1、6.1.1 能量守恒與轉(zhuǎn)換一切物質(zhì)都具有能量，能量是物質(zhì)固有的特性。通常能量可分為兩大類：一類是系統(tǒng)蓄積的能量，如動(dòng)能、勢(shì)能和熱力學(xué)能，它們都是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。另一類是過程中系統(tǒng)和環(huán)境傳遞的能量，常見有功和熱量，它們不是狀態(tài)函數(shù)，而與過程有關(guān)。熱量是因?yàn)闇囟炔顒e引起的能量傳遞，而做功是由勢(shì)差引起的能量傳遞。因此，熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過程傳遞方式有關(guān)的能量形式。 能量的形式不同，但是可以相互轉(zhuǎn)化或傳遞，在轉(zhuǎn)化或傳遞的過程中，能量的數(shù)量是守恒的。對(duì)于任意體系有 體系能量的積累=輸入能量-輸出能量 WQdEdEdE物流帶出物流帶入體系物料流入和流出的能量包括:1.動(dòng)能, 記為Ek2.勢(shì)能(在重力

2、場中則為位能), 記為EP3.物料的內(nèi)能, U因此WQUEEEkp體系此外規(guī)定所有流入體系能量為正, 流出能量為負(fù)在閉系非流動(dòng)過程中的熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)在閉系非流動(dòng)過程中的熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式為表達(dá)式為 WQU 對(duì)于孤立體系，由于不存在功和熱的交換，故0U穩(wěn)態(tài)流動(dòng)是指流體流動(dòng)途徑中所有各點(diǎn)的狀況穩(wěn)態(tài)流動(dòng)是指流體流動(dòng)途徑中所有各點(diǎn)的狀況都不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)中沒有物料和能量的都不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)中沒有物料和能量的積累。積累。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為：WQEE12單位質(zhì)量的流體帶入、帶出能量的形式為動(dòng)能(u2/2)、勢(shì)能(gz)和熱力學(xué)能(U)。 流體從

3、截面1通過設(shè)備流到截面2，在截面1處流體進(jìn)入設(shè)備所具有的狀況用下標(biāo)1表示，此處距基準(zhǔn)面的高度為z1，流動(dòng)平均速度u1，比容V1，壓力P1以及內(nèi)能U1等。同樣在截面2處流體流出所具有的狀況用下標(biāo)2表示。1211121gzuUE2222221gzuUE g為重力加速度。Systemz1z2U1、u1、P1U2、u1、P1WQ 系統(tǒng)與環(huán)境交換功W，實(shí)際上由兩部分組成。一部分是通過泵、壓縮機(jī)等機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使系統(tǒng)與環(huán)境交換的軸功Ws；另一部分是單位質(zhì)量物質(zhì)被推入系統(tǒng)時(shí)，接受環(huán)境所給予的功，以及離開系統(tǒng)時(shí)推動(dòng)前面物質(zhì)對(duì)環(huán)境所作的功。 假設(shè)系統(tǒng)入口處截面面積為Al，流體的比容為V1，壓力為P1，則推動(dòng)

4、力為P1A1，使單位質(zhì)量流體進(jìn)入系統(tǒng)，需要移動(dòng)的距離為V1/A1,推動(dòng)單位質(zhì)量流體進(jìn)入系統(tǒng)所需要的功為111111VPAVAP這是單位質(zhì)量流體進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，接受后面流體(環(huán)境)所給予的功；同樣,單位質(zhì)量流體離開系統(tǒng)時(shí)，必須推動(dòng)前面的流體(環(huán)境)，即對(duì)環(huán)境作 P2V2的功。這種流體內(nèi)部相互推動(dòng)所交換的功，稱為流動(dòng)功流動(dòng)功。只有在連續(xù)流動(dòng)過程中才有這種功。對(duì)于流動(dòng)過程，系統(tǒng)與環(huán)境交換的功是軸功與流動(dòng)功之和2211VPVPWWs 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系可寫為22111211222222VPVPWQgzuUgzuUssWQzguPVU22 將焓的定義 H=U+PV 代入上式可得穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡

5、方程 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為： 使用上式時(shí)要注意單位必須一致。按照SI單位制，每一項(xiàng)的單位為 Jkg-1。動(dòng)能和位能的單位sWQzguH22kgJkgmNskgmkgsm2222流動(dòng)功包含在焓中軸功 H、 u2/2、g z、Q和Ws 分別為單位質(zhì)量流體的焓變、動(dòng)能變化、位能變化、與環(huán)境交換的熱量和軸功。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)體系, 以單位質(zhì)量流體計(jì),有SWQgdzududH對(duì)于可逆變化, 則TdSQ gdzuduVdpTdSdHWRS若忽略動(dòng)能和位能變化, 則VdpTdSdHWRS積分封閉體系的熱力學(xué)基本關(guān)系對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系也是適用的對(duì)于液體，在積分時(shí)一般對(duì)于液體，在積分時(shí)一般可將可將V當(dāng)作

6、常數(shù)。當(dāng)作常數(shù)。對(duì)于理想氣體等溫過程對(duì)于理想氣體等溫過程左式只適用于理想氣體左式只適用于理想氣體等溫過程等溫過程對(duì)于氣體怎么辦？對(duì)于氣體怎么辦？PMznRTV 12lnPPMnRTWRS21ppRSVdpWV1(p1, V1)2(p2, V2)ABCDpBApdVVV1221面積DCVdppp1221面積體積功可逆軸功可逆體積功與可軸功的比較噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)噴嘴與擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是進(jìn)出口截面積特點(diǎn)是進(jìn)出口截面積變化很大。變化很大。流體通過時(shí)，使壓力流體通過時(shí)，使壓力沿著流動(dòng)方向降低，沿著流動(dòng)方向降低，而使流速加快的部件而使流速加快的部件稱為噴嘴。稱為噴嘴。反之，使流體流速減反之，使流體流速減

7、緩，壓力升高的部件緩，壓力升高的部件稱為擴(kuò)壓管。稱為擴(kuò)壓管。噴嘴擴(kuò)壓管sWQzguH22是否存在軸功?否否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否變化?否否202uH透平機(jī)是借助流體的減壓透平機(jī)是借助流體的減壓和降溫過程來產(chǎn)出功和降溫過程來產(chǎn)出功 壓縮機(jī)可以提高流體的壓壓縮機(jī)可以提高流體的壓力，但是要消耗功力，但是要消耗功 sWQzguH22是否存在軸功?是是!是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否變化?不變化或者可以忽略不變化或者可以忽略動(dòng)能是否變化？通常可以忽略通常可以忽略sWH 理想氣體通過節(jié)流閥溫度不變理想氣體通過節(jié)流閥溫度不變sWQzguH22是否存在軸功?

8、否否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否變化?否否動(dòng)能是否變化?通常可以忽略通常可以忽略0H 混合兩種或多種流體是很常見。混合兩種或多種流體是很常見。混合器混合器sWQzguH22是否存在軸功?否否是否和環(huán)境交換熱量?通常可以忽略通常可以忽略位能是否變化?通常不變或可忽略通常不變或可忽略動(dòng)能是否變化?通常可忽略通常可忽略0H 1 3 2 混合器混合器32211HHxHx121 xxHi為單位質(zhì)量第i股輸出物流的焓值，xi為第i股輸出物流占整個(gè)輸出物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Hj為單位質(zhì)量第j股輸入物流的焓值，xj為第j股輸入物流占整個(gè)輸入物流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)不止一個(gè)輸入物流或（和）輸出物流時(shí)

9、jjiiHxHxH入出mmxmmxjjii分別為第i流入股和第j股流出物流的質(zhì)量流量。jimm 和mmmji入出m 為總質(zhì)量流量。 若整個(gè)換熱設(shè)備的熱損失可以忽略不計(jì)，換熱設(shè)備的能量平衡方程與混合設(shè)備的能量平衡方程相同，只是物流之間不發(fā)生混合。0jjiiHxHxH入出4231HxHxHxHxBABABABBBAAAmmmxmmmxmA和mB分別為流體A和流體B的質(zhì)量流量是否存在軸功?有時(shí)存在有時(shí)存在是否和環(huán)境交換熱量?通常是通常是位能是否變化?有時(shí)變化有時(shí)變化動(dòng)能是否變化?通常可以忽略通常可以忽略sWQzguH22sWQzguH22PVUHPVU實(shí)際流體的流動(dòng)過程存在摩擦損耗，意味機(jī)械能轉(zhuǎn)實(shí)際

10、流體的流動(dòng)過程存在摩擦損耗，意味機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能，有摩擦損耗變?yōu)闊崃W(xué)能，有摩擦損耗UF對(duì)于無熱、對(duì)于無熱、無軸功交換、無軸功交換、/PU 不可壓縮流體的穩(wěn)流過程不可壓縮流體的穩(wěn)流過程022uzgPF對(duì)于非粘性流體或簡化的理想情況，可忽略摩擦損耗，對(duì)于非粘性流體或簡化的理想情況，可忽略摩擦損耗，則則022uzgP解sWQzguH22節(jié)流過程無功的傳遞， 忽略散熱、 動(dòng)能變化和位能變化12HHT H kJ/kg1202716.61602796.2130H26271622796627161201601201302.Hkg/kJ.H527362在0.1 MPa時(shí)1.5MPa 飽和液體焓值 Hl=

11、844.9 飽和蒸汽焓值 Hg=2792.2xHxHHgl115273612.HH970909844227929844527361.HHHHxlgl解sWQzguH22例例 6-2 30 的空氣，以的空氣，以5m/s的流速流過一垂直安裝的的流速流過一垂直安裝的熱交換器，被加熱到熱交換器，被加熱到150 ，若換熱器進(jìn)出口管直徑，若換熱器進(jìn)出口管直徑相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣，空氣Cp=1.005kJ(kgK),求求50kg空氣從換熱器吸空氣從換熱器吸收的熱量收的熱量kJ.TTCmHmP603030342300515012將空

12、氣當(dāng)作理想氣體，并將空氣當(dāng)作理想氣體，并忽略壓降時(shí)忽略壓降時(shí)由此例可以看出由此例可以看出, 對(duì)于換熱過程對(duì)于換熱過程, 換熱器的動(dòng)換熱器的動(dòng)能變化和位能變化可以忽略不計(jì)能變化和位能變化可以忽略不計(jì)kJ.J.zmg47211472381950kJ.Q60324721593060301122VTVTAuTAuT1122s/m.TTuu98630342351212kJ.J.um5930593259865021222WQUEEEkp體系 0UzguWQHs22對(duì)孤立體系對(duì)封閉體系WQU對(duì)穩(wěn)流體系對(duì)封閉體系 6.2.1 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 &克勞修斯說法：熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳給高溫

13、物體。克勞修斯說法：熱不可能自動(dòng)從低溫物體傳給高溫物體。&開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫拈_爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓９Χ灰鹌渌兓?熱力學(xué)第二定律說明過程按照特定方向，而不是按照任意方熱力學(xué)第二定律說明過程按照特定方向，而不是按照任意方向進(jìn)行。克勞修斯的說法說明了熱傳導(dǎo)過程的不可逆性，開向進(jìn)行。克勞修斯的說法說明了熱傳導(dǎo)過程的不可逆性，開爾文說法則描述了功轉(zhuǎn)化為熱過程的不可逆性。爾文說法則描述了功轉(zhuǎn)化為熱過程的不可逆性。 自然界中的物理過程能夠自發(fā)地向平衡方向進(jìn)行。自然界中的物理過程能夠自發(fā)地向平衡方向進(jìn)行。 第一定律

14、沒有說明過程發(fā)生的方向，它告訴我們第一定律沒有說明過程發(fā)生的方向，它告訴我們能量必須守衡。能量必須守衡。 第二定律告訴我們過程發(fā)生的方向和限度。第二定律告訴我們過程發(fā)生的方向和限度。我們可以使這些過程按照相反方向進(jìn)行，但是需我們可以使這些過程按照相反方向進(jìn)行，但是需要付出代價(jià)要付出代價(jià), 即消耗功。即消耗功。等號(hào)用于可逆過程，不等號(hào)用于不可逆過程。等號(hào)用于可逆過程，不等號(hào)用于不可逆過程。孤立體系孤立體系 TQdS0孤立dS產(chǎn)生出入體系STQSmSmSjjii0產(chǎn)生S 熵流熵流是由于有熱量流入或流出系統(tǒng)所伴有的熵變化是由于有熱量流入或流出系統(tǒng)所伴有的熵變化 可逆過程可逆過程 TQ 由于傳遞的熱量

15、可正、可負(fù)、可零，熵流也亦可正、可負(fù)、可零。由于傳遞的熱量可正、可負(fù)、可零，熵流也亦可正、可負(fù)、可零。 熵產(chǎn)生是體系內(nèi)部不可逆性引起的熵變化熵產(chǎn)生是體系內(nèi)部不可逆性引起的熵變化 不可逆過程不可逆過程 0產(chǎn)生SSystemZ1Z2S1S2WQ產(chǎn)生體系STQS 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系 0產(chǎn)生出入STQSmSmjjii絕熱節(jié)流過程絕熱節(jié)流過程SmSSmSij產(chǎn)生可逆絕熱過程可逆絕熱過程出入jjiiSmSm單股流體單股流體jiSS 封閉體系封閉體系0TQ，只有單股流體，只有單股流體，mimjm, TQS對(duì)孤立體系對(duì)封閉體系對(duì)穩(wěn)流體系0S凈流入STQS0不可逆性產(chǎn)生凈流入SSTQS對(duì)開放體系 0UTQ

16、SzguWQHs22對(duì)孤立體系對(duì)封閉體系WQU對(duì)穩(wěn)流體系對(duì)孤立體系對(duì)封閉體系對(duì)穩(wěn)流體系0S凈流入STQS0不可逆性產(chǎn)生凈流入SSTQS對(duì)開放體系能量不僅有數(shù)量、而且有質(zhì)量（品位）。例如，1kJ功和1kJ熱，從熱力學(xué)第一定律來看，它們?cè)跀?shù)量上是相等，但從熱力學(xué)第二定律來看，它們的質(zhì)量并不相等，功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，而熱不能全部轉(zhuǎn)化為功。學(xué)習(xí)目的：掌握一些基本的概念，為以后分析化工過程中的能量轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況，改進(jìn)工藝過程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基礎(chǔ)。（1）在冬天用電爐取暖和制熱空調(diào)取暖，哪種方式的效率更高？ （2）試分析以下火力發(fā)電過程。總能量分析有效能分析其它(1)能量的分類

17、按可轉(zhuǎn)化為有用功的能力，分為三類：高(品）質(zhì)能量：理論上能完全轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如電能、機(jī)械能；僵態(tài)能量：理論上不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量；低（品）質(zhì)能量：能部分轉(zhuǎn)化為有用功的能量。如熱量、內(nèi)能、焓等。 為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態(tài)下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。一定形式的能量一定形式的能量,可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)時(shí),理論上所能做出的最大有用功的能力。理論上所能做出的最大有用功的能力。常用常用B或或Ex表示；表示；理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量。常用理論上不能轉(zhuǎn)化為功的能量。常用El

18、表示。表示。 (1) 機(jī)械能、電能的有效能機(jī)械能、電能的有效能 機(jī)械能和電能全部是有效能，即機(jī)械能和電能全部是有效能，即 EX=W （2）物理有效能物理有效能 物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的有效能。化工過程中主要涉及：具有的有效能。化工過程中主要涉及：與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過程與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過程（熱有效能）（熱有效能）；與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過程與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過程（壓力有效能）（壓力有效能）。（3）化學(xué)有效能 處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，與環(huán)境之間處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，

19、與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，最后達(dá)到與環(huán)境平衡進(jìn)行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，最后達(dá)到與環(huán)境平衡時(shí)，所能做的最大有用功。時(shí)，所能做的最大有用功。在計(jì)算化學(xué)有效能時(shí)，不但要確定環(huán)境的溫度和壓力，而且要指定基準(zhǔn)物種類和濃度。理想功理想功：系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)：系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)生最大功或者消耗最小功。生最大功或者消耗最小功。所謂的完全可逆完全可逆，指的是不僅系統(tǒng)內(nèi)的所有變化是完全可逆的，而且系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換，例如傳熱過程也是可逆的。環(huán)境通常是指大氣溫度T0和壓力P0=0.1013MPa的狀態(tài)。理想功是一個(gè)理想的極限值，可作為實(shí)際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。1

20、理想功的定義理想功的定義 穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：sWQzguH22 假定過程是完全可逆的，而且系統(tǒng)所處的環(huán)境可認(rèn)為是假定過程是完全可逆的，而且系統(tǒng)所處的環(huán)境可認(rèn)為是個(gè)溫度為個(gè)溫度為T0的恒溫?zé)嵩础８鶕?jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)與環(huán)境之的恒溫?zé)嵩础８鶕?jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)與環(huán)境之間的可逆?zhèn)鳠崃繛殚g的可逆?zhèn)鳠崃繛?Qrev=T0S體系體系sysidSTzguHW022忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化sysidSTHW02 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系理想功計(jì)算公式的推導(dǎo)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系理想功計(jì)算公式的推導(dǎo)穩(wěn)流過程的理想功只與狀態(tài)變化有關(guān)，即與初、終態(tài)以及環(huán)穩(wěn)流過程的理想功只與狀態(tài)變化

21、有關(guān)，即與初、終態(tài)以及環(huán)境溫度境溫度T0有關(guān)，而與變化的途徑無關(guān)。有關(guān)，而與變化的途徑無關(guān)。也就是說，只要初、終態(tài)以及環(huán)境溫度也就是說，只要初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0相同，無論是否可相同，無論是否可逆過程，其理想功相同。逆過程，其理想功相同。：理想功是完全可逆過程所作的功，它：理想功是完全可逆過程所作的功，它在與環(huán)境換熱在與環(huán)境換熱Q過程中使用卡諾熱機(jī)作可逆功。軸功是實(shí)際過程中使用卡諾熱機(jī)作可逆功。軸功是實(shí)際過程中體系與環(huán)境所交換的功。過程中體系與環(huán)境所交換的功。3 理想功的特點(diǎn)理想功的特點(diǎn)cRSidWWWsysidSTzguHW022若對(duì)外做功，若對(duì)外做功，Wid WRS若對(duì)內(nèi)做功，若對(duì)內(nèi)做功

22、，Wid WRST1、P1H1、S1T2、P2H2、S2WsWC鍋爐冷凝器T2、QLT0QHT0T0透平機(jī)理想卡諾熱機(jī)例1例2cRSidWWWHRSQTTW121LCQTTW201 系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，不可逆過程的系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，不可逆過程的實(shí)際功與完全可逆過程的理想功之差稱為實(shí)際功與完全可逆過程的理想功之差稱為損失功損失功。5 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程損失功穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程損失功idsLWWWsysidsSTzguHWQzguHW02222QSTWsysL0QSTWsysL0由于環(huán)境可視為恒溫?zé)嵩矗捎诃h(huán)境可視為恒溫?zé)嵩矗琎相對(duì)環(huán)境而言，是可逆熱，相對(duì)環(huán)境而言，是可逆熱，但是用于環(huán)境時(shí)為

23、負(fù)號(hào)，即但是用于環(huán)境時(shí)為負(fù)號(hào)，即 - QT0S0 。總STSTSTQSTWL00000u 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，根據(jù)熱力學(xué)第二定律， S總總 0 ，所以，所以實(shí)際過程總是有損失實(shí)際過程總是有損失功的，過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越功的，過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大。大。u 損失的功轉(zhuǎn)化為熱，使系統(tǒng)作功本領(lǐng)下降，因此，不可逆損失的功轉(zhuǎn)化為熱，使系統(tǒng)作功本領(lǐng)下降，因此，不可逆過程都是有代價(jià)的。過程都是有代價(jià)的。6 損失功的特征損失功的特征12012SSTHHWid穩(wěn)流過程，從狀態(tài)穩(wěn)流過程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)變到狀態(tài)2，過程的理想功為，過程的理想功為： 當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)當(dāng)

24、系統(tǒng)由任意狀態(tài)(P, T)變到基態(tài)變到基態(tài)(T0, P0)時(shí)穩(wěn)流系統(tǒng)時(shí)，時(shí)穩(wěn)流系統(tǒng)時(shí)，SSTHHWid000一定形式的能量一定形式的能量,可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí),理論上所能做出的最大有用功的能力。理論上所能做出的最大有用功的能力。也就是說，也就是說，有效能在數(shù)值上等于系統(tǒng)從所處狀態(tài)變化到環(huán)境狀有效能在數(shù)值上等于系統(tǒng)從所處狀態(tài)變化到環(huán)境狀態(tài)過程中所作的理想功的負(fù)值。態(tài)過程中所作的理想功的負(fù)值。 習(xí)慣上，為保證有效能為正值，定義習(xí)慣上，為保證有效能為正值，定義HSTSSTHHWEidX0000變溫過程的熱有效能變溫過程的熱有效能dTCTTdTCdTTCTHST

25、EPTTTTPTTPXQ0000001 A 熱有效能熱有效能 溫度為溫度為T的恒溫?zé)嵩吹臒崃康暮銣責(zé)嵩吹臒崃縌, 其有效能按卡諾熱其有效能按卡諾熱機(jī)所能做的最大功計(jì)算：機(jī)所能做的最大功計(jì)算：QTTWECarnotXQ01PPPPPPPPPXPdPTVTTVdPTVTVdPTVTHSTE000000 B 壓力有效能壓力有效能對(duì)于理想氣體PRTV 每摩爾理想氣體的壓力有效能為000000PPlnRTdPPRTTVdPTVTTVEPPPPPXP例3主要介紹了有效能、無效能、理想功和損失功四個(gè)概念；學(xué)習(xí)了有效能、理想功和損失功的計(jì)算方法比較了理想功和有效能之間的區(qū)別和聯(lián)系。1. 思考題：在化工生產(chǎn)過程

26、中，為了提高能量的利用率，應(yīng)如何利用化工廠的低壓乏汽和熱水？采用什么途徑可以將化石燃料轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，不受卡諾效率的限制？2. P172 計(jì)算題的第3小題解：kmol/kJdTT.dTCHp1338610271489273738133Kkmol/kJ.ln.dT.T.dPPRdTTCSp0831205240131314810271489273738133kmol/kJ.STHWid984682312293133860 此例很好地說明理想功是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，其大小與過程變化是否可逆無關(guān) 解：忽略壓力的影響。查得有關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)溫度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kgK)H2O(l)298104.80

27、.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1) 環(huán)境溫度為298K，高于冰點(diǎn)時(shí)kmol/kJ.STHWid04353666022651298810493340表明若使水變成冰，需用冰機(jī)，理論上應(yīng)消耗的最小功為表明若使水變成冰，需用冰機(jī)，理論上應(yīng)消耗的最小功為35.04kJ/kg。(2) 環(huán)境溫度為248K，低于冰點(diǎn)時(shí)kmol/kJ.STHWid61443666022651248810493340 當(dāng)環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水變成冰，不僅不需要消耗外功，而當(dāng)環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水變成冰，不僅不需要消耗外功，而且理論上可以回收的最大功為且理論上可以回收的最大功為44.61kJ/kg。 理

28、想功不僅與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，理想功不僅與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度有關(guān)。而且與環(huán)境溫度有關(guān)。 例3 比較l.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa，573K的過熱蒸氣的有效能大小。取環(huán)境狀態(tài)P0.1013MPa、T0298.15K，并就計(jì)算結(jié)果對(duì)蒸氣的合理利用加以討論。解： HHSSTEX000 P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kg(S-S0)/kJ/kg/KEx/kJ/kg水 0.1013298.15飽和蒸汽1.013 453 26716.23814過熱蒸汽1.013 57329486.75934飽和蒸汽6.868 557.526705.

29、46 1042飽和蒸汽8.611 57326786.32 792討論蒸汽1和2比較，表明壓力相同時(shí)，過熱蒸汽的有效能較飽和蒸汽大；蒸汽2和3比較，表明高壓蒸汽的有效能較低壓蒸汽的有效能為大蒸汽2和4比較表明，溫度相同時(shí)，高壓蒸汽的焓值反較低壓蒸汽小 防止能量無償降級(jí) 采用最佳推動(dòng)力方案 合理組織能量的梯次使用汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐T4321STCarnot Cycle Turbine 汽輪機(jī)1-2 表示過熱蒸汽在汽輪機(jī)中的可逆絕熱膨脹過程，則kgkJHHHWs/ 12sWQH汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐T穩(wěn)態(tài)流動(dòng)體系，若忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化，則Condenser 冷凝器 2-3 表示乏汽在冷凝器中的等溫等

30、壓冷凝過程，放出的熱量。Ws=0，則kgkJHHHQ/ 232汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐TPump 水泵3-4 表示冷凝水通過水泵由P3升壓至P4的可逆絕熱壓縮過程，需要消耗的軸功kgkJPPVVdPWPPP/ 3443kgkJHHHWP/ 34把水看作是不可壓縮流體，則 汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐TBoiler 鍋爐4-1表示液體水在鍋爐中被等壓加熱汽化成為過熱蒸汽的過程。Ws=0，故kgkJHHHQ/ 411汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐T火力發(fā)電廠的熱效率大約為火力發(fā)電廠的熱效率大約為37%高溫?zé)嵩?TH低溫?zé)嵩?TL1211QQWQQ卡諾熱機(jī)的效率卡諾熱機(jī)的效率HLTTQW11 4143211HHHHHHQ

31、WWPs 蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量41211HHHHQWs 熱效率的高低反映了不同裝置輸出相同功量時(shí)所消耗的能量的多少，它是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。 作出單位量凈功所消耗的蒸汽量稱為汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。hkW/kgWkJ/kgWSSC36001 當(dāng)對(duì)外作出的凈功相同時(shí)，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。 汽耗率的高低可用來比較裝置的相對(duì)尺寸大小和過程的經(jīng)濟(jì)性。 因?yàn)樗魵獠皇抢硐霘怏w，氣體的性質(zhì)不能用理想氣體方程計(jì)算，需要通過熱力學(xué)圖表或?qū)嶋H流體的狀態(tài)方程求得。狀態(tài)1：根據(jù)P1、t1 值可查得 H1、S1

32、值;狀態(tài)2：S2=S1 ,根據(jù)P2、S2 值可查得 H2、t2值;狀態(tài)3：P3=P2 ,查P3下的飽和液體可得 H3、V3 、 S3值;T狀態(tài)4：P4=P1, S4=S3, 根據(jù)P4、S4可查得 H4值; 或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)蒸汽通過汽輪機(jī)的絕熱膨脹實(shí)際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用1 - 2線表示。水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過汽輪機(jī)膨脹，實(shí)際做出的功應(yīng)為H1 H2，它小于等熵膨脹的功H1 H2。兩者之比稱為透平機(jī)的等熵效率。2121HHHHWW可s不ssT RSHHHHHHHHHHHHHHHHHH2121412141 2

33、14143 21T某一理想的某一理想的Rankine循環(huán)，鍋爐的壓力為循環(huán)，鍋爐的壓力為4MPa，產(chǎn)生，產(chǎn)生440過熱蒸汽過熱蒸汽, 汽輪機(jī)出口壓力為汽輪機(jī)出口壓力為0.004MPa,蒸汽流量蒸汽流量60t/h, 求求 （1） 過熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量；過熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量；（2）乏氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量；）乏氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量；（3）汽輪機(jī)作出的理論功率和水泵消耗的理論功）汽輪機(jī)作出的理論功率和水泵消耗的理論功 率；率；（4）循環(huán)的熱效率。）循環(huán)的熱效率。（1）確定各點(diǎn)的參數(shù)（過熱蒸汽）, 根據(jù)P1=4MPa、t1 =440 ,查過熱水蒸氣表 得 H1

34、=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK);（濕蒸汽）, P2=4kPa, S2=S1 =6.9041kJ/(kgK) , 查飽和水蒸氣表得 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK) Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK) Vl=1.004cm3/g 2點(diǎn)處的干度為x 8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.40.805+(1-0.805) 121.46=2080.0（飽和液體） P3=4kPa H3= Hl =121. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK)

35、（未飽和水）方法1 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3) = 121.46+0.001004 (4000-4)=125.5kJ/kg方法2 已知 P4=4MPa, S4=S3=0. 4226kJ/(kgK),查未飽和水性質(zhì)表，得 H4=126.1kJ/kg（2）計(jì)算 過熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量 Q1=m(H1 - H4)=60 103 (3307.1 - 125.5) =190.9 106kJ/h 乏氣在冷凝器放出的熱量 Q2=m(H2 - H3)=60 103 (2080.0 - 121.5) =117.5 106kJ/h 乏氣的濕度為 1-x=1-0.805=0.195 汽輪機(jī)作出

36、的理論功率 kW.HHmmWPsT20452133070208036001060312 水泵消耗的理論功率水泵消耗的理論功率 kW.HHmmWNPP675121512536001060334熱效率熱效率3844010919067204523600360061.QNPPT 例6-11 在某核動(dòng)力循環(huán)裝置，鍋爐溫度為 420 的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1，產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為 360 的過熱蒸汽 (點(diǎn)1) ，過熱蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)膨脹作功后于0.008MPa壓力下排出(點(diǎn)2)， 乏氣在冷凝器中向環(huán)境溫度 t020 進(jìn)行定壓放熱變?yōu)轱柡退?點(diǎn)3)，然后經(jīng)泵返回鍋爐(點(diǎn)4)完成循環(huán)。已知汽輪機(jī)的額定功率為5

37、104kW，汽輪機(jī)作不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0. 75，水泵作等熵壓縮。試求： (1)蒸氣的質(zhì)量流量； (2)乏氣的濕度； (3)循環(huán)的熱效率。1點(diǎn)（過熱蒸汽）, 根據(jù)P1=7MPa、t1 =360 ,查過熱 水蒸氣表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK); 2點(diǎn)（濕蒸汽）, P2=0.008MPa, 查飽和水蒸氣表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK) Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK) 汽輪機(jī)作等熵膨脹 S2=S1 =6.2801kJ/(kgK) , S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.280

38、1=8.2287x2+(1-x2) 0.5926 x2=0.7448H2=Hgx2+(1-x2)Hl =2577.0 0.7488+(1-0.7488) 173.88=1963.7汽輪機(jī)作等熵膨脹過程汽輪機(jī)作等熵膨脹過程1-2所作的理論功所作的理論功 WRWR=H2-H1=1963.7-3045.5= -1081.8kJ/kg汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹過程汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹過程1-2 所作的功所作的功 WsWs=sWR=-1081.8 0.75= - 811.4kJ/kg Ws=H2 - H1H2 = H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹后乏氣的干度為汽輪機(jī)作實(shí)際膨

39、脹后乏氣的干度為x2H2=Hgx2+(1-x2)Hl2234.1=2577.0 x2+(1- x2) 173.9 x2 =0.8573 乏氣的濕度為乏氣的濕度為 1-0.8573=0.1427 3點(diǎn) 0.008MPa飽和液體 H3=173.88kJ/(kgK) S3=0.5926kJ/(kgK) 4點(diǎn)點(diǎn) P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kgK) 查未飽和水性質(zhì)表查未飽和水性質(zhì)表5MPaH S7.5MPaH S4MPaH S40 171.97 0.5705174.18 0.569680 338.85 1.0720340.84 1.0704173.74 0.5698340.44

40、1.0707741734434074173569800707156980592604.H.H4=181.33kJ/kg插值水泵所消耗的功水泵所消耗的功WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg熱效率熱效率28070331815304545748111.QWp1, t1, p2影響熱效率的參數(shù)？影響熱效率的參數(shù)？ 4121414321HHHHHHHHHHs654321TsT654321 1 2優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： ，有利于汽機(jī)有利于汽機(jī)安全。安全。1Tt2x缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 對(duì)耐熱及強(qiáng)度要對(duì)耐熱及強(qiáng)度要求高，目前最高求高，目前最高初溫一般在初溫一般在550左右左右 汽機(jī)出口汽機(jī)出口尺寸

41、大尺寸大2vp1 , p2不變不變，t1sT654321 1 6 5 4 2t1 , p2不變不變，p1優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： ，汽輪機(jī)出口汽輪機(jī)出口尺寸小尺寸小1Tt2v缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 對(duì)強(qiáng)度要求高對(duì)強(qiáng)度要求高 不利于汽不利于汽輪機(jī)安全。一般輪機(jī)安全。一般要求出口干度大要求出口干度大于于0.85 0.882xsT654321 2優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 2Tt缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：受環(huán)境溫度限制，受環(huán)境溫度限制，現(xiàn)在大型機(jī)組現(xiàn)在大型機(jī)組p2為為0.00350.005MPa，相應(yīng)的飽和溫度約為相應(yīng)的飽和溫度約為27 33 ，已接近事，已接近事實(shí)上可能達(dá)到的最低實(shí)上可能達(dá)到的最低限度。冬天熱效率高限度。冬天熱效率高p1 , t1

42、不變不變，p2 4 3 學(xué)習(xí)Rankine蒸汽動(dòng)力循環(huán)的能量分析及其計(jì)算； 介紹了熱機(jī)效率的概念1211QQWQQ卡諾熱機(jī)的效率卡諾熱機(jī)的效率Rankine循環(huán)熱機(jī)效率及計(jì)算循環(huán)熱機(jī)效率及計(jì)算HLTTQW11 4121414321HHHHHHHHHH 提高Rankine熱機(jī)效率的措施高溫高溫 環(huán)境環(huán)境低溫低溫 環(huán)境環(huán)境蒸發(fā)器冷凝器膨脹機(jī)q0q2壓縮機(jī)1234T1T2TS1234循環(huán)的吸熱量循環(huán)的吸熱量q0=TL(S1-S4) 循環(huán)的放熱量循環(huán)的放熱量 q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4) HqWS制冷劑完成一個(gè)循環(huán)制冷劑完成一個(gè)循環(huán) H0，凈功為，凈功為制冷系數(shù)制冷系數(shù) 021

43、4NiHLWqqqTTSS TLTHTS1234014LqSST0NqW 逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù) 逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無關(guān)。無關(guān)。在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最大。冷系數(shù)為最大。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。 14014LLcNHLHLTSSqTWTTSSTT 02NWqq 200NWqq 某蒸汽壓縮制冷過程某蒸汽壓縮制冷過程,制冷劑在制冷劑在250K吸收熱量吸收熱量QL,在在300K放出熱量放出熱量-QH, 壓縮和膨脹過程是絕熱的，向制冷機(jī)輸入的壓縮和膨脹過程是絕熱的，向制冷機(jī)輸入的凈功為凈功為WN，判斷下列情況是，判斷下列情況是 A可逆的可逆的 B 不可逆的不可逆的 C 不可能的不可能的 （1） QL =2000kJ WN=400kJ （2） QL=1000kJ QH=-1500kJ （3） WN=100kJ QH=-700kJ 2505300250 可可逆逆20005400LNQW （1） 可可逆逆該制冷過程是可逆的該制冷過程是可逆的 NLHWQQ （2） QL=1000kJ QH=-1500kJ 可可逆逆該制