化工热力学第六章教案 .doc

授课内容

第六章流动系统的热力学原理及应用

§6-1引言

本章重点介绍稳定流动过程及其热力学原理

1理论基础

热力学第一定律和热力学第二定律

2任务

对化工过程进行热力学分析，包括对化工过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进工艺过程，提高能量利用率指出方向和方法。

3能量的级别

1）低级能量

理论上不能完全转化为功的能量，如热能、热力学内能、焓等

2）高级能量

理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、风能等

3）能量的贬值

4本章的主要内容

1）流动系统的热力学关系式

2）过程的热力学分析

3）动力循环

§6-2热力学第一定律

1封闭系统的热力学第一定律

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，可以相互转化或传递，但能量的数量是守恒的

2稳定流动系统的热力学第一定律

稳定流动状态：流体流动途径中所有各点的状况都相等，且不随时间而变化，即所有质量和能量的流率均为常数，系统中没有物料和能量的积累。

稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：

所以得

微分形式：

若忽略动能和势能变化，则有

即为封闭系统的热力学关系式

§6-3热力学第二定律和熵平衡

1热力学第二定律

1）Clausius说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体

2）Kelvin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它变化。

实质：自发过程都是不可逆的

2熵及熵增原理

1）热机效率

2）可逆热机效率

3）熵的定义

3.1）可逆热温商

3.2）熵的微观物理意义

系统混乱程度大小的度量

对可逆的绝热过程

对可逆的等温过程

对封闭系统中进行的任何过程，都有

——热力学第二定律的数学表达式

4）熵增原理

若将系统和环境看作一个大系统，即为孤立系统，总熵变ΔSt等于封闭系统熵变ΔS和环境熵变ΔS0之和

自发进行的不可逆过程只能向着总熵增大的方向进行，最终趋向平衡态。此时总熵变达到最大值，即ΔSt=0达到了过程的终点。

熵增原理为判断过程进行的方向和限度提供了依据。

3封闭系统的熵平衡

热力学第一定律无法计算由于过程不可逆引起的能量贬值的损耗，通过熵平衡关系可以精确衡量过程的能量利用效率。

???熵平衡方程

dSg—熵产生。不可逆过程中，有序能量耗散为无序热能，并被系统吸收而导致系统熵的增加。

不是系统的性质，与系统的不可逆过程有关。可逆过程无熵产生

4稳定流动系统的熵平衡

Δ

ΔSg

ΔSf

敞开系统熵平衡简图

敞开系统的熵平衡方程式为：

ΔSf为熵流，伴随热量流动而产生的相应的熵变化。可正、可负、可零。规定流入体系为正，流出体系为负；

ΔSg为熵产生

该式适用于任何热力学系统

对于不同系统可进一步简化：

?对稳定流动系统?

对可逆绝热过程

对绝热节流稳流过程，只有单股流体

§6-4理想功、损失功和有效能

1理想功Wid：

1）定义

系统的状态变化按完全可逆的过程进行时，理论上产生的最大功或者消耗的最小功。是一个理想的极限值，可作为实际功的比较标准

2）完全可逆：

完全可逆是指（1）系统的所有变化是可逆的；（2）系统与环境进行可逆的热交换。

环境通常指大气温度T0和压力p0=0.1013MPa的状态

3）稳流过程的理想功

若忽略动能和势能变化，

得

比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度

2损失功

1）定义：

损失功定义为系统在相同的状态变化过程中，实际过程所作的功（产生或消耗）与完全可逆过程所作的理想功之差。

对稳流过程表示为：

损失功由两部分构成：

1）由过程不可逆性引起的熵增造成

2）由过程的热损失造成

表明损失功与总熵变及环境温度的关系

过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功越大。

不可逆过程都是有代价的

例1：298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力冰的理想功。273K冰的熔化焓变为334.7kJ?kg-1

298

298K，0.1013MPa的水

初态

273K，

0.1013MPa的冰

终态

H1=104.897kJ?kg-1，H2，S2

S1=0.367kJ?kg-1?K-1

1）环境温度为25℃时

是一个耗功过程，消耗的最小功是35.10kJ?kg-1

2）环境温度是268K时

是一个做功过程，可提供的最大功是12.69kJ?kg-1

理想功的计算与环境温度有关

例2：计算损失功

1.5MPa773K过热蒸汽

1.5MPa

773K

过热蒸汽

0.07MPa

环