化工节能原理与技术 第二章 PPT2017

化工节能 原理与技术
Chemical Process Energy Conservation
吴卫泽
北京化工大学
化学工程学院
第二章 节能的热力学原理
2-3h
热力学原理：
z 能量 z 热力学第一定律 z 热力学第二定律
2.1 基本概念
复习
z 热力系统 z 平衡状态 z 状态参数（温度、压力、比容和密度、内
z 其它元素以在T0、P0下纯态最稳定的物质作为基准物。
2.4.3 机械形式能量的
z 运动系统所具有的宏观动能和位能
c2/2, gz
z 通过系统边界，发生体积变化对外做功
热机 (气缸)
环境压力：p0 -W
Ew ＝ W12 － p0 （V2－V1） Aw ＝ p0（V2 － V1）
2.4.4 热量的 和
(5)热量的 和
z 温度低于环境温度时，热量 和 在T－S图 上的表示
EQ Q
(6)热量 和
单位热量的 与温度的关系
EQ /Q
z T≥T0，热量 小于热量； T<T0，冷量 可以小于、等于、 甚至大于热量本身。
z 温差传热要引起 损失，在温差相同、传热量相同条 件下，低温时的 损失，要比高温时大得多。
2.4.5 封闭系统的
z 定义：任一封闭系统从给定状态以可逆的方式转 变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出 的最大有用功。
z 能量：宏观动能、位能和内能。
环境基准状态的环境模型：斯蔡古特模型、龟山－吉 田模型
例如：龟山－吉田模型 z 基准温度，环境温度，T0 ＝ 298.15 K（25 oC） z 基准压力，环境压力，p0 ＝ 1 atm z 大气中气态基准物组成：
组分
N2
O2
H2O CO2 Ar
Ne
He
组成％ 75.60 20.34 3.12 0.03 0.91 0.0018 0.00052
自发 平衡
熵增加原理：系统经绝热过程由一状态到达另一状态， 熵值不减少；自发变化的结果，必使孤立系统的熵增加 (孤立系统中可以发生的实际过程都是自发过程)
方向：孤立系统的熵增加 限度：孤立系统熵值达到最大——平衡态
2.4 能量的 计算
2.4.1 (Exergy)和 (Anergy)的提出
z 能量的分类（不同形式的能量之间的转化）
-δQ
可逆机δWAδQ0 Nhomakorabea0(4)热量的 和
T<T0 T -δQ
可逆机
δWA
δQ0 T0
(4)热量的 和
当系统温度低于环境温度 (T<T0) 时，
和 的表达式为：
T<T0 T -δQ
体系得到热量（Q>0)时， （EQ<0）；
体系放出热量（Q<0)时， （EQ>0）
减小 增大
可逆机
δWA
δQ0 T0
9 开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量使之 完全变为有用功而不产生其他影响。
9 普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循 环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。
z 卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T) z 熵的概念和孤立系统的熵增原理
卡诺定理
pA
● Q1，T1 B
●
D●
T2，Q2
●C
V 卡诺循环
一般开口系统的能量衡算式：
δQ
δm1
δm2
δW
式中
稳定流动体系的系统能量衡算式
在稳定流动的条件下， dU系统＝0，δm1＝ δ m2
能量衡算式为
对于单位质量为
对于多股物质流进出开口体系时
1
2.3 和热力学第二定律
z 热力学第二定律的表述
9 克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高 温物体而不引起其他变化。
z 第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电 能等
z 第二类，具有部分转换能力的能量，如热能和物质 的内能或焓等
z 第三类，完全不具有转换能力的能量，如处于环境 状态下的热能等

把在周围环境条件下，任一形式的能量中
理论上能够转换为有用功的那部分能量

能量中不能够转化为有用功的那部分能量
能量 ＝ ＋
z 热机为例来说明
T δQ
可逆机
δWA
-δQ0 T0
（T>T0）
（可逆
）
(2)热量的 和
对于可逆热机，ΔS产＝0，那么 热量㶲 热量
可逆过程
热量 热量
(3)热量的 和
z 热源温度恒定：
z 热源温度变化：
3
(4)热量的 和
当系统温度低于环境温度 (T<T0) 时，热量 可以设想一个工作在环境和物系温度之间的可 逆热机 T<T0 T
热机最大输出功
T1 Q1
可逆机
W
-Q2 T2
（T1>T2）
热力学第二定律的数学表达式 对一不可逆循环，如图A →B →A
得：
不可逆 可逆
可逆 ∆S产＝0 不可逆 ∆S产 >0
——热力学第二定律的数学表达式
熵增原理及平衡的熵判据
¾ 绝热过程，δQ = 0，则有 ¾ 孤立系统，δQ = 0，则有
不可逆 可逆
2
2.4.2 物系与环境的基准状态
物理基准态 z 基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC） z 基准压力，环境压力，p0＝1atm z 基准相态
化学基准态 化学能量（ ）是由于系统的组成 物质及成分与环境不同而引起的。 z 基准物 基准物是在环境状态下处于平衡的、最稳定 的物质。
基准物的特点（1）每种元素都有其相应的基准物； （2）环境（大气、海洋、地表）中能存在的物质； （3）基准物之间不可能发生任何自发的化学变化； （4）各种基准物都应是相应元素的最稳定物质，其能 量值（ ）为0。
(7)热量 和
z 例2－2（P43）把100kPa、127oC的1kg空气可逆加热到 427oC，试求所加热量中的 和 。空气的平均定压比 热容cp＝1.004kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。
解：空气吸收的热量为：
空气在吸收热量过程中熵的变化为：
所加热量中的 为：
所加热量中的 为：
4
(8)热量 和
例2－3（P44）在某一低温装置中将空气自600kPa 和27oC定 压预冷至－100oC，试求1kg空气所获冷量的 和 。空 气的平均定压比热容cp＝1.0kJ/(kg.K)。设环境的大气温 度为27oC。
解：空气获得的冷量为：
空气在冷却过程中熵的变化为：
空气所获冷量的 为：
所获冷量的 为：
能、焓、熵和 等）和状态方程 z 功和热 z 可逆过程
2.2 能量与热力学第一定律
输入系统的能量－输出系统的能量 ＝ 系统储存能量的变化
闭口系统能量衡算
∆U ＝ Q - W
单位质量形式 Δu ＝ q － w
微分形式
du ＝ δq － δ w
2.2 能量与热力学第一定律
输入系统的能量－输出系统的能量 ＝ 系统储存能量的变化