§6—5熱力學分析的三種方法定義：體系在一定狀態下具有的做功能力，它的大小等于該狀態可逆變化到與環境處于熱力學平衡的基準態的理想功。一、（

）與（

）

（I）、（有效能或可用能）當體系由任意狀態（P、T）變到基準態、（）時，其理想功的負值即，可寫成：為了表達體系處于某狀態的作功能力，必須確定基準態，，并定義在基準態下體系作功能力為零，任何一個與環境處于熱力學平衡的系統狀態稱為基準態。熱力學平衡包括不完全熱力學平衡完全熱力學平衡與環境成熱平衡和壓力平衡而未達到化學平衡體系和環境具有物理界限分隔，兩者相互不混和，也不發生化學反應，但體系的溫度和壓力與環境的溫度和壓力相等。不完全基準態物理與環境成熱平衡、壓力平衡、化學平衡(相平衡）完全基準態不完全基準態完全基準態化學通常，體系由不完全基準態到達完全基準，須經化學反應與物理擴散兩個過程。2、的組成（有四個主要組成部分）1）、動能能100%的轉化為功。2）、位能也能100%轉化為功。3）、物理能部分的轉化為功。4）、化學能部分的轉化為功。對于穩定流動過程，流體的由以上四個成分構成：3、物理的計算：從某狀態變到終態，當終態為環境狀態（基準態）時，則：H、S

是流體處于某狀態的焓和熵這是有效能的基本計算公式，它適用于各種物理的、化學的或兩者兼而有之的有效能計算。4、與理想功：區別：可看作理想功的特例。的終態是基準態

理想功的終態不確定

理想功是對兩個狀態而言，可正可負，而是對某一狀態而言，與環境有關，只為正值。聯系：某物系處于狀態1和狀態2的物理分別為：當體系從狀態1變到狀態2時，P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經穩流過程均變成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).5熱量的計算：定義：熱量相對于平衡環境態所具有的最大作功能力。恒溫變溫由卡諾熱機效率熱物體P，T自然環境P0,T0Q0EWsQH例試計算以下三種狀態下穩流過程水蒸氣的，設環境溫度為25℃。10.005.0010.00500500400[解]一般以25℃、0.10133MPa（1atm）液態水為基準態，但是為了查水蒸氣表方便起見，亦可取25℃、3.169kPa（飽和蒸汽壓）為基準，本例取后者。查附表3，按式（6—27）分別求出上述三種狀態的焓、熵與之值并列于下表：10.005.0010.0025500500400104.893373.73433.83096.40.36746.59666.98596.212001412.521359.591249.83例：設有壓力為1.013、6.868、8.611MPa的飽和蒸汽和1.013MPa，573K的過熱蒸汽，若這四種蒸汽經充分利用后，最后排出0.1013MPa，298K的水。試比較它們的火用和放出的熱，并討論蒸汽的合理利用。

P,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)EX/(H-H0)水0.10132980.3674104.8900飽和蒸汽1.0134536.5822772.1267181430.66過熱蒸汽1.0135737.133053294893431.68飽和蒸汽6.868557.25.82627752670104339.06飽和蒸汽8.6115735.78727832678109240.78分析：1）壓力相同（1.013MPa），過熱蒸汽的火用比飽和蒸汽大，所以其做功本領也大。2）溫度相同（573K）高壓蒸汽的作功本領比低壓蒸汽強。3）溫度相同（573K）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當，并可減少設備費用。4）放出的熱相同（557.5K和453K的飽和蒸汽），高溫高壓蒸汽的火用比低溫低壓蒸汽的高28.13%。結論：1）一般供熱用0.5~1.0MPa（150~1800C）的飽和蒸汽。2）高壓蒸汽（10MPa）用來做功。溫度在3500C以上的高溫熱能（如煙道氣），用來產生高壓蒸汽，以獲得動力能源。6、化學的計算：（A）波蘭學者斯蔡古特模型：一般規定環境溫度T0、環境壓力P0以及基準物的種類、狀態和組成。（B）日本學者龜山—吉田模型:其他元素以T0、P0下最穩定的化合物作為該元素的基準物，液體、固體的基準物濃度（摩爾分數）規定為1。化合物的標準摩爾化學應是組成化合物的單質標準摩爾化學之和減去生成反應過程的理想功。倘若環境溫度不為298.15K，則元素的化學應引入溫度修正系數(此值已列于附表5中）液體混合物:理想溶液非理想溶液理想氣體混合物：7、過程的不可逆性和損失一切生產實際過程都是不可逆過程,在不可逆過程中存在各種不可逆因素,例如各種傳遞過程和反應過程都存在著阻力,如流體阻力、熱阻、擴散阻力和化學反應阻力等。要使過程以一定的速度進行，就必須克服阻力，保持一定的推動力，必然會造成體系的損失。在不可逆過程中，有部分降級而不能變為有用功，這部分稱為無效能或恒溫熱源熱量：Q為總能量，為熱量，即：對于穩流過程：式中總能量為H，后一項為，當取時，為：總之，能量可分為和兩部分，其中是高級能量，是有用部分，可將其轉化為有用功，但要付出一定代價；而是僵態能量，不能轉化為有用功，節能的正確含義就是節。對環境而言，功的符號與體系相反。定義環境的增加等于體系對環境所作的實際功，因此即總的的損失（體系+環境）就等于損失功T0ΔSg

，實際過程中(不可逆過程）總能量守恒，但有效能降低，無效能增加根據能量守恒，的減少量應等于的增加量，即為損耗功。因此，對轉化為的量可以表示能量貶質的程度。用和的轉化表述第二定律為：1）、在一切不可逆過程中，轉化為。3）、由轉化為是不可能的。2）、只有可逆過程，才守恒。①傳熱過程傳熱過程在實際當中我們是經常碰到的，當兩種溫度不同的物質接觸時，熱量就會從高溫物體向低溫物體傳遞，傳熱過程中有效能的損失是存在的，它是由于存在溫差而造成的。低溫物體吸收的熱量的有效能為：高溫物體放出的熱量的有效能為：有效能損失為由此可以看出：傳熱過程有效能損失是存在的，溫差越大，則有效能損失越大。欲使有效能損失減少，需減小溫差，因此，實際工業生產中，在滿足工藝條件下，要盡量減小溫差。②穩流體系u2≈0，gZ≈0，Q=0；Ws=0對于管道流動，一般情況下，無熱交換無軸功H=0結論：⑴EL∝dP壓力降⑵穩流過程的有效能損失是由于阻力引起的（1）能量損失損失2、兩種效率——第一定律效率和第二定律效率。效率：（1）、第一定律效率以熱力學第一定律為基礎，用于確定過程總能量的利用率。定義：（2）外部損失：體系向環境排出的能量中所包含的損失。內部損失：由體系內部各種不可逆因素造成的損失。二、兩種損失和兩種效率1、兩種損失：可以是能量，能量差或能流。、第一定律效率在不同的過程中，形式不同。a、用于蒸汽動力循環，收益是得到的軸功，消耗的是熱量，比例系數是熱效率：b、用于蒸汽壓縮制冷上，系數為制冷系數：c、用于吸收式制冷循環，系數為熱力系數：d、用于熱泵，系數為制熱系數：e、傳熱過程：熱效率：優點：簡單。缺點：

它只反映過程所需要的能量的數量上的利用情況，卻不反映不同質的能量的利用情況，即沒有反映的利用情況。它不能作為衡量過程熱力學完善性的指標。如：傳熱過程：熱效率：僅決定于，若，，很顯然，沒有計入傳熱過程不可逆因素即傳熱溫差造成的損失，（2）、第二定律效率以第一、第二定律為基礎，用于確定過程的利用率。定義：式中，可以是火用，也可以是差或流。、定義：輸出的與輸入的之比1）、普遍效率包括物流、熱流、功流式中：——輸出的總的量——輸入的總的量衡算顯然：要求普遍效率，必須對進入體系的進行衡算。當即無損失，有損失當，（2）、熱力學效率：產功：耗功：傳熱：所以，上式寫成：由此可見：與相差越大，則越小，的利用率低。完善性的量度。因此，第二定律效率反映了的利用率。是衡量過程熱力學對于可逆過程：，則；不可逆過程：，。三、熱力學分析的基本方法匯總：1、能量衡算法：

實質：通過物料與能量的衡算。確定過程的進出的能量。求出能量利用率。應用熱力學第一定律：（能量守恒）內容：

①、物料衡算和能量衡算：一般由單體設備到整個體系。②、求總的輸入的能量。

③、求被利用的能量。④、求。⑤、分析結果找到能量損失的原因。如果僅從能量的收益和付出的差別找節能方法，找出改進的途徑，應用此方法較多，但此方法的不足在于：①、熱力學第一定律方程說明各種能量可以互相轉化，但從第一定律效率（各種系數等）上看，、、、熱轉化為功是有限的。方程將熱、功寫在一起，并沒有指出各種能量轉化的方向和限度。②、能量衡算法只反映了能量數量的關系，沒有反映能量品位的高低。③、熱效率、制冷系數。制熱系數是兩個不同品位能量之比，所以比例系數計算中不同品位能量作比較是不合理的。④、此方法只能反映能量的損失，但不能指出能量損失的原因，由熱力學第一定律計算結果可能造成制定出舍本求末的節能措施。2、熵分析法：實質：通過求熵產生：。確定內容：①、物料和能量衡算。損失和熱力學效率。②、對整個體系求理想功，熵產生及損耗功。節能的部位），計算熱力學效率。③、分別計算每臺設備的理想功及、（以便找到④、分析計算結果，找出損耗功的最大部位，造成損耗功大的原因，確定改進方向。優點：可以指出：大的地方能量消耗多，需要改進的是大的部位。缺點：能量有高、低、僵態能量之分，即不同，但究竟哪種是有效的能量，有多大，此方法不能具體指出。3、分析法：內容：①、選擇計算基準，確定體系輸入和輸出物流量——物料衡算熱流量功流量能量衡算實質：通過衡算方程求損失（損耗功）②、確定體系由各狀態點的參數，計算物流。（動能位能物理化學、、、）熱量功流、。③、作衡算。利用衡算方程，確定損失（整個體系；每臺設備）的衡算，確定效率。

④、列表或畫圖分析計算結果。如圖為開系穩流過程平衡示意圖，（1）、穩流體系衡算方程：敞開體系物流入物流出控制體為可逆過程：，是守恒的。輸入=輸入平衡方程為：控制體為不可逆體系：，有損失，平衡方程為：輸入>輸出損耗功即為內部損失。效率：輸出輸入（2）、定組成穩流體系，衡算方程的簡化：對于組成穩流過程，化學不變，上式適用于無化學變化的各種物理過程，在具體應用時可以進行簡化。①、當動能、位能比其它項小得多時，可忽略不計（一般化工過程流速、位高變化不大）上式寫成：

②、絕熱。有功交換過程——絕熱壓縮\絕熱膨脹過程。對于單個設備，為開系的1種物流值變化。③、有熱交換，無功交換過程，④、絕熱，無功交換過程，⑤、循環過程，若體系內僅包括循環工質，則即循環過程動、位能、物理不變，只剩下熱流和功流。（3）、有化學反應或組成變化的穩流過程此時只有化學和物理變化。和濃度變化）式中包括物理變化和化學變化（包括狀態4、三種熱力學分析方法的比較（1）、計算工作量：能量衡算法最少；熵分析法最大；分析法居中

（2）、從計算結果得到的信息量：能量衡算法最少，只能

求出能量的排出損失；分析法最大，通過對每一個效的節能措施。物流的分析，還能得到各部能量的級，找到過程損失的大小，原因和的分布情況，從而制定有（3）、三種分析法適用場合。如果一個體系，只是為了利用熱能（采暖、工業用加熱爐等）可以只用能量衡算法。對既有熱交換，又有功交換的定組成體系，最好用熵分析法。對既有熱交換，又有功的變組成體系。用分析法。例設有合成氨廠二段爐出口高溫轉化氣余熱利用裝置，見圖，轉化氣進入廢熱鍋爐的溫度為1000℃，離開時為380℃,其流量為5160Nm3/t，可以忽略降溫過程中壓力變化。廢熱鍋爐產生4MPa、430℃的過熱蒸汽，蒸汽通過透平作功。離開透平乏汽的壓力為0.01235MPa，其干度為0.9853。轉化氣在有關溫度范圍的平均等壓熱容為36kJ·kmol-1·K-1。乏汽進入冷凝器用30℃的冷卻水冷凝，冷凝水用水泵打入鍋爐進入鍋爐的水溫為50℃，試用能量衡算法計算此余熱利用裝置的熱效率。4?3?1?泵透平廢熱鍋爐?2?65冷凝器87冷卻水冷卻水解：根據水蒸氣表和已知狀態點參數，查得各狀態點有關參數為：狀態點壓力/MPa溫度/°Ch/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-110.0123550209.330.7038024.0004303283.66.869430.01235502557.07.967940.0123550209.330.7038070.1013330125.790.43690以1噸氨為計算基準，忽略有關設備的熱損失和水泵消耗功。（1）求產汽量G對廢熱鍋爐進行能量衡算，忽略熱損失，水汽化吸熱：（2）計算透平作功對透平機進行能量衡算，忽略熱損失，則有：（3）計算冷卻水吸收熱對冷凝器進行能量衡算，忽略熱損失，則有：（4）計算熱效率轉化氣余熱回收裝置能量衡算表輸入/kJ·（tNH3）-1%輸出/kJ·（tNH3）-1%高溫氣余熱5.1416106100透平作功1.215210623.63冷卻水帶熱3.926210676.37合計5.14161061005.1416106100.002、熵分析法：通過計算不可過程的熵產生量，確定過程的有效能損失和熱力學效率。即以第一定律和第二定律為基礎，通過物料和能量衡算，計算理想功和損失功，求出過程的熱力學效率。轉化氣余熱利用裝置透平1?4?3??泵廢熱鍋爐冷凝器2????6587冷卻水冷卻水解：以每噸氨為計算基準（2）轉化氣降溫過程的理想功（1）由物料和能量衡算和前例得：（3）計算有效能損失即損耗功，以整個裝置為體系，忽略熱損失。每個設備的損耗功也可分別計算：（4）整個裝置的熱力學效率（5）單個設備的的熱力學效率廢熱鍋爐：透平機：冷凝器：項目輸入/kJ·（tNH3）-1%輸出/kJ·（tNH3）-1%理想功3.464106100輸出功WS1.215210635.1損耗功1.44710641.80.556710616.10.24521067.1小計2.24910664.9合計3.4641061005.1416106100.00損失分布單體設備熱力學效率/kJ·（tNH3）-1%廢熱鍋爐0.5821.44710664.3透平機0.6860.566710624.8冷凝器00.245210610.9合計2.249106100熵分析法特點：優點：能正確指出有效能損失的薄弱環節，指明正確的節能方向。缺點：只能求出體系內部不可逆有效能損失，無法計算排出體系的物流有效能。3、有效能分析法：通過有效能平衡確定過程的有效能損失、有效能效率。分析步驟：C、用有效能平衡確定有效能損失B、計算物流有效能和熱有效能A、確定出入體系各物流量、熱流量和功流量以及各物流的狀態參數；D、確定有效能效率敞開體系討論：（1）可逆過程：體系內部沒有有效能損失，損耗功為0，，則有效能守恒。（2）不可逆過程：有效能不守恒。用于確定體系內部有效能損失WL由穩流過程恒組成穩流有：則有：簡化：A、大多數化工過程速度和高度變化很小B、有功交換的絕熱過程——壓縮機、透平機、膨脹機、鼓風機、泵等。單位設備：C、有熱交換無功交換——換熱器、混合器等E、絕熱無功交換——節流閥F、循環過程解：以每噸氨為計算基準（1）物料衡算和能量衡算見例6-16（2）計算各物流物理有效能，環境條件取序號狀態壓力/MPa溫度/℃h/kJ·kg-1s/kJ·kg-1·K-1eX/kJ·kg-11液態水0.0123550209.330.703802.6992過熱蒸汽4.0004303283.66.869412093濕蒸汽0.01235502557.07.9679149.34飽和水0.0123550209.330.70382.6990基準態水0.1013330125.790.43690轉化氣的物理有效能計算：（3）計算總有效能損失以整個裝置為體系忽略各設備熱損失，，冷卻水所攜帶有效能很難利用，可