Chapter4

化工過程的能量分析結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁進行化工過程能量分析的理論基礎是:

熱力學第一定律熱力學第二定律“物化”課程:封閉系統化工生產:敞開體系Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess熱力學是研究能量的科學，用熱力學的觀點、方法來指導能量的合理使用已成為現代熱力學一大任務。結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁[教學目的]學習能量分析的原理和方法。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁[教學內容]4.1

能量平衡方程---熱力學第一定律4.2

熱力學第二定律—熱功轉化4.3熵與熵平衡4.4

理想功和損失功4.5

有效能及其計算4.6

有效能衡算及有效能效率4.7

有效能分析法及其應用

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁[教學要求]正確理解并熟練應用流動過程熱力學第一定律的數學表達式；正確理解并熟練掌握熱力學第二定律的數學表達式，了解熱功轉換的方向和限度；掌握熵變的計算，并運用熵增原理判斷實際過程進行的方向和限度；正確理解并熟練掌握理想功和損失功的定義及其應用；正確理解并熟練應用有效能、有效能的衡算及其應用。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.1能量平衡方程---熱力學第一定律4.1.1能量平衡方程4.1.2封閉體系的能量平衡方程4.1.3穩態流動體系的能量平衡方程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁物質的能量可分為兩大類：系統蓄積的能量，如動能、勢能、壓強能和內能，它們都是系統狀態的函數。系統和環境傳遞的能量，常見有功和熱量，它們是兩種本質不同且與過程傳遞方式有關的能量形式。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱力學第一定律（即能量轉化和守恒原理）體系在過程前后的能量變換ΔE應與體系在該過程中傳遞的熱量Q與功W相等：體系吸熱為正值，放熱為負值；體系得功為正值，對環境做功為負值。4.1.1能量平衡方程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.1.2封閉體系的能量平衡方程在閉系非流動過程中的熱力學第一定律數學表達式為：

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.1.3

穩態流動體系的能量平衡方程穩態流動是指流體流動途徑中所有各點的狀況都不隨時間而變化，系統中沒有物料和能量的積累。穩態流動系統的能量平衡關系式為：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁單位質量的流體帶入、帶出能量的形式為動能(u2/2)，勢能(gz)和熱力學能(U)。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess系統與環境交換功W由兩部分組成：軸功流動功結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁穩態流動系統的能量平衡關系可寫為：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess穩定流動系統的熱力學第一定律表達式單位質量流體！結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁可逆條件下的軸功對于液體，在積分時一般可將V當作常數。對于氣體怎么辦？理想氣體等溫過程左式只適用與理想氣體等溫過程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁一些常見的屬于穩流體系的裝置噴嘴擴壓管節流閥透平機壓縮機混合裝置換熱裝置Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁換熱設備整個換熱設備與環境交換的熱量可以忽略不計，換熱設備內部兩股物流存在熱量交換。換熱設備的能量平衡方程與混合設備的能量平衡方程相同，但物流之間不發生混合。

mA和mB分別為流體A和流體B的質量流量Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁例5-1

30℃的空氣，以5m/s的流速流過一垂直安裝的熱交換器，被加熱到150℃，若換熱器進出口管直徑相等，忽略空氣流過換熱器的壓降，換熱器高度為3m，空氣Cp=1.005kJ(kgK)，求50kg空氣從換熱器吸收的熱量解將空氣當作理想氣體，并忽略壓降時Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁換熱器的動能變化和位能變化可以忽略不計Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁透平機和壓縮機透平機是借助流體的減壓和降溫過程來產出功

壓縮機可以提高流體的壓力，但是要消耗功

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁透平機和壓縮機是否存在軸功?是!是否和環境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?不變化或者可以忽略動能是否變化？通常可以忽略Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁節流閥ThrottlingValve理想氣體通過節流閥溫度不變Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁是否存在軸功?否是否和環境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?否動能是否變化?通常可以忽略Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁混合設備混合兩種或多種流體是很常見。混合器Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁混合設備是否存在軸功?否是否和環境交換熱量?通常可以忽略位能是否變化?否動能是否變化?否Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁當不只一個輸入物流或（和）輸出物流時

Hi為單位質量第i股輸出物流的焓值，xi為第i股輸出物流占整個輸出物流的質量分數。

Hj為單位質量第j股輸入物流的焓值，xj為第j股輸入物流占整個輸入物流的質量分數。為一股物流的質量流量為總質量流量Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁

132混合器Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁管路和流體輸送穩態流動模型通常是一個不錯的近似通過泵得到軸功位能變化泵水Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁是否存在軸功?有時存在是否和環境交換熱量?通常是位能是否變化?有時變化動能是否變化?通常不變化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Bernoulli方程

實際流體的流動過程存在摩擦損耗，意味機械能轉變為熱力學能，有摩擦損耗對于無熱、無軸功交換、不可壓縮流體的穩流過程Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于非粘性流體或簡化的理想情況，可忽略摩擦損耗，則Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.2

熱力學第二定律—熱功轉化

可逆過程：沒有摩擦，推動力無限小，因此過程進行無限慢，體系內部均勻一致，處于熱力學平衡；對產功的可逆過程，產功最大；對耗功的可逆過程，耗功最小；逆向進行時，體系恢復始態，環境不留下任何痕跡，也就是沒有功熱得失及狀態變化。

不可逆過程：有摩擦，過程進行有一定速度，體系內部不均勻（有擾動、渦流等現象），逆向進行時體系恢復始態，環境留下痕跡，如果與相同始、終態的可逆過程相比較，產功小于可逆過程，耗功大于可逆過程。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱功轉換的方向熱功轉換的方向性是指功可以完全轉化為熱，而熱只能部分轉化為功。之所以有此結果，是由于熱是無序能量，而功是有序能量，自然界都遵循這樣一個規律：有序運動可以自發轉變為無序運動，而無序運動不能自發轉變為有序運動。熱量傳遞的方向與限度熱量傳遞的方向性是指高溫物體可自發向低溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必須消耗功。熱量傳遞的限度是溫度達到一致，不存在溫差。熱功轉換的限度——卡諾循環卡諾循環是熱力學的基本循環，它由四個可逆過程完成一個工作循環，卡諾循環解決了工質從高溫熱源吸收的熱量轉換為功的最大限度。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱力學第二定律

克勞修斯說法：熱不可能自動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為有用的功而不引起其他變化。

熱力學第二定律說明過程按照特定方向，而不是按照任意方向進行。

自然界中的物理過程能夠自發地向平衡方向進行。我們可以使這些過程按照相反方向進行，但是需要消耗功。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4個過程①可逆等溫膨脹1→2

工作介質蒸發，吸熱QH

②可逆絕熱膨脹2→3做功WC

③可逆等溫冷凝3→4

工作介質冷凝放熱QL

④可逆絕熱壓縮4→1

對液體做功（可忽略）Carnot循環（正熱力循環，產功）結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁卡諾循環分兩種情況：正卡諾循環和逆卡諾循環。正卡諾循環是指工質吸熱溫度高于排熱溫度，是產功過程；（熱電廠、蒸汽機）逆卡諾循環是指吸熱溫度低于排熱溫度，是耗功過程。（空調、冰機、熱泵）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熱機的熱效率高溫熱源

TH低溫熱源TL卡諾循環的結果是熱部分地轉化為功，其經濟性用熱效率來評價。熱效率的物理意義為工質從高溫熱源吸收的熱量轉化為凈功的比率。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter3Thermodynamicproperties結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴，欲使，則需或，這在實際當中是不可能的，也說明了熱不能完全轉化為功；⑵，欲使效率增大，需要TH升高，TL降低，工程上采用高溫高壓，提高吸熱溫度TH，但要受到材質的影響。說明：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁卡諾循環在歷史上首先奠定了熱力學第二定律的基本概念，對如何提高各種熱機的效率指明了方向。意義：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.3

熵與熵平衡4.3.1熵與熵增原理熵定義，由卡諾效率推導出熵是狀態函數：

注意：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熵增原理等號用于可逆過程，不等號用于不可逆過程。孤立體系

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴自然界一切自發進行的過程都是熵增大的過程；⑵自發過程進行的限度：⑶總熵變：

⑷只有同時滿足熱力學第一定律和熱力學第二定律的過程在實際當中才能實現。結論：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熵函數既是狀態函數，又是容量性質，因此熵也可以按容量性質進行衡算，對于敞開體系，選定某一限定容積作為研究體系：4.3.2

熵平衡入出Q1Q2將容量性質衡算通式用于熵，得Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁體系的熵有兩大載體：物料和熱量，功與熵變化無關，因此功不攜帶熵。物料攜帶的熵=熱流攜帶的熵=Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess于是：結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess絕熱過程：結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁當排除外因引起的熵變后，只要體系內部發生不可逆變化，就會有熵產生。因此，熵產生就其物理意義來講是由于體系內部的不可逆性引起的熵變化。這樣就可以用熵產生作為判斷過程方向的準則。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess意義：當>0時，體系內部的過程不可逆或自發；當=0時，體系內部的過程可逆或平衡；當<0時，體系內部的過程不自發。熵產生：是由于體系一系列的不可逆變化引起的，它反映了體系的不可逆程度。結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁可逆過程：穩流過程：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁封閉過程：

熵產生是判斷過程方向和限度的另一種方法，當環境的熵變不易求取時，可以通過熵產生來進行過程方向的判斷。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁例4-2：有人聲稱發明了一種穩流裝置，1kg溫度為373K的飽和蒸汽通過此裝置時能向溫度為450K的高溫熱庫輸送1860kJ的熱量，同時自身冷卻為1atm、273K的冷卻水。用于冷卻蒸汽的天然水的溫度為273K。問此裝置是否可行？穩流裝置高溫熱庫450Kq1=1860KJ1Kg、1atm、273K的水h2=0，S2=0q0

冷卻水273K1Kg、373K的飽和蒸汽h1=2680KJ/Kg，S1=7.37KJ/Kg/K解：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁以一千克飽和蒸汽為計算基準：能量衡算飽和蒸汽

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本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁熵衡算穩流過程

即熵產生小于零，說明該過程不自發，也不可能。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.4

理想功和損失功以上討論熱力學的基本定律，如何利用這些定律來指導能量的合理使用呢？目前進行化工熱力學分析的方法大致有兩種：①損失功法：是以熱力學第一定律為基礎，與理想功進行比較，用熱效率評價。②有效能分析法：將熱力學第一定律，熱力學第二定律結合起來，對化工過程每一股物料進行分析，是用有效能效率評價。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁1）理想功定義：體系以可逆方式進行一定的狀態變化，理論上可能產生的（或消耗的）有用功，即理論上可產生的最大功或理論上必須消耗的最小功，稱為理想功Wid。也就是體系從狀態1完全可逆的變化到狀態2時的最大功或最小功。完全可逆是指：狀態變化可逆；傳熱可逆（物系與環境）。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁狀態變化可逆是指物系內部所有變化都是可逆的，若物系進行化學變化、相變化、膨脹、壓縮等過程都是在可逆條件下進行，過程的推動力無限小。傳熱可逆是指物系與環境間的換熱也必須是可逆的，這里的環境指的是我們周圍的大氣。由于環境熱容量大，因而環境可視為體系外的一個恒溫熱源。由此可見，理想功是一個極限值，任何實際過程的功都不可能高于（或低于）理想功。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）理想功的計算式①非流動體系理想功的計算式由熱力學第一定律若過程可逆，則

又Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁即式中：WR——體系對環境或環境對體系所作的可逆功。它包括理想功和抵抗大氣壓力P0所作的無法利用的功P0(V2-V1)。

所以Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁(1)理想功決定于體系的始、終狀態和環境的狀態，與過程無關；(2)體系發生狀態變化的每一個實際過程都有其對應的理想功；(3)理想功和可逆功并非同一概念，理想功是指可逆有用功，即可利用的功，但并不等于可逆功的全部，有些情況下可逆功不能利用，如：氣缸中活塞向大氣做功或大氣對活塞做功都不能利用，不能算有用功。結論：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁②流動過程理想功的計算對于穩流過程，熱力學第一定律表達式為忽略動能和勢能變化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess？結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁若可逆傳熱穩流過程理想功的定義式和計算式，由于是狀態函數，因此穩流過程理想功與途徑無關。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess注意⑴式（5-41）忽略了進出口的動能和勢能變化。完整的表達式為：⑵體系經歷一個穩流過程，狀態發生變化，即可計算其理想功，理想功的值決定于體系的始、終態與環境溫度T0，而與實際變化途徑無關。結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑶要區別可逆軸功與理想功這兩個概念。可逆功是系統在一定環境條件下完全可逆的進行狀態變化時所做的功。比較兩者的定義不難發現，雖然都經歷了完全可逆變化，但理想功是可逆的有用功，而可逆功僅指經歷變化時所做的功。對絕熱過程故對不作軸功的過程故實質上，可逆軸功僅考慮狀態變化所作的功，沒有考慮體系變化對環境的影響。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）損失功

定義：體系完成相同狀態變化時，理想功和實際功的差值，即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對穩流體系：又損失功由兩部分組成：一是由過程的不可逆性而引起的熵增加造成的，二是由過程熱損失造成的。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess可逆過程不可逆過程結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴增大，增大⑵升高，增大⑶可逆過程：

實際過程：結論：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁實際過程的能量利用情況可以通過損失功來衡量，也可以用熱力學效率來衡量。對產功過程：對耗功過程：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3）應用舉例

P115，例5-6P117，例5-7，5-8解:⑴查過熱水蒸汽表，內插求H1、S1：P1=1.57Mpa,T1=757K(484℃)

當P1’=1.5Mpa,T1’=T1,內插求H1’,S1’Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁當,內插內插Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁求終態熱力學性質可逆絕熱膨脹當對應的飽和蒸汽的熵為所以,狀態2為過熱蒸汽,查飽和蒸汽表Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁根據熱力學第一定律:由P2，H2查表內插得Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁求Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁例4-1：冬天室內外溫度分別為25℃和-15℃。欲將298K,0.10133MPa的水變成273K、同壓力下的冰，（1）將水放入冰箱；（2）直接放入室外，問哪種方法更合理？（已知0℃冰的熔解焓為334.7kJ/kg）解：忽略壓力對液體水的焓和熵的影響。查附錄的25℃和0℃水的焓和熵。根據溶解焓變，可以得到0℃冰的焓和熵：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁（1）在室內，環境溫度為25℃（2）在室外，環境溫度為-15℃當環境溫度低于冰點時，理想功為負值，說明當水變為冰時，不僅不需要消耗功，理論上還可以作功，很顯然，第二套方案更合理。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁

化工生產中的一切實際過程都是不可逆的！例如，各種傳質、傳熱過程，都存在流體阻力、熱阻、擴散阻力等。為了使過程得以進行，必須保持一定的推動力，如傳熱的溫度差、流體流動的壓力差、擴散的濃度差等。這樣，就使得系統內部產生內摩擦、混合、渦流等擾動現象，使一部分系統分子由有序的機械運動轉變為無序的熱運動，導致系統內部混亂程度增大，熵產生，總熵增加，因而實際過程不可避免地有損失功。應該注意的是，損失的這部分功本來是可以做功的，但由于實際過程的不可逆而使其無償地降解為熱。所以實際過程必然伴隨著能量的降級，因此，在實際生產過程中要盡量減少功的損失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.1

有效能的概念4.5.2

有效能的計算4.5.3

理想功與有效能的區別和聯系4.5.4

不可逆性和有效能損失4.5

有效能及其計算Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.1

有效能的概念1)

能量的分類按能量轉化為有用功的多少，可以把能量分為三類：⑴高(品）質能量：理論上能完全轉化為有用功的能量。如電能、機械能；⑵

僵態能量：理論上不能轉化為功的能量。如海水、地殼、環境狀態下的能量；⑶

低（品）質能量：能部分轉化為有用功的能量。如熱量和以熱量形式傳遞的能量。結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁在實際的能量傳遞和轉換過程中，能量可以轉化為功的程度，除了與能量的質量、體系所處的狀態有密切關系外，還與過程的性質有關，如果過程接近于可逆過程，其轉化為功的程度就大，否則就小。為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2)有效能（）⑴定義：一定形式的能量，可逆變化到給定環境狀態相平衡時，理論上所能做出的最大有用功。用B(Ex)表示無效能（）：理論上不能轉化為有用功的能量。用D(El)表示火用火無Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于穩流體系始態（H、S）→終態（T0、S0、H0）（環境狀態）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑵

能量的表達形式對高（品）質能量，由于能量能完全轉化為有用功，所以，能量=有效能對僵態能量，由于能量不能轉化為有用功，所以，僵態能量=無效能對低（品）質能量，由于能量部分地轉化為有用功，所以，能量一分為二：低質能量=有效能+無效能Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3)注意點⑴有效能和無效能的其它叫法AvailableEnergy,Exergy,Availability,UtilizableEnergy，可用能，資用能⑵功可以看作100%的有效能火用Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.2

有效能的計算1）環境和環境狀態⑴環境：一般指恒T、P、x下的龐大靜止體系，如大氣、海洋、地殼等。⑵環境狀態：熱力學物系與環境處于完全平衡時的狀態，常用T0、P0、H0、S0等表示。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3）熱量的有效能BQ

定義：物系傳遞的熱量，在給定的環境條件下，以可逆方式所能做出的最大有用功。2）物系的有效能物系的有效能一般分為兩種情況，一種是物理有效能，另一種是化學有效能。⑴物理有效能：物系由于T、P與環境(T0、P0)不同而具有的有效能。⑵化學有效能：物系在環境的T0、P0下，由于組成、結構、濃度等因素與環境不同而具有的有效能。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴恒溫熱源熱量的有效能有效能總能量無效能因為卡諾循環的熱效率為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑵變溫熱源熱量的有效能當熱量傳遞在變溫情況下進行時，我們就需要用下列式子進行計算：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁或用H、S值來計算Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4）壓力有效能

由第三章知即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對理想氣體Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁5）穩流物系的有效能B

穩定流動物系的有效能是指穩流物系從任意狀態（T，P，H，S）以可逆方式變化到環境狀態（T0，P0，H0，S0）時，所能做出的最大有用功。穩流物系從狀態1變化到狀態2所引起的有效能的變化為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.3

理想功與有效能的區別和聯系對穩流體系理想功和有效能的計算式分別為：理想功有效能Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁1）理想功與有效能的區別（1）終態不一定相同，理想功的終態不確定，而有效能的終態為環境狀態；（2）研究對象不同，理想功是對兩個狀態而言，可正可負，而有效能是對某一狀態而言，與環境有關，只為正值。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）理想功與有效能的聯系對狀態1

對狀態2有效能變化為H0、S0環境2（H2、S2）1（H1、S1）B2B1WidChapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁若物系對外作功若物系接受功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.5.4

不可逆性和有效能損失理想功是通過可逆過程來體現的，實際過程都是不可逆過程，不可逆過程由損失功和熱力學效率來體現；有效能反映的也是可逆過程的行為，實際過程的不可逆性要用有效能損失和有效能效率來衡量。下面我們就討論過程的不可逆性和有效能損失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁1）不可逆性熱力學第二定律認為自然界中一切過程都是具有方向性和不可逆性的。大于零時為不可逆過程，等于零時為可逆過程。有效能的變化也具有方向性和不可逆性。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁有效能的方向性和不可逆性表現在：（1）當過程可逆時，有效能不會向無效能轉變，有效能的總量保持不變；（2）當過程不可逆時，有效能將向無效能轉變，使有效能總量減少。

不可逆過程有效能的減少，就稱為有效能的損失。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁2）有效能損失D（El）（1）定義：不可逆過程中有效能的減少量稱為有效能損失。（2）計算式：

D（El）

=實際功-理想功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于穩流體系，若忽略動能、勢能的影響實際功理想功Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁又或Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁3）典型過程的有效能損失

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。高溫物體放出熱量的有效能為：

低溫物體吸收熱量的有效能為：Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁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。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁②穩流體系

對穩流體系，熱力學第一定律為：若忽略掉動能和勢能，即能量衡算式為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁對于管道流動，一般情況下，無熱交換，無軸功由前知Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴壓力降⑵穩流過程的有效能損失是由于阻力引起的(3)穩定流動過程要減少有效能損失，首先要考慮減少壓力降，但欲使壓力降減少，必然使流速降低，使設備費用增加。因此考慮能量的合理利用的同時，還要考慮設備材料費用的問題。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess討論：結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁③傳質過程對于敞開體系，體系與環境既有能量交換，又有質量傳遞有效能損失為Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑴有效能損失在任何不可逆過程中都是存在的；⑵有效能損失的大小與過程的推動力有關，推動力增大，則有效能損失增大。Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess注意：結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁（4）應用舉例P123，例5-10自看。例5-11

解：⑴求消耗1Kg水蒸氣能蒸發液態烴的量⑵液態烴有效能變化Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁液態烴318K氣態烴318K飽和蒸汽0.1965MPa冷卻水313KT0=293K,3.444MPa,318K下烴ΔHvap=293kJ/kg

ΔSvap=0.921kJ/(kg·K)

T=392.6K查表H氣=2706kJ/kg,S氣=7.133kJ/(kg·K)飽和水查表H水=167.4kJ/kg,S水=0.572kJ/(kg·K)Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁表明有效能增加⑶水蒸氣有效能變化表明1Kg水蒸氣供熱后冷凝為水，其有效能降低Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁⑷求損失功由此可見，有效能損失的計算，首先要計算出總熵變，總熵變求出來了，有效能損失也就很容易求出。

Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁4.6

有效能衡算及有效能效率1)

有效能平衡①有效能衡算式有效能衡算式，可由熱力學第一定律、第二定律推導出來，對于穩流體系

Q↓

狀態1（H1，S1）→穩流體系→狀態2（H2，S2）

WS↓Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁由熱力學第一定律（忽略了動能和勢能）（A）由熱力學第二定律，分兩種情況考慮（a）可逆過程有效能損失為（B）Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁（A）-（B），得對這個式子我們進行數學處理，得

即Chapter4EnergyAnalysisofChemicalprocess結束放映下一頁上一頁

本章首頁ChemicalEngineeringThermodynamics教程首頁所以