第6章 化工过程的能量分析
热力学第六章ch6有效能-10ss
6.1 热力学第一定律及其应用 6.2 热力学第二定律及其应用
6.3 理想功、损失功和热力学效率 6.4 有效能 6.5 化工过程能量分析
6.4 有效能
从最原始的含义来说，热力学是研究能量的科 学。
能源危机 用热力学原理，认识能量，了解能量，在生产 实践中指导人们合理地使用能量，节约能量是 现代热力学的一项重要任务。 能量有效利用：对化工过程进行热力学分析， 是热力学近三十年来最重要的进展。
对恒温热源，其热量有效能为
E x ,Q T0 Q 1 T
(6-31)
对变温热源(如由T1变到T2)，其热量有效能为： T
E x ,Q
T0 Q 1 T m
0 E x ,Q Q 1 T m
(6-32)
(6-36，37)
1）共同点：都用以表示能量品质的高低，并以作 出的最大功来计算，都是从热力学第一、第二 定律推导而得。 2) 区别
理想功是对两个状态(过程)而言，可正可负，而 有效能是对某一状态而言，与基准态有关，只 为正值。
对理想功，其始态和终态不受任何限制，而
有效能的终态必须是基准态(环境状态)。
的方法计算。
P250 例6-11
E x ( H H 0 ) T0 ( S S 0 ) 蒸汽的有效能为： 假设蒸汽用来加热，不作轴功，蒸汽所放出的 热即 H H H 0
压力p MPa 温度T K
S kJ/kg. K
状态
H kJ/kg
H- H0 kJ/kg
Ex kJ/kg
p0＝1atm (101.325 kPa)
化工原理课件第6章：传热
化工原理——传热
6.2.4 多层壁的定态导热
例 6-2
Q n
t1 tn1 1 l n ri1
i1 2Li ri
化工原理——传热
化工原理——传热
接触热阻
1
c A
c ：接触系数，W/(m2 ℃）
化工原理——传热
6.3 对流给热
6.3.1 概说 1 对流给热过程的分类
（1）T1、T2、t1、t2均确定时，△tm逆＞△tm并
（2）若Q相同，依 Q KAtm ，A逆＜A并 （3）Q一定时，依 Q qm1cp1(T1 T2 ) qm2cp2(t2 t1)
若T1、T2确定，则（t2－t1）逆＞ （t2－t1）并
∴
qm2逆＜qm2并
化工原理——传热
逆流
并流
化工原理——传热
（3）蒸汽过热的影响 r' r cp(TV Ts )
（4）蒸汽流速及流向的影响 强化思路 → 减少液膜厚度
化工原理——传热
化工原理——传热
a、r、d 的大小取决于物体的性质、表面状况、 温度和投射辐射的波长，一般
固体、液体：a+r =1
气体：a+d =1
化工原理——传热
物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积 上所发出的全部波长的总能量。（E）W/m2
化工原理——传热
化工原理——传热
另一表达式： 灰体在一定温度下的辐 射能力和吸收率的比值， 恒等于同温度下黑体的 辐射能力，即只和物体 的绝对温度有关。
化工原理——传热
相距很近的平行黑体平板，面 积相等且足够大，则 12 21 1
化工原理——传热
化工热力学各章小结
第2章流体的P-V-T关系基本要求1.掌握状态方程式和用三参数对应态原理计算PVT性质的方法。
2.了解偏心因子的概念，掌握有关图表及计算方法。
1.状态方程：在题意要求时使用该法。
①范德华方程：常用于公式证明和推导中。
②R—K 方程：③维里方程：2.普遍化法：使用条件：在不清楚用何种状态方程的情况下使用。
三参数法：①普遍化压缩因子法②普遍化第二维里系数法第3章纯物质的热力学性质本章要求1.掌握热力学性质间的基本关系式，并能用P-V-T关系计算有关热力学性质。
2.了解热力学性质图、表的制作原理，学会工程上常用热力学图表的使用。
重点弄清剩余性质的概念，并能计算。
3.1 热力学性质间的关系dU TdS pdV =- H=U+PV dH TdS Vdp =+A=U-TS d A S d T p =--G=H-TS d G S d T V =-+Maxwell 关系式S V T P V S ∂∂⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ S PT V P S ∂∂⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭V TP S T V ∂∂⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭P TV S T P ∂∂⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭推荐记忆法：T → V↑↓顺②P → S 逆①其中，顺②=逆①时，S P ∂⎛⎫ ⎪∂⎝⎭带“－”号要求：根据热力学第一定律，结合状态函数和数学知识，推导得出有关热力学性质之间的关系式。
推导H ∆和S ∆的计算公式的一般步骤：1.任意设关系。
------依题意，根据经验得出一推导简便的关系式2.利用全微分性质的公式过渡。
3.用Maxwell 关系式或热力学第一定律进行变换。
4.根据不同情况，运用数学知识变换。
此时有两条经验：①下标为P.V 的U ∂⎛⎫ ⎪⎝⎭,H ∂⎛⎫ ⎪⎝⎭,S ∂⎛⎫⎪⎝⎭的偏导数，常与pC ，Cv 有关。
②下标为H ，U ，S ，A ，G 的偏导数，一般应先利用偏微分转换公式换去下标为H ，U ，S ，A ，G 的偏导式，然后再进行推导。
【课件】第6章第1讲能量平衡方程PPT
三、能量平衡方程
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。 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，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。
二、热力学第一定律
孤立系统热力学第一定律 孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。孤立系
统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭 空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进 行转化时，总的能量数值保持不变。
二、热力学第一定律
封闭系统的热力学第一定律
封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质 交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的动 能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一 定律可表示为
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游 流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但 是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。
H =U +pV
∴
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
讨论： (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备
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)。
E1
U1
1 2
u12
gz1
E2
U2
1 2
u22
gz2
6.1.2 能量平衡方程
系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一
8. 第六章 化工过程的能量分析
2）稳态流动体系：
d (mE)体系 u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
m1 m2 m
稳定流动体系没有 物质及能量的积累
m1 m2 dm
d (mE)体系 0
u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 0 1m1 ２ 2 2 单位质量稳流体系的能量方程：
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。
不是状态函数
当能量以热和功的形式传入体系后， 增加的是内能。
a. 内能
U=f(T,P, x)
系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外， 全部能量的总和。
分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平 动、转动和振动。 分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分 子间存在相互间的距离。 分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原 子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一 定能量。
④阀门的节流
H
u 2
2
gZ Q Ws
将流体通过阀门前后所发生的状态变化。 ——节流过程 throttling process ∵ △Ek=0；△Ep=0 ；Ws=0；Q=0
∴ △H =0
H1=H2
理想气体通过节流阀温度不变
混合设备
混合两种或多种 流体是很常见的。
混合器
混合设备
H u 2
2 dH udu gdZ Q W
dH dU pdV Vdp
gZ Q Ws
H U pV
dU Q pdV
Vdp udu gdZ WS
化工热力学第6章 流动系统的热力学原理及应用
例题6-3
用1.50MPa,773K的过热蒸汽来推动透
平机,并在0.07MPa下排出.此透平机既不
是可逆的，也不是绝热的，实际输出的
轴功相当于可逆绝热功的85%。另有少
量的热散入293K的环境，损失热为
79.4kJ/kg，求此过程的损失功。
解：查附录C-2过热水蒸气表可知，初始状态1.50MPa,773K时 的蒸气焓、熵值为：
将氮气当做理想气体
2 5 2 8 3 1 C ig p 30 .81 1.255 10 T 2.575 10 T 1.133 10 T ( J mol K )
V S C p d ln T dp T1 p1 T p
H1 3473 .1kJ kg1
S1 7.5698 kJ kg1 K 1
若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.07MPa时， 熵仍为S2=7.5698kJkg-1K-1。查过热水蒸汽表可知，此时状态 近似为0.07 MPa，373K的过热水蒸汽，其焓值H2=2680 kJkg1。因可逆绝热过程， Q=0，则
S g mS j Si
i i
对可逆绝热的稳流过程 △Sf=0, △Sg=0
m S m
i j
j
Sj
若为单股物料，有 Si = Sj, 为常见的等熵过程 。
6.4 有效能与过程的热力学分析
1、理想功 2、损失功 3、有效能
4、有效能效率和有效能分析
1、理想功：
完全可逆，指的是不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。
P160 三（2）某厂有一输送90℃热水的管道，由于保温不良，到使用单 位时，水温已降至70℃。试求水温降低过程的热损失与损失功。设环境 温度为25 ℃。
第6章-化工过程能量分析
第6章 化工过程能量分析重点难点：能量平衡方程、熵平衡方程及应用，理想功和损失功的计算，有效能的概念及计算，典型化工单元过程的有效能损失。
1) 能量平衡方程、熵平衡方程及应用(1) 能量平衡方程及其应用根据热力学第一定律：体系总能量的变化率＝能量进入体系的速率-能量离开体系的速率可得普遍化的能量平衡方程：t V p W Q gZ u H m gZ u U m t kk k k d d 22d d s 12sy st 2-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑= 式中左边项代表体系能量的变化，右边项第一项表示质量流带入、带出的能量，后三项表示体系与环境热和功的交换量。
注意：式中H 为单位质量的焓，u 2/2为单位质量的动能，gZ 为单位质量的位能，内能、动能和位能(g =9.81m/s 2)之和为单位质量流体的总能量E ：gZ u U E E U E p k ++=++=221 符号规定：进入体系的质量流率m k 为正，体系吸热Q 为正，环境对体系做功W 为正(体系得功为正)。
上式适用于任何过程，不受过程是否可逆或流体性质的影响。
要对一个过程进行能量分析或能量衡算，应该根据过程的特点，正确分析能量平衡方程式中的各个项，化简能平式，关键是要会分析题意特点，能平式中各项的含义要明白。
① 对封闭体系：忽略动、位能的变化，则能平式变为W Q U δδd +=积分，可得 W Q U +=Δ此即为封闭体系热力学第一定律的数学表达式。
② 稳态流动体系(简称稳流体系)稳态流动过程是指物料连续地通过设备，进入和流出的质量流率在任何时刻都完全相等，体系中任一点的热力学性质都不随时间变化，体系没有物质和能量的积累。
因此，稳流体系的特点：体系中任一点的热力学性质都不随时间而变；体系没有物质及能量的积累。
对一个敞开体系，以过程的设备为体系，即为稳流体系。
其能平式可化为 02s 12=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++∑=W Q gZ u H m k kk k 把上式中第一项进、出分开，即得：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q m gZ u H m gZ u H 单位质量的稳流体系的能量方程式：022s out2in 2=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++W Q gZ u H gZ u H s 2ΔΔ21ΔW Q Z g u H +=++ 式中∆H 。
化工热力学-总复习1
总复习
16
第7章 蒸汽动力循环与制冷循环
总复习
气体的膨胀
对外不做功的绝热节流膨胀
H2 H1
J
T p
h
1 Cp
T
V T
p
对外做功的绝热可逆膨胀
V
JJ
0, 0,
冷 零
J 0, 热
S2 S1
效应
效 应TH 效应
p2
p1
J dp
s
T p
s
1 Cp
T V T
p
总 有 s 0, 冷效 应
液
相
区
气相区
汽液共存区
恒温线
A 饱和液相线AC
B 饱和气相线BC
3
第2章 流体的p-V-T关系
总复习
p-V-T关系及计算
R-K方程：已知V、T和质量，求压力。
公式：
p
RT V b
a
T 0.5V V
b
注意:(1)p、V、T单位，V为mol体积。
a b
0.42748R 2Tc 2.5 pc
0.08664RTc
功源有效能 ExW W 与功源总能量相等；
热量有效能 有效能损失
ExQ
Q 1 - T0 T
典型题：作业6-9、6-11，习题课 第六、七章第6题。
El Ex WS WL T0St
有效能效率
(等价于t )
EX
Ex Ex
获 得 提 供
1-
El
Ex
提
供
不可可逆逆过过程程EEXX
100% 100%
f p
ˆi
fˆi xi p
f与fˆi、与ˆi的 关 系
ln f
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
因过程绝热，Q＝0。忽略动能、位能的变化，根据热
力学第一定律，过程产生的轴功为
W H m h 1 6 8 0 ( 2 6 7 7 . 6 3 2 8 7 . 8 ) s
1 0 2 5 1 3 6 k J h 2 8 4 . 8 k W
1
对于产功过程，热力学效率可按下式计算，即
W G G G
W H T S G id 0
id R R f R p p
2019/2/12
f p
3. 不可逆过程的损耗功 2、不可逆过程的损耗功W
2019/2/12
§6.1 理想功和损耗功
理想功Wid： –指体系的状态变化以完全可逆过程实现时，理论 上可能产生的最大功或者必须消耗的最小功。 –完全可逆是指： (1)体系内所有的变化过程必须是可逆的． (2)体系与温度为T0的环境进行热交换是可逆的。 • 理想功是一个理论的极限值，是实际功的比较标准。
•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。
2019/2/12
化工热力学的任务
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。
，消耗的功Ws>Wid。
所以实际的生产过程就存在一个效率的问题。称
为热力学效率。
2019/2/12
热力学效率ηa
Ws a W id W id a Ws
产功过程 耗功过程
热力学效率是过程热力学完善性的尺度，反映过 程可逆程度，故称可逆度。是高级能量的利用率。
2019/2/12
6-1 某水蒸气动力装置，进入水蒸气透平的水蒸
H H Q ( W W ) 2 1 0 S ( R ) c W H T S id 0
稳流过程的理想功只与状态变化有关，它仅取决
于流体的初态和终态以及自然环境的温度T0。
2019/2/12
由于实际问题都是不可逆的，因此对于实际的产
功过程所提供的功Ws<Wid；对于实际的耗功过程
2019/2/12
• 能量不仅有数量，而且有质量（品位）。 • 功的品位高于热 。 • 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； • 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。
2019/2/12
热功转换的不等价性
2019/2/12
1.稳流过程的理想功 稳流过程的理想功
2019/2/12
理想功为可逆轴功和卡诺功之和
W W W id S (R ) c
敞开体系稳流过程的熵平衡式，可逆过程
Q 0 S , S S2 S 1 S 2 0 1 T 0 Q S 0 T 0
2019/2/12
根据热力学第一定律的表达式，敞开体系有
m [( hh ) T ( s s ) ] 2 1 0 2 1
1 1 2 4 1 9 2 2 . 1 k J h3 4 5 . 0 k W
2019/2/12
1 6 8 0 [ ( 2 6 7 7 . 6 3 2 8 7 . 8 )2 9 8 . 1 5 ( 7 . 3 4 2 9 6 . 9 1 0 1 ) ]
标准终态下理想功计 式算 Wid H T0S H 为 标 准 反 应 热
H ＝ H p f
p
H
p R R
f R
2019/2/12
标准状态下化学反应的熵变
S p S S R R p
p R
标准状态下，恒温T0 G H T0 S
气流量为1680 k g h -1 ，温度为430℃，压力为
3.727MPa。水蒸气经透平绝热膨胀对外作功。产 功后的乏汽为0.1049MPa的饱和水蒸气。求水蒸 气经透平机的理想功和热力学效率。已知大气温 度为25 ℃。
2019/2/12
解：由附表3用插值法求得P2＝0.1049MPa时饱和水蒸气的本章内容
§6.1 理想功和损耗功 §6.2 化工单元过程的热力学分析 §6.3 热力学分析方法
§6.4 合理用能
2019/2/12
化工生产涉及的能量主要有以下几种形式： • ⑴ 热能：许多化工单元操作都消耗热能。如精馏、蒸发、 干燥以及吸收剂或吸附剂的再生等。这些过程需要的热量 通常利用燃料的燃烧的燃烧热。 • ⑵ 机械能：在物理学上称功。机械能主要用于流体的输送 和压缩。消耗机械能的设备有泵、压缩机、鼓风机、真空 泵等。 • ⑶ 电能：电能具有便于输送、调节、自动化等一系列优点， 故广泛地应用于化工生产。化工厂电能主要用来提供机械 能。。 • ⑷ 由于物质化学结构变化提供或消耗的能量称为化学能。 放热的化学反应，由化学能转化为热能；吸热的化学反应， 则由热能转化为化学能。
，T2＝101.0℃。此状态下的焓和熵也可以用插值法得到，即 h2＝2677.6 ， 焓和熵，得 s2＝7.3429 从附表3再用插值法查P1＝3.727MPa，T1＝430℃的过热蒸汽的
h1＝3287.8 ，
则蒸汽经透平的理想功为：
s1＝6.9101
WH T S m ( h T s ) i d 0 0
W 2 8 4 . 8 s 0 . 8 2 5 5 8 2 . 5 5 % a W 3 4 5 . 0 i d
蒸汽经透平的理想功与热力学效率分别为345.0kW和 82.55％。
2019/2/12
稳定流动化学反应过程理想功的计算 2. 稳定流动化学反应过程的理想功
某化学反应，理想功为正，向外供能；理想功 为负值，耗能。