第6章流动系统的热力学原理及应用1.ppt

流动系统的热力学原理及应用 Chapter 6 Principle and Application of Thermodynamics in Fluid System 本章重点： 稳定流动过程热力学原理，运用热力学第一定律和第二定律，对化工过程的能量转化、传递、使用和损失情况进行分析，揭示能量的消耗、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。 能量的等级 高级能量：理论上完全可以转化为功的能量，如机械能、电能、水力能和风能等。 低级能量：理论上不能完全转化为功的能量，如热能、内能和焓等 。 ●热力学第一定律 闭系非流动过程中的热力学第一定律数学表达式为 ●稳定流动系统的热力学第一定律 稳定流动系统的热力学第一定律表达式为： 可逆轴功表达式为 热力学第二定律和熵平衡 ●热力学第二定律 常见的第二定律表述如下： 1.克劳修斯(Clausius)说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。 2.开尔文(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。 ●熵及熵增原理 熵的定义为可逆热温熵 熵差 对可逆的等温过程 绝热可逆过程 ΔS = 0 非可逆过程 利用状态函数的性质来计算 热力学第二定律的数学表达式 孤立系统，δQ = 0 , 则上式变为 熵增原理 自发进行的不可逆过程只能向着总熵增加的方向进行，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。熵增原理为我们提供了判断过程进行的方向和限度，但是, 判断的依据是总熵变而不是系统的熵变。 热力学第二定律揭示了热和功之间的转化规律，热机的效率η定义为热机循环过程中从高温热源吸收的热量Q1与所作的功W之比值 按照热力学第一定律，系统从热源吸收的热只能部分转化为功，即W Q1，所以热机的实际效率η1，而只有卡诺(Carnot)循环（可逆）的效率最高。 卡诺定律：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，以可逆热机效率最高。而且可以推论，工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其效率相等，并与工作介质（工质）无关。 卡诺热机的效率 ●封闭系统的熵平衡 由于实际过程的不可逆性引起能量品质的损耗, 有序的能量耗散为无序的热能（如摩擦等），并为系统吸收而导致系统熵的增加，这部分熵常称为熵产生，记为ΔSg,。引入封闭系统熵产生变量dSg 它不是系统的性质， 而是与系统的不可逆过程有关， 过程的不可逆程度越大，熵产生量ΔSg越大。可逆过程无熵产生。 ●稳定流动系统的熵平衡 如果有热量流入或流出系统，则必定伴有相应的熵变化，即δQ /T流入系统，该熵变常称为熵流，记为ΔSf ， 定义为 传递的热量可正，可负,可零，因此熵流也亦可正，可负，可零。功的传递不会直接引起系统的熵流。 敞开系统的熵平衡方程式为： · 对稳流过程 对绝热过程，且只有单股流体 对可逆绝热过程 且若单股物料，有 Si = Sj, 为常见的等熵过程 。 有效能与过程的热力学分析 ●理想功 理想功：系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。是一个理想的极限值。 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。 环境通常指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。 系统与环境之间的完全可逆过程传热量为 代入稳流过程热力学第一定律表达式，理想功Wid表达式 上式忽略了动能和势能差。 稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。 理想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。 例题6-2 求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的理想功。设环境温度分别为(1) 25℃;(2) -5℃。已知273K冰的熔化焓变为334.7kJ.kg-1。 解：如果忽略压力对液体水的焓和熵的影响。查附录C-1水的性质表得到298K时水的有关数据， 由273K冰的熔化焓变，Hs,l2=-0.02kJ.kg-1和Ss,l2≈0，可推算出冰的焓和熵值。 （1） 环境温度为298K，高于冰点时， =298（-1.226-0.367）-（- 334.72-104.89） =-35.10kJ·kg-1 若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功