第5章 化工过程的能量分析.ppt

第五章 化工过程的能量分析 本章内容 §5.0 热力学基本概念复习 §5.1 热力学第一定律与能量平衡方程 §5.2 热功转换 §5.3 熵 §5.4 理想功和损失功 §5.5 有效能及其计算 1. 复习“物化”中学过的热力学基本概念； 2. 正确理解并熟练应用流动过程热力学第一、第二定律的数学表达式； 3. 掌握熵变的计算，并运用熵增原理（△S≥0）判断实际过程进行的方向与限度； 4. 正确理解并熟练掌握理想功和损失功的定义及其应用; 5. 正确理解并熟练应用有效能、有效能的衡算及其应用。 §5.0 热力学基本概念复习 1、体系与环境 2、状态和状态函数 3、过程 4、热和功 1、体系与环境 体系分类 体系分类 2、状态和状态函数 状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。 平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系处于热力学平衡状态。 热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。 状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称为状态函数。 常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G 3、过程 指体系自一平衡状态到另一平衡状态的转换． 对某一过程的描写：初态+终态+路径. 不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程． 凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。 如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等 注意： 1）可逆过程一旦发生，不仅体系能恢复到原来状态，而且而环境也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否是可逆过程？） 2）若是可逆过程，位的梯度即推动力需为无限小；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。 3）可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近 ，体系始终无限接近平衡状态。 4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果比较的标准。 若说某体系效率为80%，是指与可逆过程比。 但爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等不能用“可逆过程+效率”模式来计算。 5）可逆过程是效率最高的过程。 体系对外做最大功。 体系对外吸收最小功。 6）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下推导出来的。如： 4、热和功 1）热和功不是状态函数，与途径有关。 2）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形式。当能量以热和功的形式传入体系后，增加的是内能。 ΔU＝Ｑ+Ｗ 热力学第一定律 3） 按照国际规定: Ｑ:体系吸热为正，Ｑ0，体系放热为负,Ｑ0 ； Ｗ:环境对体系作功,Ｗ0 ，体系对环境作功,Ｗ0 4)热的推动力是温差。 功的推动力是除温差以外的位的梯度。 5）热量的传递是无序的，热量是规格低的能量。 功的传递是有序的， 功是规格高的能量。 化工热力学的任务 1、平衡研究 相平衡、热平衡 2、化工过程的热力学分析 能量的有效利用 基本概念 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。 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。 §5.1热力学第一定律与能量平衡方程 §5.1.1 热力学第一定律 §5.1.2 稳定流动体系的热力学原理 §5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用 §5.1.1 热力学第一定律 §5.1.2稳定流动体系的热力学原理 稳定流动 敞开体系 稳定、连续、流进、流出，不随时间变化，没有能量和物料的积累。 化工过程中最常用 能量的形式 化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物 质的能量、能量传递的两种形式。 1、物质的能量E (以1kg为基准) 动能：Ek= u2/2 内能：U=f(T,P, x) 位能： EP= gZ 2、能量传递的两种形式(以1kg为基准) 在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能 量的传递，能量传递的形式有两种，即热和功。 热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用Q表示。 规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。 以1Kg为基准!!! Q为体系吸收的热量 W为体系与环境交换的功。 截面1的能量E1 E1 = U1 + gZ1+ u12/2 截面2的能量E2 E2 = U2 + gZ2+ u22/2 根据能量守恒原