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第五章 化工过程的能量分析 5.1 能量平衡方程 一．?热力学第一定律的实质 二.能量平衡方程 1.一般形式 2.?? 能量平衡方程一般形式 三.能量平衡方程的应用 1.封闭体系：无质量交换，限定质量体系 2.稳定流动体系 （2）能量平衡方程的应用 1）对化工机器：如膨胀机，压缩机等。 流体的动能，位能变化量与体系焓值的变化量相比较，或者与流体与环境交换的热和功相比较，大都可以忽略。也即 4)对喷嘴，如喷射器是通过改变流体截面以使流体的动能与内能发生变化的一种装置 对于这种装置，Ws=0， gΔZ≈0 3.应用举例 ［P108 例5-1～5-2］自看 5.2 功热间的转换 （热力学第二定律） 物化知：?St≥0 可逆过程： 没有摩擦，推动力无限小, 过程进行无限慢; 体系内部均匀一致，处于热力学平衡; 对产功的可逆过程，其产功最大，对耗功的可逆过程，其耗功最小; 逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。 （也即没有功热得失及状态变化） 不可逆过程： 有摩擦，过程进行有一定速度; 体系内部不均匀（有扰动，涡流等现象）; 逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹; 如果与相同始终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。 自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？ 自发与非自发过程决定物系的始、终态与环境状态； 可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没有关系。 二.热功转换与热量传递的方向和限度 1.热量传递的方向和限度 3.热与功转化的限度——卡诺循环 卡诺循环： 热机 高温热源（恒TH） 低温热源（恒TL） 三．熵函数与熵增原理 1.熵函数 ２.热力学第二定律的数学表达式 注意： 熵状态函数。只要初，终态相同， ３. 熵增原理 结论： 四　熵变的计算 1.可逆过程的热温熵计算 ２．相变化熵变 ４ 应用举例 [P111－P112 (例5－3，5－4)] 自看 5．3 熵平衡和熵产生 １　熵平衡方程 2.熵产生 结论： 熵产生可以用作判断过程方向的准则 3. 熵平衡方程的特殊形式 4. 应用举例 (例 5-5)自看 如: 有一人声称发明了一台稳流装置，将1Kg温度为373K的饱和蒸汽通过此装置时，能向温度为450K的高温热库输送1860KJ的热量，同时自身冷却为0.1MPa（1atm），273K的冷凝水。用于冷却蒸汽的天然水的温度为273K。问此装置是否可行? 5.4 理想功和损失功 损失功法： 是以热力学第一定律为基础，与理想功进行比较，用热效率评价。 有效能分析法： 将热力学第一定律，热力学第二定律结合起来，对化工过程每一股物料进行分析，是用有效能效率评价。 一.?? 理想功 ２　理想功的计算式 （１）非流动体系理想功的计算式 结论： （2）流动过程理想功的计算式 注意点： 二　损失功WL １　定义：体系完成相同状态变化时，实际功和理想功的差值． 数学式： 结论： 三 应用举例 （P117-P118 例 5-7 ）自看 分析 5.5?? 有效能及其计算 一、?有效能的概念 1.??能量的分类 按能量转化为有用功的多少，可以把能量分为三类： ⑴高质能量：理论上能完全转化为有用功的能量。如电能、机械能。 ⑵僵态能量：理论上不能转化为功的能量（如海水、地壳、环境状态下的能量）。 ⑶低质能量：能部分转化为有用功的能量。如热量和以热量形式传递的能量。 2.?有效能 　⑴定义：一定形式的能量，可逆变化到给定环境状态相平衡时，理论上所能作出的最大有用功。 无效能：理论上不能转化为有用功的能量。 　⑵能量的表达形式 对高质能量 能量＝有效能 对僵态能量 僵态能量＝无效能 对低质能量 低质能量＝有效能＋无效能 注意点 ①有效能——“火用”、“可用能”、“有用能”、“资用能” 　无效能——“火无”、“无用能” ②功——可看作100％的有效能 二.有效能的计算 1.??环境和环境状态 ⑴环境：一般指恒T、P、x下，庞大静止体系。如大气、海洋、地壳等 ⑵环境状态：热力学物系与环境完全处于平衡时的状态，称之。常用Ｔ0、Ｐ0、Ｈ0、Ｓ0等表示。 2.??物系的有效能 ⑴物理有效能：物系由于Ｔ、Ｐ与环境不同所具有的有效能。 ⑵化学有效能：物系在环境的Ｔ0、Ｐ0下，由于组成与环境不同所具有的有效能。 3.热量的有效能ＢQ ②变温热源的有效能 4.压力有效能 5.稳流物系的有效能 ⑴定义：稳流物系从任一状态i（Ｔ、Ｐ、Ｈ、Ｓ）以可逆方式变化到环境状态（TO、P0、H0、S0）时，所能作出的最大有用功。 　　　Bi＝T0(S0-Si)-(H0-Hi) 稳流物系从状态1状态2所引起