 例例 5-7 5-7 ）自看）自看同样重量的同样重量的24K金子和金子和18K金子相比较，哪个更有价值金子相比较，哪个更有价值?同样数量的热和功，哪个利用价值更高一些？同样数量的热和功，哪个利用价值更高一些？1000kg的饱和蒸汽和过热蒸汽哪个作功能力更大？的饱和蒸汽和过热蒸汽哪个作功能力更大？本节通过引入能级和有效能的概念来回答这个问题。能量不本节通过引入能级和有效能的概念来回答这个问题。能量不仅在数量上具有守恒性，在质量

28、上还具有品位性，而且在转仅在数量上具有守恒性，在质量上还具有品位性，而且在转换与传递工程中具有贬值性。换与传递工程中具有贬值性。例如对例如对1kJ的热和的热和1kJ的功，从热力学第一定律看，它们的的功，从热力学第一定律看，它们的数量是相等的，但从热力学第二定律考察，它们的质量即作数量是相等的，但从热力学第二定律考察，它们的质量即作功能力是不相当的，功的质量（品位）高于热。功能力是不相当的，功的质量（品位）高于热。 5.55.5 有效能与无效能有效能与无效能n一、一、有效能的概念有效能的概念n1.1.能量的分类能量的分类n按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类：按能量转化为有用功的多少，可

29、以把能量分为三类：n高高质质能能量量：理理论论上上能能完完全全转转化化为为有有用用功功的的能能量量。如电能、机械能。如电能、机械能。n僵僵态态能能量量：理理论论上上不不能能转转化化为为功功的的能能量量（如如海海水水、地壳、环境状态下的能量）。地壳、环境状态下的能量）。n低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和以热量形式传递的能量。和以热量形式传递的能量。 2.2.有效能与无效能有效能与无效能nn有有效效能能：一一定定形形式式的的能能量量，可可逆逆变变化化到到给给定定环环境境状态相平衡时，理论上所能作出的最大有用功。状态相平衡时，理论上所能作出的最大

30、有用功。n无效能：理论上不能转化为有用功的能量。无效能：理论上不能转化为有用功的能量。n能量的表达形式能量的表达形式n对高质能量对高质能量 能量有效能能量有效能n对僵态能量对僵态能量 僵态能量无效能僵态能量无效能n对低质能量对低质能量 低质能量有效能无效能低质能量有效能无效能注意点注意点n有有效效能能“火火用用”、“可可用用能能”、“有有用用能能”、“资用能资用能”。n无效能无效能“火无火无”、“无用能无用能”。n功功可看作可看作100100的有效能。的有效能。二、有效能的计算二、有效能的计算 n1.1.环境和环境状态环境和环境状态n环环境境：指指恒恒T T、P P、x x下下，庞庞大大静静止

31、止体体系系。如如大大气气、海洋、地壳等。海洋、地壳等。n环环境境状状态态：热热力力学学物物系系与与环环境境完完全全处处于于平平衡衡时时的的状态。常用状态。常用0 0、0 0、0 0、0 0等表示。等表示。n2.2.物系的有效能物系的有效能n物物理理有有效效能能：物物系系由由于于、与与环环境境不不同同所所具具有有的有效能。的有效能。n化化学学有有效效能能：物物系系在在环环境境的的0 0、0 0下下，由由于于组组成与环境不同所具有的有效能。成与环境不同所具有的有效能。1.1.稳流物系的有效能稳流物系的有效能n定义：定义：n稳流物系从状态稳流物系从状态1 1变到状态变到状态2 2时过程的时过程的理想

32、功理想功：n W Widid =T=T0 0(S(S1 1-S-S2 2)-(H)-(H1 1-H-H2 2)= H-T)= H-T0 0S S （5-415-41）n有有效效能能: :稳稳流流物物系系从从任任一一状状态态（、）以以可可逆逆方方式式变变化化到到环环境状态（境状态（T TO O、P P0 0、H H0 0、S S0 0）时，理想功的负值。时，理想功的负值。nE EX XT T0 0(S(S0 0-S-Si i)-(H)-(H0 0-H-Hi i) ) （5-475-47）n2.2.理想功与有效能的区别与联系理想功与有效能的区别与联系理想功：理想功：Wid=H-T0S=(H2-H1

33、)-T0(S2-S1)n有效能：有效能：E EX X=T0(S0-S)-(H0-H)(1)(1)有效能与理想功的有效能与理想功的区别区别: :n终态不一定相同终态不一定相同W Widid: :终态不定终态不定 E EX X: :终态一定（基态即环境状态）终态一定（基态即环境状态）研究对象不同研究对象不同nW Widid：对两个状态而言，与环境无关，可正可负。对两个状态而言，与环境无关，可正可负。nE EX X：对某一状态而言，与环境有关，只为正值。对某一状态而言，与环境有关，只为正值。 (2)(2)联系联系n(B1)EX1T0(S0-S1)-(H0-H1)n(B2)EX2T0(S0-S2)-(

34、H0-H2)n有效能变化有效能变化nEXEX2-EX2=H-T0S=Wid（5-53）若若E EX X00，W Widid0 00，W Widid0 0 物系接受功，物系接受功， E EX X=-W=-Widid 3.功、电能和机械能的有效能nEX=W （5-48）4.4.热量的有效能热量的有效能E EXQXQ卡诺循环热效率卡诺循环热效率 定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆定义：传递的热量，在给定的环境条件下，以可逆 方式所能做出的最大有用功。方式所能做出的最大有用功。计算式计算式恒温热源热量的有效能恒温热源热量的有效能（5 54949）无效能无效能EXQ=WC 变温热源的有效能变温

35、热源的有效能或用或用H H、S S值计算：值计算：E EXQXQ=T=T0 0S-H S-H (5(550) 50) 5.5.压力有效能压力有效能 EX=ToS-H（5-47）由第三章知由第三章知（5 55252）对理想气体对理想气体四、过程的不可逆性和有效能损失四、过程的不可逆性和有效能损失n1.1.不可逆性不可逆性n热热力力学学第第二二定定律律认认为为自自然然界界中中一一切切过过程程都都是是具具有有方向性和不可逆性的。方向性和不可逆性的。nSSt t（SS产生产生）0 0 不可逆过程不可逆过程 = =可逆过程可逆过程有效能的方向和不可逆性有效能的方向和不可逆性表现在：表现在：当当过过程程是

36、是可可逆逆时时，有有效效能能不不会会向向无无效效能能转转化化，有有效效能的总量保持不变。能的总量保持不变。当当过过程程是是不不可可逆逆时时，有有效效能能向向无无效效能能转转变变，使使有有效效能的总量减少。能的总量减少。 2.2.有效能损失有效能损失( (E1) ) n2.2.有效能损失有效能损失( (E E1 1) )n定义：不可逆过程中有效能的减少量。定义：不可逆过程中有效能的减少量。n计算式：计算式：E E1 1理想功实际功理想功实际功n对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响对于稳流体系：若忽略动能、势能的影响 实际功实际功 Ws=Q-H 理想功理想功 WidT0S-Hn E E1 1T0S

37、-H-Q+HT0S-QEl=T0Ssys+T0Ssur=T0St或或El=T0S产生产生（5-54）又又Ssur=-Q/T0-Q=T0Ssur典型过程有效能损失典型过程有效能损失 n传热过程传热过程n高温物系放出的热量的有效能为：高温物系放出的热量的有效能为： E EXQ,HXQ,HQ Q（1 1T T0 0/T/TH H）n低温物系吸收的热量的有效能为：低温物系吸收的热量的有效能为： E EXQ,LXQ,LQ Q（1-T1-T0 0/T/TL L） 有效能损失有效能损失 E El l=E=EXQ,HXQ,H-E-EXQ,LXQ,L= = 结论结论：)传热过程有效能损失是存在的；传热过程有效能

38、损失是存在的；)T TH H-T-TL L差值增大，差值增大，E El l增大。增大。 (5-58)dSdSt t=-VdP dS=-VdP dSt t=(-V/T)dP=(-V/T)dP由前知由前知E El l=ToS=ToSt t dE dEl l=T=T0 0dSdSt t= T= T0 0 (-V/T) dp (-V/T) dp （5-575-57）结论：结论：) ) E El l P P压力降；压力降；) ) 稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。稳流过程的有效能损失是由于阻力引起的。 稳流体系稳流体系对稳流体系，若忽略掉动能和势能对稳流体系，若忽略掉动能和势能HHQ+WsQ+Ws对

39、管道流动，一般情况下，对管道流动，一般情况下，Q Q0 0（无热交换）无热交换） WsWs0 0（无轴功）无轴功）dH=0dH=0HH0 0dH=TdS+VdPdH=TdS+VdP传质过程传质过程若若T T=T=T=T=T式中：式中：i i i i组分在组分在、相中的化学位相中的化学位把两相看作一个孤立体系，则把两相看作一个孤立体系，则d(ns)d(ns)孤孤= =d(ns)d(ns)t t有效能损失：有效能损失：El=T0d(ns)t=-T0（5-60）注意点：注意点：有效能损失在任何不可逆过程都是存在的；有效能损失在任何不可逆过程都是存在的； 有效能损失的大小与过程的推动力有关，有效能损失

40、的大小与过程的推动力有关， E El l推动力。即推动力大，推动力。即推动力大，E El l大。大。 3.3.应用举例应用举例nP123P123124124例例 5 510105 51111例例 5 51010自看自看5.6 5.6 有效能衡算及有效能效率有效能衡算及有效能效率n有效能的守恒与否应与过程的可逆性有关，过有效能的守恒与否应与过程的可逆性有关，过程是可逆的，没有有效能的损失，有效能是守程是可逆的，没有有效能的损失，有效能是守恒的。不可逆过程总是使有效能减少而无效能恒的。不可逆过程总是使有效能减少而无效能增加，在建立有效能衡算式时，应附加一项有增加，在建立有效能衡算式时，应附加一项有

41、效能损失作为有效能的输出项。效能损失作为有效能的输出项。 敞开体系稳流系统有效能平衡方程式：敞开体系稳流系统有效能平衡方程式：输入的有效能输出的有效能有效能损失输入的有效能输出的有效能有效能损失n1.1. 有效能衡算式有效能衡算式n 由热力学第一律由热力学第一律, ,热力学第二律推出热力学第二律推出稳流体系稳流体系状态状态1 1状态状态2 2 H H1 1,S,S1 1H H2 2,S,S2 2 Q孤立体系孤立体系一一. 有效能平有效能平衡衡由热力学第二定律：由热力学第二定律： 分两种情况考虑分两种情况考虑 由热力学第一定律由热力学第一定律( (忽略了动能忽略了动能, ,势能势能) )( (A

42、)A)(1) (1) 可逆过程可逆过程 有效能损失有效能损失 ( (B)B) ( (A)-A)-( (B), B), 得得: :进行数学处理，得：进行数学处理，得：输入体系有效能输入体系有效能 = = 输出体系有效能输出体系有效能 （A）（B）（5-64）(2) (2) 不可逆过程不可逆过程由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大由于有效能损失总是存在的，并且有效能损失总是大于零，于零，E El l00。输入体系有效能输入体系有效能 = = 输出体系有效能输出体系有效能 + + 有效能损失有效能损失（5-65）2 结论：结论：n 能量衡算是以热一律为基础，有效能衡能量衡算是以热一律为基础

43、，有效能衡算是以热一、二定律为基础；算是以热一、二定律为基础；n 能量守恒，但有效能不一定守恒。可逆能量守恒，但有效能不一定守恒。可逆过程有效能守恒，不可逆过程有效能总是减少过程有效能守恒，不可逆过程有效能总是减少的；的；n 能量衡算反映了能量的利用情况，而有能量衡算反映了能量的利用情况，而有效能衡算可反映能量的质量、数量的利用情况；效能衡算可反映能量的质量、数量的利用情况；n El的计算方法：的计算方法：二二. .有效能效率有效能效率 1总有效能效率总有效能效率：对于一个设备或过程，收益的有效能与：对于一个设备或过程，收益的有效能与提供给它的有效能的比值提供给它的有效能的比值。 n总有效能效

44、率反映了有效能的利用率，是衡量过程热力学完总有效能效率反映了有效能的利用率，是衡量过程热力学完善性的量度，其实质是反映了真实过程和理想过程的差距。善性的量度，其实质是反映了真实过程和理想过程的差距。 2.2.目的有效能效率目的有效能效率 对对一一切切过过程程（不不论论过过程程本本身身产产功功，还还是是耗耗功）功）3. 3. 结论：结论：目的有效能效率在任何情况下均小于目的有效能效率在任何情况下均小于1 1，大于零，大于零若若E El l=0=0，则则说明过程为完全可逆过程说明过程为完全可逆过程若若E El l00，则则说明过程为不可逆过程说明过程为不可逆过程 偏离偏离1 1的程度的程度，E E

45、l l,过程的不可逆程度就愈大。过程的不可逆程度就愈大。该过程才能进行。该过程才能进行。只有只有 5.7 5.7 化工过程与系统的有效能分析化工过程与系统的有效能分析（1 1）根据需要确定被研究的物系；）根据需要确定被研究的物系；（2 2）确确定定输输入入及及输输出出各各物物流流，能能流流的的工工艺艺状状况况及热力学函数；及热力学函数；（3 3）计算各物流，能流的有效能；）计算各物流，能流的有效能；（4 4）对对体体系系进进行行有有效效能能衡衡算算，求求出出有有效效能能损损失失和有效能效率。和有效能效率。四应用举例四应用举例nP128-133P128-133，例例5 51313，5 51515

46、自看自看 在有限的时空范围内，任何热力学过程，系统的在有限的时空范围内，任何热力学过程，系统的有效能和无效能的总和有效能和无效能的总和守恒守恒。一切实际的不可逆过程必带来能量品位的贬值，一切实际的不可逆过程必带来能量品位的贬值，有效能一去不复返地转化为无效能，这就是能量转有效能一去不复返地转化为无效能，这就是能量转换与传递中的质的变化规律。换与传递中的质的变化规律。经不可逆过程的有效能的减少是绝对的，是不可经不可逆过程的有效能的减少是绝对的，是不可逆转化，能量中的无效能无论采用什么巧妙的方式逆转化，能量中的无效能无论采用什么巧妙的方式也不能转变为有用功和有效能。因此，有效能转化也不能转变为有用

47、功和有效能。因此，有效能转化为无效能的量可以表示能量贬质的程度。为无效能的量可以表示能量贬质的程度。总结过程能量分析及合理用能过程能量分析及合理用能n能量的有效利用是生产和设计中的重要问题，很显然，能耗增加将使产品成本增加。产品的能量消耗水平已成了衡量化学工业现代化水平的主要指标之一。能量回收及利用的好坏，直接体现了工艺流程及技术的先进水平。为了不断改进生产工艺与设备，以减少能量消耗，降低成本，在设计和研究工作中广泛地采用热力学分析的方法，来发现现有的生产过程中因不可逆而造成的能量浪费与薄弱环节，估算采用新工艺可能产生的效果。热力学分析成果是设备与系统最佳化设计的基础，也是进行全面技术分析的依

48、据。常用的热力学分析法有三种常用的热力学分析法有三种：n能量衡算法能量衡算法n熵分析法（损失功法）熵分析法（损失功法）n有效能分析法有效能分析法 能量衡算法n建立在热力学第一定律基础之上的热力学分析方法。n实质是通过物料与能量的衡算分析能量转化、利用及损失情况，确定过程进、出的能量数量，求出能量利用率。不足在于：n热力学第一定律说明各种能量可以互相转化，热力学第一定律说明各种能量可以互相转化，但从热效率上看，热转化为功是有限的，而且不但从热效率上看，热转化为功是有限的，而且不能指出各种能量转化的方向和限度。能指出各种能量转化的方向和限度。n从能量级别可知，能量不但有大小之分，还有从能量级别可知

49、，能量不但有大小之分，还有品位的区别，能量衡算法只反映了能量数量的关品位的区别，能量衡算法只反映了能量数量的关系，没有反映能量品位的高低。系，没有反映能量品位的高低。n此方法只能反映能量的损失，但不能指出损失此方法只能反映能量的损失，但不能指出损失的这部分能量的利用价值的这部分能量的利用价值。 熵分析法（损失功法）n以热一律和热二律为基础，通过计算装备或过程的熵产以热一律和热二律为基础，通过计算装备或过程的熵产生量以及理想功、损耗功，从而确定过程的热力学效率。生量以及理想功、损耗功，从而确定过程的热力学效率。n根据热力学效率的大小确定装备或过程是否有改造的余根据热力学效率的大小确定装备或过程是

50、否有改造的余地。能找到能量在数量上的损失，确定由于过程的不可地。能找到能量在数量上的损失，确定由于过程的不可逆引起的损失功的数量。从而分析、查找损失功发生的逆引起的损失功的数量。从而分析、查找损失功发生的部位及原因，提出节能降耗、提高能量利用率的途径及部位及原因，提出节能降耗、提高能量利用率的途径及措施。措施。n缺陷在于只能确定过程的不可逆引起的损失功，但不能缺陷在于只能确定过程的不可逆引起的损失功，但不能指出到底是哪种能的损失。指出到底是哪种能的损失。 有效能分析法有效能分析法n以热力学第一、第二定律为基础。在对装备或过以热力学第一、第二定律为基础。在对装备或过程进行物料衡算和能量衡算的基础上，确定出、程进行物料衡算和能量衡算的基础上，确定出、入各系统的物流和能流的有效能值，由有效能平入各系统的物流和能流的有效能值，由有效能平衡方程确定过程的有效能损失和有效能效率。衡方程确定过程的有效能损失和有效能效率。n利用有效能分析法得到的信息量最大，它可以全利用有效能分析法得到的信息量最大，它可以全面反映有效能损失的部位及数量，弥补了熵分析面反映有效能损失的部位及数量，弥补了熵分析法的不足，可以有针对性确定节能的方向和措施。法的不足，可以有针对性确定节能的方向和措施。