1、5 化工过程的能量分析化工过程的能量分析 5.1 能量平衡方程能量平衡方程5.2 热功间的转换热功间的转换5.3 熵函数熵函数 5.4 理想功、损失功和热力学效率理想功、损失功和热力学效率5.5 有效能有效能5.6 有效能衡算及化工过程有效能分析有效能衡算及化工过程有效能分析目的：学会运用热力学第一定律和第二定律对化工过程中目的：学会运用热力学第一定律和第二定律对化工过程中的能量转换和利用进行热力学分析，评价过程能量利用的的能量转换和利用进行热力学分析，评价过程能量利用的有效程度，确定能量利用的总效率，指明提高能量利用率有效程度，确定能量利用的总效率，指明提高能量利用率的方向。的方向。要求：正
2、确理解热力学第一定律和热力学第二定律，熟练要求：正确理解热力学第一定律和热力学第二定律，熟练掌握这两个基本定律在工程上的应用，认识能量损失不仅掌握这两个基本定律在工程上的应用，认识能量损失不仅是数量上的损失，还包括由于过程的不可逆性所导致的能是数量上的损失，还包括由于过程的不可逆性所导致的能量品级的降低。量品级的降低。重点内容：稳定流动体系能量平衡方程及其在工程上重点内容：稳定流动体系能量平衡方程及其在工程上的应用；理想功、损失功、有效能的概念；化工过程的应用；理想功、损失功、有效能的概念；化工过程有效能分析。有效能分析。为了便于下面能量平衡方程的讨论，我们简单为了便于下面能量平衡方程的讨论，
3、我们简单回顾一下有关体系的概念回顾一下有关体系的概念 封闭体系（限定质量体系）封闭体系（限定质量体系）与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的部是固定的.5.1 能量平衡方程能量平衡方程由于敞开体系与环由于敞开体系与环境有物质交换，因境有物质交换，因此，体系内部的物此，体系内部的物质是不断更新的，质是不断更新的，敞开体系实际是以敞开体系实际是以一定空间范围为研一定空间范围为研究对象的究对象的.化工生产中大都为稳定流动体系化工生产中大都为稳定流动体系敞开体系敞开体系:与环境既有能量交换也有物质交换与环境既有能量交换也有物质交换.稳流过程稳流过程
4、敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程敞开体系中发生的过程为流动过程，如果流动过程进行时，体系内任一点的状态都不随时间而变（但进行时，体系内任一点的状态都不随时间而变（但各点状态可以不同各点状态可以不同)，则此过程称为稳态流动过程，则此过程称为稳态流动过程，简称稳流过程。简称稳流过程。质量流率质量流率222111 AuAum 比容比容截面积截面积流速流速化工生产中大都为稳态流动过程化工生产中大都为稳态流动过程一切物质都具有能量，能量可分为两大类：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。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。
5、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，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定递的过程中，能量的数量是守桓的，这就是热力学第一定律，即能量转化和守恒原理。律，即能量转化和守恒原理。体系在过程前后的能量变换E应与体系在该过程中传递的热量Q与功W相等。WQE E：体系总能量的变化，包：体系总能量的变化，包括内能、动能、势能。括内能、动能、势能。热：热：体系吸热为正值，放热体系吸热为正值，放热为负值；为负值；
6、功：功：体系得功为正值，对环体系得功为正值，对环境做功为负值。境做功为负值。5.1.3 封闭体系的能量平衡方程封闭体系的能量平衡方程闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为：闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为：WQU WQdU （1）从分子观点看，热一律表示宏观的能（机械能从分子观点看，热一律表示宏观的能（机械能、电能）电能）与分子微观能量（内能）间的转换关系。与分子微观能量（内能）间的转换关系。（2）能量的同一性：任何宏观形势的能量可以相互转换，能量的同一性：任何宏观形势的能量可以相互转换，从微观看（从分子观点看），所有形式的能量实质上都是分从微观看（从分子观点看），所有形式的
7、能量实质上都是分子运动所具有的内能。子运动所具有的内能。（3）热一律揭示的是能量的数量转换关系，不涉及能量热一律揭示的是能量的数量转换关系，不涉及能量的质量（可利用度）。的质量（可利用度）。5.1.4 稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动体系的能量平衡方程稳态流动系统的能量平衡关系式为：稳态流动系统的能量平衡关系式为：WQEEE12 流体从截面流体从截面1通过设备流到截面通过设备流到截面2。截面截面1：距基准面的高度距基准面的高度z1、流流动平均速度动平均速度u1、比容、比容V1、压力、压力P1、内能内能U1。截面截面2：z2、u2、V2、P2、U21211121gzuUE 2222221gzu
8、UE g为重力加速度。为重力加速度。单位质量流体的总能量单位质量流体的总能量E，包含内能、动能和位能，包含内能、动能和位能，221 ugzUEEUEKp 其中：单位质量流体势能其中：单位质量流体势能EP=gZ （位能）（位能）EK=1/2u2 （动能）（动能）系统与环境交换功系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一，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与环境交换的轴功轴功Ws；另一部分是单位质量物质被；另一部分是单位质量物质被推入系统时，接受环境所给与的功，以及离开系统时推入系统时，接受环境所给与的功，
9、以及离开系统时推动前面物质对环境所作的功，称为推动前面物质对环境所作的功，称为流动功流动功。只有在。只有在连续流动过程中才有这种功。连续流动过程中才有这种功。流动功流动功：假设系统入口处截面面积为：假设系统入口处截面面积为Al，流体的比容为，流体的比容为V1，压力为压力为P1，则推动力为，则推动力为P1A1，使单位质量流体进入系统，需，使单位质量流体进入系统，需要移动的距离为要移动的距离为V1/A1,推动单位质量流体进入系统所需要的功推动单位质量流体进入系统所需要的功为为111111VPAVAP 对于流动过程，系统与环境交换的对于流动过程，系统与环境交换的功功是是轴功轴功与与流动功流动功之和：
10、之和：2211VPVPWWs P1V1输入流动功，输入流动功，环境对体系做功环境对体系做功P2V2输出流动功，输出流动功，体系对环境做功体系对环境做功稳态流动系统的能量平衡方程：稳态流动系统的能量平衡方程：22111211222222VPVPWQgzuUgzuUs sWQzguPVU 22将焓的定义将焓的定义 H=U+PV 代入上式可得稳定流动代入上式可得稳定流动系统的能量平衡方程。系统的能量平衡方程。WQEEE12 H2211VPVPWWs 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：sWQzguH 22流动功包含在焓中流动功包含在焓中轴功轴功 H、u2/2、
11、g z、Q和和Ws 分别为单位质量流分别为单位质量流体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的体的焓变、动能变化、位能变化、与环境交换的热量和轴功。热量和轴功。应用此式时要注意以下几点：应用此式时要注意以下几点：单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位单位要一致，且用国际单位制，若用工程单位制，所得公式与此式不同；制，所得公式与此式不同；式中式中Q和和WS为代数值，即：为代数值，即：Q以体系吸热为正，以体系吸热为正，WS以体系得功以体系得功(环境对体系做功）为正；环境对体系做功）为正；应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆应用条件是稳定流动体系，不受过程是否可逆或流体性质的影响。或流体性质的
12、影响。sWQzguH 22稳定流动体系的能量衡算式稳定流动体系的能量衡算式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喷嘴与扩压管的结构特点喷嘴与扩压管的结构特点是进出口截面积变化很大。是进出口截面积变化很大。流体通过时，使压力沿着流体通过时，使压力沿着流动方向降低，而使流速流动方向降低，而使流速加快的部件称为喷嘴。反加快的部件称为喷嘴。反之，使流体流速减缓，压之，使流体流速减缓，压力升高的部件称为扩压管。力升高的部件称为扩压管。喷嘴喷嘴扩压管扩压管能量平衡方程的简化能量平衡方程的简化：（：（1
13、）喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管喷嘴与扩压管 sWQzguH 22是否存在轴功是否存在轴功?否否是否和环境交换热量是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化位能是否变化?否否202uH2222112uuHH流体通过焓值的改变来换取动能的调整流体通过焓值的改变来换取动能的调整.202uH（2）透平机和压缩机透平机和压缩机透平机是借助流体透平机是借助流体的减压和降温过程的减压和降温过程来产出功。来产出功。压缩机可以提高流体压缩机可以提高流体的压力，但是要消耗的压力，但是要消耗功。功。透平机透平机透平机和压缩机透平机和压缩机 sWQzguH 22是否存在轴功是否存在轴功?是是!是
14、否和环境交换热量是否和环境交换热量?有时存在热交换有时存在热交换位能是否变化位能是否变化?不变化或者可以忽略不变化或者可以忽略动能是否变化？动能是否变化？通常可以忽略通常可以忽略sWQH sWQzguH 22是否存在轴功是否存在轴功?否否是否和环境交换热量是否和环境交换热量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否变化位能是否变化?否否动能是否变化动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略0H（3）节流阀节流阀 Throttling Valve理想气体通过节流阀温度不变。理想气体通过节流阀温度不变。节流过程是等焓过程。节流过程是等焓过程。0H节流阀节流阀（4）热交换器热交换器sWQzguH 22是否存在轴
15、功是否存在轴功?否否是否和环境交换热量是否和环境交换热量?有时存在有时存在位能是否变化位能是否变化?否否动能是否变化动能是否变化?通常可以忽略通常可以忽略QH 若整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备若整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换。则能量平衡方程为：内部两股物流存在热量交换。则能量平衡方程为：0 jjiiHxHxH入入出出4231HxHxHxHxBABA BABBBAAAmmmxmmmx mA和和mB分别为流体分别为流体A和流体和流体B的质量流量的质量流量0 H（5）管路和流体输送管路和流体输送稳态流动模型通常稳态流动模型通常是一个不错
16、的近似是一个不错的近似通过泵得到轴功通过泵得到轴功位能变化位能变化泵水管路和流体输送管路和流体输送是否存在轴功是否存在轴功?有时存在有时存在是否和环境交换热量是否和环境交换热量?通常是通常是位能是否变化位能是否变化?有时变化有时变化动能是否变化动能是否变化?通常不变化通常不变化sWQzguH 22Bernoulli 方程方程sWQzguH 22 PVUH PVU 实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转实际流体的流动过程存在摩擦损耗，意味机械能转变为内能，有摩擦损耗变为内能，有摩擦损耗F：UF 对于无热、对于无热、无轴功交换、无轴功交换、/PU 不可压缩流体的稳流过程不可压缩流体的稳流过程
17、0zg2uPF2 022 uzgPF 对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦对于非粘性流体或简化的理想情况，可忽略摩擦损耗，则得到损耗，则得到Bernoulli 方程：方程：022 uzgP 例例 5-1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到的湿蒸汽在量热计中被节流到0.1MPa和和403.15K（过热蒸汽），求湿蒸汽的干度（过热蒸汽），求湿蒸汽的干度解：解：sWQzguH 22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、动能变化动能变化和位能变化和位能变化12HHT H kJ/kg1202716.61602796.2130H26.27162.27966.27161201
18、601201302 HkgkJH/5.27362 查过热水蒸汽表查过热水蒸汽表D，得，得0.1MPa、403.15K时时H2：P1=1.5MPa 饱和液体焓值饱和液体焓值 Hl=844.9 和蒸汽焓值和蒸汽焓值 Hg=2792.2 xHxHHgl 115.273621 HH9709.09.8442.27929.8445.27361 lglHHHHx查饱和水蒸汽表查饱和水蒸汽表B：12p1TSp2C等焓等焓例 5-2解：解：s2WQzg2uH 30 的空气，以的空气，以5m/s的流速流过一垂直的流速流过一垂直安装的热交换器，被加热到安装的热交换器，被加热到150，若换热器进出，若换热器进出口管直
19、径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热口管直径相等，忽略空气流过换热器的压降，换热器高度为器高度为3m，空气，空气Cp=1.005kJ/(kgK),求求50kg空气空气从换热器吸收的热量从换热器吸收的热量 kJTTCmHmP6030303423005.15012 入口：入口：T1=30 u1=5m/s出口：出口：T2=150 u2取进出口范围内的空气为研究对象，则：取进出口范围内的空气为研究对象，则：将空气当作理想气体，并将空气当作理想气体，并忽略压降时忽略压降时RTpV 2121TTVV 2121TTAuAu smTTuu/98.630342351212 kJJum593.05932598.
20、65021222 222111AuvAum 结论：换热器的动能变化和位能变化可以忽结论：换热器的动能变化和位能变化可以忽 略不计。略不计。kJJzmg472.11472381.950 kJQ6032472.1593.06030 )2(2zguHmQ 由物化知道，热力学第一定律主要解决自然由物化知道，热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解界能量守恒问题，而热力学第二定律主要解决方向和限度问题。决方向和限度问题。对孤立体系对孤立体系 St 0 时，不可逆时，不可逆时，可逆时，可逆 5.2 热功间的转化热功间的转化基本概念：基本概念：可逆过程可逆过程：没有摩擦，推动力无限小
21、，因此过：没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；对产功的可逆过程，产功最大；对耗学平衡；对产功的可逆过程，产功最大；对耗功的可逆过程，耗功最小；逆向进行时，体系功的可逆过程，耗功最小；逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹，也就是没有恢复始态，环境不留下任何痕迹，也就是没有功热得失及状态变化。功热得失及状态变化。基本概念基本概念不可逆过程不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度，：有摩擦，过程进行有一定速度，体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进行时体系恢复始态，环
22、境留下痕迹，如果向进行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程相比较，产功小于与相同始、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。可逆过程，耗功大于可逆过程。克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体，而不引起其他变化。温物体，而不引起其他变化。(热流方向热流方向)开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变开尔文说法：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。（循环过程）为有用的功而不引起其他变化。（循环过程）热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任
23、意方向进行。是按照任意方向进行。自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。行。热力学第二定律热力学第二定律 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 我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。要消耗功。第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们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。能量必须守衡。第二定律告诉我们过程发生的方向和限度。第二定律告诉我们过程发生的方向和限度。热由高温物体传向低温物体热由高温物体传向低温物体热量传递的方向与限度热量传递的方向与限度热量传递
24、的方向性是指高温热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传递的限度必须消耗功。热量传递的限度是温度达到一致，不存在温差。是温度达到一致，不存在温差。热功转换的方向热功转换的方向热功转换的方向性是指热功转换的方向性是指功可以完全转化为热，而热只能部分转功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功。化为功。之所以有此结果，是由于热是无序能量，之所以有此结果，是由于热是无序能量，而功是有序能量，自然界都遵循这样一个而功是有序能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，规律：有序运动
25、可以自发转变为无序运动，而无序运动不能自发转变为有序运动。而无序运动不能自发转变为有序运动。高温热源高温热源 TH低温热源低温热源 TL热功转换的限度热功转换的限度卡诺循环卡诺循环卡诺循环是热力学的基本循环，卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可逆过程完成一个工作它由四个可逆过程完成一个工作循环，卡诺循环是将工质从高温循环，卡诺循环是将工质从高温热源吸收的热量转换为功的最大热源吸收的热量转换为功的最大限度。限度。火力发电厂的热效火力发电厂的热效率大约为率大约为40%1211QQWQQ高温热源高温热源 TH低温热源低温热源 TL热机热机热机效率热机效率的物理意义为工质从高的物理意义为工质从高温热
26、源吸收的热量转化为净功的温热源吸收的热量转化为净功的比率。比率。卡诺循环卡诺循环热功转换的限度热功转换的限度卡诺循环卡诺循环卡诺循环是热力学的基本卡诺循环是热力学的基本循环，它由四个可逆过程完循环，它由四个可逆过程完成一个工作循环，卡诺循环成一个工作循环，卡诺循环是将工质从高温热源吸收的是将工质从高温热源吸收的热量转换为功的最大限度。热量转换为功的最大限度。高温热源高温热源 TH低温热源低温热源 TL环境环境热机热机工质从高温热源工质从高温热源TH吸收热量吸收热量Q1，部分转化为功，部分转化为功W，其余，其余热量热量Q2排至低温热源排至低温热源TL。高温热源（恒高温热源（恒TH）低温热源（恒低
27、温热源（恒TL）LTHT锅锅炉炉冷凝器冷凝器透透平平THQ水泵水泵PumpSW,LQTurSW,13421423S卡诺循环卡诺循环装置图装置图TS图上的卡诺循环图上的卡诺循环卡诺循环：整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、放热。卡诺循环：整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、放热。整个卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成，而且每整个卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成，而且每一过程均为可逆。一过程均为可逆。PV1234QHWcQLTS1234QHQLWc卡诺循环由四个过程组成：卡诺循环由四个过程组成：可逆等温吸热可逆等温吸热1-2可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀2-3可逆等温放热可逆等温放热3
28、-4可逆绝热压缩可逆绝热压缩4-1 Carnot定理：所有工作于等温热源和等温冷源之间的热机，定理：所有工作于等温热源和等温冷源之间的热机，可逆机的效率最大；所有工作于等温热源和等温冷源之间的可逆机的效率最大；所有工作于等温热源和等温冷源之间的可逆机其效率相等，与工作介质无关。卡诺热机的效率：可逆机其效率相等，与工作介质无关。卡诺热机的效率：HLCTTQW 11 注意以下几点注意以下几点:不可逆不可逆=可逆可逆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熵是状态函数。只要初、终态相同，熵是状态函数。只要初、终态相同，不可逆不可逆可逆可逆SS 对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用对于不
29、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对于孤立体系（或绝热体系）对于孤立体系（或绝热体系）OQ TQdS 0 dS0 tS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 tS=0 =0 可逆过程可逆过程熵增原理熵增原理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；oSt oSt sursysS SSt同时满足热一律，热二律的过程，实际当中才能实同时满足热一律，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。现，违背其中任一定律，其过程就不可能实现。总熵
30、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：TQ 产生产生出出入入体系体系STQSmSmSjjii 熵产生是体系内部不可逆性熵产生是体系内部不可逆性引起的熵变化。引起的熵变化。TQ/iiSm iiSm产产生生S 入入出出敞开体系熵平衡方程为：敞开体系熵平衡方程为：这样就可以用熵产生作为判断过程方向的准则。这样就可以用熵产生作为判断过程方向的准则。当当S产生产生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;当当S产生产生=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；当当S产生产生0时，过程不可逆；过程不可逆性愈大，则总熵的增加愈
31、时，过程不可逆；过程不可逆性愈大，则总熵的增加愈大，损失功也愈大。大，损失功也愈大。5.4.3 热力学效率热力学效率 sidTidsTWWWW 需需要要功功产产生生功功 实际过程的能量利用情况可通过损失功来衡量，也可以用热力实际过程的能量利用情况可通过损失功来衡量，也可以用热力学效率来评定。学效率来评定。热力学效率的定义：理想功与实际功的比值。热力学效率的定义：理想功与实际功的比值。例例 5-7 求求298K，0.1013MPa的水变成的水变成273K，同压力下冰的过，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为程的理想功。设环境温度分别为(1)298K；(2)248K。解：忽略压力的影响。查得
32、有关数据解：忽略压力的影响。查得有关数据状态状态温度温度/K焓焓/(kJ/kg)熵熵/(kJ/(kgK)H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)环境温度为环境温度为298K，高于冰点时，高于冰点时 kmolkJSTHWid/04.353666.02265.12988.1049.3340 若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。(2)环境温度为环境温度为248K，低于冰点时，低于冰点时 kmolkJSTHWid/61.443666.02265.12488.1049.3340
33、 当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为而且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。理想功不仅与系统的始、终态有关，而且与环境温度有关。例例 5-8 用用1.57MPa，484的过热蒸汽推动透平机作功，并在的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的输出的轴功相当干可逆绝热功的85。由于隔热不好，蒸汽有。由于隔热不好，蒸汽
34、有7.12kJ/kg的热量散失于的热量散失于20 的环境的环境。求此过程的理想功、损失。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。功和热力学效率。解：解：STHWid 0QSTWWWidsL 0 idsTWW 产产生生功功 85.0 RsWW可逆绝热过程可逆绝热过程21SS sWQH RWH 查过热水表汽表可知，初始状态查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa，484 时的蒸汽时的蒸汽焓、熵值为焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg,S1=7.5035kJ/(kgK)若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至P2=0.0687MPa时时,熵为熵为 S
35、2=S1=7.5035kJ/(kgK)查过热水蒸汽表查过热水蒸汽表0.035MPaH S0.07MPaH S0.0687MPaH S饱和蒸汽饱和蒸汽2631.4 7.71532660.0 7.4797100 2684.4 7.86042680.0 7.53412658.9 7.48852680.2 7.5462根据根据P2=0.0678MPa查饱和水蒸汽表得查饱和水蒸汽表得 Sg=7.4912kJ/(kgK)Sl=1.1816kJ，由于，由于S2=S1Sg，2点处于点处于过热蒸汽区。过热蒸汽区。H kJ/kgS kJ/(kgK)2658.97.4885H27.50352680.27.5462P
36、=0.0687MPa9.26582.26809.26584885.75462.74885.75035.72 HkgkJH/4.26642 kgkJHHWR/1.7735.34374.266412 kgkJWWRs/1.65785.01.77385.0 此透平机实际输出轴功：此透平机实际输出轴功：1-2 过程：过程：依据稳流系统热力学第一定律依据稳流系统热力学第一定律1-2实际过程：实际过程：sWQH kgkJWQHHs/3.27731.65712.75.343712 0.035MPaH S0.07MPaH S0.0687MPaH S120 2723.1 7.96442719.9 7.63752
37、720.0 7.6496160 2800.6 8.15192798.2 7.82792798.3 7.8399由由H2、p2查过热水蒸汽表可得查过热水蒸汽表可得S2：H kJ/kgS kJ/(kgK)2720.07.64962773.3S22798.37.83996496.78399.76496.70.27203.27980.27203.27732 S7791.72 S kgkJSSTHHSTHWid/0.7455035.77791.72935.34373.2773120120 kgkJWWWidsL/9.870.7451.657 kgkJQSTWL/9.8712.75035.77791.72
38、930 或或%20.880.7451.657 idsTWW 5.5 有效能有效能 5.5.1 有效能的概念有效能的概念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，可以把能量分为三类：高级能量，又称为高级能量，又称为高高(品）质能量品）质能量：理论上能全部转化为功：理论上能全部转化为功的能量，能级为的能量，能级为1，如电能、机械能；，如电能、机械能；低级能量，又称为低级能量，又称为低（品）质能量低（品）质能量：理论上不能全部转化：理论上不能全部转化为功的能量，为功的能量，如热能、内能；，如热能、内能；寂态能量，又称为寂态能量，又称为僵态能量僵态能量：完全不能转化为功的
39、能量，：完全不能转化为功的能量，能级为能级为0，如海水、大气、地壳、自然环境的内能、，如海水、大气、地壳、自然环境的内能、热能。热能。10地球上海水总质量约为地球上海水总质量约为 t，只要这些海水，只要这些海水的温度降低的温度降低0.1，就能放出，就能放出 J的热量，这的热量，这相当于相当于1800万个核电站一年的发电量。万个核电站一年的发电量。18104.1 23108.5 我们能不能利用上述热量做功呢？能制造出这样的热机吗？我们能不能利用上述热量做功呢？能制造出这样的热机吗？HLCTTQW 11 卡诺热机效率：卡诺热机效率：若若TH=TL=T0(T0为环境温度为环境温度)，则，则-Wmax
40、=0，即：与环境同温的热不，即：与环境同温的热不能转变为功。能转变为功。以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度以平衡的环境状态为基准，理论上能够最大限度地转化为功的能量称为有效能地转化为功的能量称为有效能EX，理论上不能，理论上不能转化为功的能量称为无效能转化为功的能量称为无效能An。能量是一个完整的概念，是无法将其分为哪一部分能量是一个完整的概念，是无法将其分为哪一部分是可以用来作功的有效能，哪一部分是不能作功的无是可以用来作功的有效能，哪一部分是不能作功的无效能，但在数量关系上能量恰好是有效能和无效能之效能，但在数量关系上能量恰好是有效能和无效能之和；和；有效能和无效能均为容量性质，有
41、加合性，一个系有效能和无效能均为容量性质，有加合性，一个系统的有效能值即为各子系统的有效能值之和。统的有效能值即为各子系统的有效能值之和。5.5.2 有效能的计算有效能的计算系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态（环境状态）过程所作的理想功。到基态（环境状态）过程所作的理想功。所谓所谓基态基态，就是与周围环境达到平衡的状态。这种，就是与周围环境达到平衡的状态。这种平衡即热力学平衡，包括机械平衡（平衡即热力学平衡，包括机械平衡（P）、热平衡）、热平衡（T）、化学平衡（组成）。）、化学平衡（组成）。稳定流动物系的有效能是指稳流物系从任意状
42、态稳定流动物系的有效能是指稳流物系从任意状态（T T，P P，H H，S S）以可逆方式变化到环境状态（）以可逆方式变化到环境状态（T T0 0，P P0 0，H H0 0，S S0 0）时，所能做出的最大有用功。）时，所能做出的最大有用功。1.稳态流动过程稳态流动过程 12012SSTHHWid 当系统由任意状态当系统由任意状态(P,T)变到基态变到基态(T0,P0)时稳流时稳流系统的有效能系统的有效能EX为为:HSTSSTHHEX 0000稳流过程，从状态稳流过程，从状态1变到状态变到状态2，过程的理想功为：，过程的理想功为：(1)机械能、电能的有效能机械能、电能的有效能 机械能和电能全部
43、是有效能，即机械能和电能全部是有效能，即 EX=W 动能和位能也全部是有效能。动能和位能也全部是有效能。当动能和位能不能忽略时，物流的有效能还应把动能当动能和位能不能忽略时，物流的有效能还应把动能有效能和位能有效能加进去，由于动能和位能都可全有效能和位能有效能加进去，由于动能和位能都可全部转化为有效的功，因此两项的有效能就是其本身。部转化为有效的功，因此两项的有效能就是其本身。变温过程变温过程的热有效能：的热有效能：dTCTTdTCdTTCTHSTEPTTTTPTTPXQ 0000001 2.热有效能热有效能 温度为温度为T的的恒温热源恒温热源的热量的热量Q,有效能按卡诺热机所能做的有效能按卡
44、诺热机所能做的最大功计算：最大功计算：QTTWECarnotXQ 01 PPPPPPPPPXPdPTVTTVdPTVTVdPTVTHSTE000000 3.压力有效能压力有效能对于理想气体对于理想气体PRTV 每摩尔气体的压力有效能：每摩尔气体的压力有效能：0000ln00PPRTdPPRTTVdPTVTTVEPPPPPXP 物系的有效能一般分为两种情况，一种是物理有效物系的有效能一般分为两种情况，一种是物理有效能，另一种是化学有效能。能，另一种是化学有效能。物理有效能：物系由于物理有效能：物系由于T T、P P与环境（与环境（T T0 0 P P0 0)不不同而具有的有效能。同而具有的有效能
45、。化学有效能：物系在环境的化学有效能：物系在环境的T T0 0、P P0 0下，由于组下，由于组成与环境不同而具有的有效能。成与环境不同而具有的有效能。4.物系的有效能物系的有效能 （1）物理有效能）物理有效能 物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境基态而具有的有效能。于环境基态而具有的有效能。化工生产中与热量传化工生产中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。dPTVTTVdTCTTEEEPPPTTPxpx
46、Qxph)()1(0000 上式表明，任何均相系统的物理有效能可分解为两部分，上式表明，任何均相系统的物理有效能可分解为两部分，其一是在压力不变下，由热不平衡引起的热的有效能，其其一是在压力不变下，由热不平衡引起的热的有效能，其二是在环境温度不变时，由力不平衡引起的压力有效能。二是在环境温度不变时，由力不平衡引起的压力有效能。处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物处于环境温度与压力下的系统，与环境之间进行物质交换（物理扩散或化学反应），最后达到与环境质交换（物理扩散或化学反应），最后达到与环境平衡，此过程所能做的最大功为化学有效能。平衡，此过程所能做的最大功为化学有效能。在计算化学有效能
47、时不但要确定环境的温度和压力，在计算化学有效能时不但要确定环境的温度和压力，而且要指定基准物和浓度。而且要指定基准物和浓度。4.化学有效能化学有效能热一律和热二律的Ex含义 一切过程，一切过程，Ex+An总量恒定总量恒定热一律：热一律：热二律：热二律：在可逆过程中，在可逆过程中，Ex保持不变保持不变 在不可逆过程中，在不可逆过程中，部分部分Ex转换为转换为An Ex损失、作功能力损失、能量贬值损失、作功能力损失、能量贬值任何一孤立系，任何一孤立系，Ex只能不变或减少，只能不变或减少，不能增加不能增加 孤立系孤立系Ex减原理减原理 由由An转换为转换为Ex不可能不可能例5-9 比较比较l.013
48、MPa、6.867MPa、8.611MPa的饱的饱和蒸汽以及和蒸汽以及1.013MPa,573K的过热蒸气的有效能大的过热蒸气的有效能大小。取环境状态小。取环境状态P00.1013MPa、T0298.15K,并就并就计算结果对蒸气的合理利用加以讨论。计算结果对蒸气的合理利用加以讨论。解解 HHSSTEX 000 P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kgEx/kJ/kg水水(基态基态)0.1013298.15饱和蒸汽饱和蒸汽1.013 453 2671814过热蒸汽过热蒸汽1.013 5732948934饱和蒸汽饱和蒸汽6.868 557.52670 1043饱和蒸汽饱和蒸汽8.611 5732
49、678 1092例：某厂有两种余热可利用，一种是高温排烟余热，例：某厂有两种余热可利用，一种是高温排烟余热，Q141.86KJ/h，温度为，温度为800 C，另一种是低温排水余，另一种是低温排水余热，热，Q2125.56KJ/h，温度为，温度为80 C，设环境温度为，设环境温度为25 C，试求两种余热中的有效能。，试求两种余热中的有效能。hkJQTTEXQ/23.3086.4180015.2732515.27311101 hkJQTTEXQ/56.1956.1258015.2732515.27311202 理想功理想功是通过可逆过程来体现的，实际过程是通过可逆过程来体现的，实际过程都是不可逆过
50、程，不可逆过程由都是不可逆过程，不可逆过程由损失功损失功和和热力学热力学效率效率来体现；来体现；有效能有效能反映的也是可逆过程的行为，实际过程反映的也是可逆过程的行为，实际过程的不可逆性要用的不可逆性要用有效能损失有效能损失和和有效能效率有效能效率来衡量。来衡量。下面我们就讨论过程的不可逆性和有效能损失。下面我们就讨论过程的不可逆性和有效能损失。5.5.3 过程的不可逆性和有效能损失过程的不可逆性和有效能损失1.有效能变化有效能变化体系在始态体系在始态(p1,T1)和终态和终态(p2,T2)的有效能分别为的有效能分别为EX1、EX2，两，两者之差：者之差：idxxxWSTHSSTHHEEE 0
