第六章流动系统的热力学原理及应用

第六章流动系统的热力学原理及应用吴称意湖北民族学院化学与环境工程学院§6.1热力学第一定律一、热力学第一定律的实质能量在数量上是守恒。基本形式为：Δ(体系的能量)＋Δ(环境的能量)＝0或Δ(体系的能量)＝－Δ(环境的能量)体系的能量的增加等于环境的能量的减少。二、能量平衡方程1、一般形式WsQZ1Z2δm1P1V1u1U1δm2P2V2u2U2进入体系的能量－离开体系的能量=体系积累的能量式中：E－单位质量流体的总能量，它包含有热力学能、动能和位能。gZuUE22mEdmVpmEWQmVpmES2222211111PV—流动功，表示单位质量流体对环境或环境对流体所作的功功＝力*距离＝P*S*V/A=PVP1V1—输入流动功，环境对体系作功P2V2—输出流动功，体系对环境作功。Ws—单位流体通过系统时所作的轴功？？21,PPrevsVdPW对于可逆轴功轴功：流体流经设备的运动机构时通过轴传递的功。证明：对于可逆总功sVVrevWVPVPPdVW11222111221122VPVPPdVVPVPWWrevs11222211)(VPVPPVdVdppdVpVdVPVPVdppdVVPVP1122VdPWs所以能量平衡方程一般形式代入上式得gZuUE22将)]2([)2()2(222222221111211gZuUmdWQmVpgZuUmVpgZuUS考虑到H=U+PV，则)]2([)2()2(22222211211gZuUmdWQmgZuHmgZuHs能量平衡方程适合任意系统mEdmVpmEWQmVpmES22222111112、能量平衡方程的应用（1）封闭系统：无质量交换，限定质量体系δm1=δm2=dm=0且封闭体系不存在流动功δWs=δW，所以有0)2(2ud0gZd若忽略动能、位能的变化，即)]2([2gZuUmdWQSmdUWQ积分形式：UWQ封闭系统能量平衡方程（2）稳定流动系统稳定流动过程，表现在流动过程中系统内(1)每点状态不随时间变化可得到稳流系统的一般能量平衡方程为(2)没有质量和能量的积累δm1=δm2dm=0sWQZguH2210)2(2ud0gZd若忽略动能、位能的变化，即HWQs稳定流动系统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0212u0ZgsWQH②对化工设备类：如反应器，换热器，阀门、管道等0Zg0212u且Ws=0这个式子的物理意义表现在：体系状态变化，如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓差。体系状态变化，如反应热相变热显热化学反应相变化温度变化QHQH③对化工机器的绝热过程当体系在绝热情况下，与环境进行功的交换时0Zg0212uQ=0HWs◆此式说明了在绝热情况下，当动能和位能的变化相对很小时，体系与环境交换的功量等于体系焓的减少。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流体通过喷嘴速度很快来不及换热，可视为绝热过程，Q=0221uH§6.2热力学第二定律和熵平衡一、热力学第二定律常见的两种表述：1、克劳修斯说法：热不可能从自动从低温物体传给高温物体。2、开尔文说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不引起其它变化。◆热量传递的方向和限度高温低温自发非自发限度：ΔT=0◆热功转化的方向热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决功热100%自发100%非自发实质：规定过程进行的方向和限度自发过程都是不可逆的。自发过程：不消耗功非自发过程：消耗功可进行的过程卡诺定律：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，以可逆热机效率最高。卡诺循环：高温热源（恒TH）低温热源（恒TL）工质从高温热源TH吸收热量，部分转化为功，其余排至低温热源TL。THTLQHQLW二、熵及熵增原理工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。卡诺循环由四个过程组成：可逆等温膨胀可逆绝热膨胀可逆等温压缩可逆绝热压缩TSPV123412QHQH4QL3WWQL◆工质吸热温度大于工质排热温度，产功过程。热效率:HLHSTTQW1注意以下几点：1＜11实际不可能或0LHTT若使(1)(2)η=f(TH，TL),若使η↑，则TH↑,TL↓工程上采用高温高压，提高TH，但又受到材质影响。(3)若TH=TL，η=0,W=0这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。(4)卡诺循环，η可逆最大，相同TH,TL无论经过何种过程，η可逆是相同的，实际热机只能接近，不能达到。2、熵的定义熵定义为可逆热温熵，表达式：TQdSrev熵的微观物理意义：是系统的混乱程度大小的度量。3、热力学第二定律的数学表达式对可逆过程：TQdS可逆对不可逆过程：TQdS不可逆TQdS＞不可逆＝可逆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，不可逆可逆SS◆对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温熵积分进行熵变计算．4、熵增原理对于孤立体系（或绝热体系）0QTQdS0dS由＜0不可能进行的过程＞0不可逆过程0tS＝0可逆过程0tS熵增原理表达式结论：自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程；同时满足热力学第和第二定律的过程，实际当中才能实现，违背其中任一定律，其过程就不可能实现。0SSSt总熵变为0tS自发进行的限度0tS自发进行的方向熵增原理：自发进行的不可逆过程只能向着总熵增加的方向进行，最终趋向平衡状态。此时总熵变达到最大值，即达到了过程的终点。三、封闭系统的熵平衡根据热力学第二定律TQdS若写成等式，则gdSTQdS其积分形式为gSTQS21封闭系统的熵平衡方程熵产生熵产生：在不可逆过程中，有序的能量耗散为无序的热能（如摩擦等），并为系统吸收而导致系统熵的增加，这部分熵常称为熵产生。◆熵产生是因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关，属于内因熵变，是由于体系内部不可逆性而引起的熵变化。四、稳定流动系统的熵平衡将容量性质衡算通式用于熵，得:物流流入iiiSm物流流出jjjSmTQgS积累产生出入SSTQSSii物料热量熵携带者。功与熵变化无直接关系，功不携带熵敞开系统熵平衡方程为：jjjiiigfSmSmSSS物料携带的熵：miSi21TQSTQdSff或热流携带的熵：熵流：由热量流入或流出系统引起的相应的熵变（1）对于稳定流动系统：0S0ijjiiigfSmSmSS◆结论：•熵产生可以用作判断过程方向的准则＜0时，体系内部的过程不自发。＞0时，体系内部的过程不可逆或自发；＝0时，体系内部的过程可逆或平衡；gS代入熵平衡方程中gtSS可逆过程00SgtS不可逆过程00SgtS（2）对孤立体系：因与环境没有物质和能量交换00jjjiiifSmSmS因◆稳定流动系统熵平衡方程的特殊形式绝热过程0TQSf可逆过程0gSjjjiiigSmSmS00jjjiiifSmSmS绝热可逆过程00fgSS，jjjiiiSmSm绝热节流过程0,fjiSmmm0SmSSSmSgijg•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。目前进行化工过程热力学分析的方法大致有两种：§6.3有效能与过程的热力学分析一、理想功1、定义：体系以可逆方式完成一定的状态变化，理论上可产生的最大功(对产功过程)，或者理论上必须消耗的最小功(消耗过程)，称为理想功。Wmax(Wmin)完全可逆体系以状态1状态2要注意:完全可逆状态变化可逆；传热可逆(物系与环境)2、流动过程理想功的计算式对于稳流过程，热力学第一律表达式为：SWQZguH221忽略动，势能变化SWQH因过程可逆STQ0STHWid0稳流过程理想功计算式注意点：上式忽略了进出口的动能，势能的变化。完整的表达式为：ZguSTHWid2021体系经历一个稳流过程，状态发生变化，即可计算其理想功，理想功的值决定于体系的始、终态与环境温度，而与实际变化途径无关。结论：体系发生状态变化的每一个实际过程都有其对应的理想功。理想功决定于体系的始、终态和环境状态，与过程无关；例题6-2求298K、0.1013MPa的水，变成273K、同压力下冰的理想功。设环境温度分别是（a）25℃；（b）-5℃。已知273K时冰的熔化焓为334.7kJ·kg-1二、损失功WL•1、定义：系统在相同的变化过程中，实际过程所作的功（产生或消耗）与完全可逆过程所作的理想功之差。•数学式：idsL对稳流体系STHWid0QHWStLSTSTSTW000000STQ又因为对于环境损失功由两部分组成：一是由过程的不可逆性而引起的熵增加造成的，二是由过程热损失造成的。QSTWL0所以结论：0tS0LW（3）可逆过程tSLW（1）有关与0TLW（2）有关与0tS0LW实际过程sidWW1idsWW对作功过程：sidWW1sidWW对耗功过程：三、有效能•（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：•1）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。•2）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）。•3）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•（1）定义：系统从任意状态(T，P)变到基态(T0，P0)时的有用功。•无效能：理论上不能转化为有用功的能量。•（2）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％的有效能是末态为基态的理想功（二）有效能的计算•1.环境和环境状态•（1）环境：一般指恒T、P、x下，庞大静止体系。如大气、海洋、地壳等。•（2）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•（1）物理有效能：物系由于Ｔ、Ｐ与环境不同所具有的有效能。•（2）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。如化学结构、浓度等不同。3.稳流物系的有效能对于稳定流动体系，由状态1到状态2，过程的理想功为STHWid0稳流物系从状态1状态2所引起的有效能变化为：SSTHH000idWB000SSTHHB稳流系统的有效能计算式1201212SSTHHBBB（三）理想功与有效能的区别与联系理想功：Wid＝ΔH－T0ΔS＝(H2－H1)－T0(S2－S1)•有效能：B＝T0(S0－S)－(H0－H)•有效能与理想功的区别主要表现在两个方面•（1）终态不一定相同Wid：终态不定B：终态一定（为环境状态）（2）研究对象不同•Wid：是对两个状态而言