化工节能与过程热集成-第二章new.

1化工节能与过程热集成常州大学石油化工学院刘英杰13685284769第二章节能的热力学能量：内能是物质内部一切微观粒子所具有的能量的总和。热力学定律：热力学第一定律：能量转换与守恒定律热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化，揭示能量“质”的属性热力学第三定律：0K时纯物质完美晶体的熵等于零节能的实质：防止和减少能量贬值现象的发生第二章节能的热力学2.1基本概念2.1.1.热力系统（系统）热力系统（系统）：相互作用的物体中取出的研究对象。系统的边界：系统与外界的分界面固定的、移动的、真实的、假想的能量交换：热和功物质交换：物质的流进和流出，伴随着能量的交换开口系统（流动系统）：有物质交换和能量交换闭口系统：无物质交换孤立系统：无物质交换和能量交换绝热系统：无热量交换第二章节能的热力学2.1.2.平衡状态热力状态（状态）：某一瞬间的宏观物理状况平衡状态：在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态，如温度、压力、组成等满足力平衡、热平衡和化学平衡的状态（不存在不平衡势）稳定状态？第二章节能的热力学2.1.3.状态参数和状态方程式状态参数：描述系统宏观状态的物理量，是状态的单值函数强度量（强度性质）：压力P、温度T、组成x等；不可加量广延量（容量性质）：容积V、内能U、焓H、熵S等；可加量广延量/质量转变为强度量(1)温度温标：衡量温度的标尺t（摄氏温度）=T（热力学温度，开尔文温度，或称绝对温度）–273.15第二章节能的热力学(2)比容和密度比容：单位质量物质所占有的容积m3/kg密度：比容的倒数m3/kg(3)压力单位：工程大气压（at）1at=1kgf/cm2标准大气压(atm）1atm=760mmHg测量仪器：差压计（压力表或真空表）表压(Pg)=绝对压力(P)-大气压(P0)真空度(Pv)=大气压(P0)-绝对压力(P)真空度(Pv)=-表压(Pg)单位质量mVvvVm1第二章节能的热力学状态公理：对于组成一定的物质系统若存在n种可逆功（系统进行可逆过程时和外界所交换的功量）的作用，则决定该系统平衡态的独立状态参数有n+1个。简单可压缩系统：与外界交换功量的模式中只有容积功的系统物质的状态方程式：F(p,v,T)=0第二章节能的热力学2.1.4.功和热量功（W)：系统对外界的单一效果归结为提升一个重物，则说系统作了功。系统对外做功为正，得到功为负。热量(Q)：由于温差引起的，系统与外界之间发生的能量转移。系统吸热为正，放热为负。第二章节能的热力学2.1.5.可逆过程耗散效应：使功变为热的效应。非平衡损失：有限温差下的传热过程有限压差混合过程（化学势差）可逆过程是理想化的极限过程，可以作出最大的功或消耗最少的功，为评价实际能量转换过程提供了理想的标准。第二章节能的热力学2.2能量与热力学第一定律输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存能量的变化宏观动能：mc2/2宏观位能：mgz系统内部的微观能量（内能）：U第二章节能的热力学2.2.1.闭口系统能量恒算式Q=ΔU+W对单位质量q=Δu+w对微元过程δq=du+δw第二章节能的热力学2.2.2.稳定流动开口系统能量衡算物质流转移到系统的能量为：δm1δm2δQδWδm(u+pv+c2/2+gz)=δm(h+c2/2+gz)h=u+pvH=U+pV第二章节能的热力学2.2.2.稳定流动开口系统能量衡算开口系统的能量衡算式为：δm1δm2δQδWdU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)δQ=δm2(h2+c22/2+gz2)–δm1(h1+c12/2+gz1)+δW+dU第二章节能的热力学稳定流动：空间各点参数不随时间变化的流动过程（1）热和功的交换不随时间而变；（2）物质交换不随时间而变；（3）进、出口截面参数不随时间而变dU=δQ–δW+δm1(h1+c12/2+gz1)–δm2(h2+c22/2+gz2)dU=0，δm1=δm2Q=ΔH+mΔc2/2+mgΔz+WQ=Σoutmi(h+c2/2+gz)i–Σinmi(h+c2/2+gz)i+W第二章节能的热力学2.3火用与热力学第二定律2.3.1.热力学第二定律的几种表述热力学第一定律指出了能量的同一性，“量”的属性；不能解释“质”的属性如：功和热，高温热与低温热；热力学第二定律指出了能量的“质”的属性，说明过程进行的方向、条件及限制。开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不产生其他影响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。第二章节能的热力学TS12卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。热效率：ηc=1-T2/T1第二章节能的热力学结论：提高热效应的根本途径：提高热源温度、降低冷源温度以及尽可能减少不可逆因素。热效率：ηc=1-T2/T1最大有用功（以环境温度为限）：W=Q(1-T0/T1)第二章节能的热力学2.3.2熵的概念和孤立系统熵增原理•熵流：由于热流引起的熵的变化•熵产：由于系统内部和外部的不可逆性引起系统熵的变化•孤立系统或绝热系统的熵可以增大，或保持不变，但不可能减少（热力学第二定律的另一种表述）•不可逆性引起的做功能力损失为：孤立STEL0第二章节能的热力学2.3.3热力学第二定律的熵衡算方程式•适用于任何系统的熵衡算方程式：进入系统的熵+不可逆性引起的熵产量=离开系统的熵+系统熵的变化•进、出系统的熵包括：进、出系统的物质流所携带的熵，以及因可逆传热所引起的熵变•对闭口系统21HQSSSST产第二章节能的热力学对开口系统（既有能量交换又有物质交换）•对稳定流动系统（系统参数不随时间而变）•对单股稳流系统（min=mout=m）CVioutiinHdSmsdSmsTQ)()(/产ioutiinHmsdSmsTQ)()(/产0CVdSinoutmsSmsS12,第二章节能的热力学T-S图（可逆过程热量）21TdsqreTS12第二章节能的热力学作业:1、推导气体可逆恒压加热或冷却过程的熵变Δs2、推导气体可逆恒温膨胀或压缩过程的熵变Δs第二章节能的热力学2.3.4能量和火用•能量的转换过程具有方向性或不可逆性•能量的转换能力（能量转换为功的能力或做功能力）•能量的可利用性分为三类：(a)具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等；(b)具有部分转换能力的能量，如热能、内能或焓等；(c)完全不具有转换能力的能量，如处于环境温度下的热能等卡诺热机的热效率：ηc=1-T0/T1第二章节能的热力学•能量的火用（有效能）：转换为有用功的那部分能量•能量的火无（无效能）：不能转换为有用功的那部分能量•任何一种形式的能量可表示成能量=火用+火无作业3：分析第一类能量，第二类能量和第三类能量的火用和火无。第二章节能的热力学2.4热力学第二定律能量的火用计算2.3.1.环境与物系的基准状态自然环境是火用的自然零点自然环境是一种概念性的环境定环境模型：环境是确定不变的。斯蔡古特的环境模型：(1).环境温度T0=298.15K，环境压力P0=1atm(2).环境由若干基准物构成。每一种元素都有其对应的基准物和基准反应。(3).基准物的自由焓较小龟山-吉田模型：(1).气态基准物的组成(2).其他元素以在T0,P0下纯态最稳定的物质作为基准物第二章节能的热力学•系统与环境处于热力学平衡状态时，火用值为零；•完全的热力学平衡：热平衡、力平衡和化学平衡•不完全的热力学平衡：热平衡、力平衡•物理火用：取不完全平衡环境状态作为基准态，一个系统的能量具有的火用•物理火用+化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态•化学火用：取完全平衡环境状态作为基准态，因化学不平衡所具有的火用第二章节能的热力学2.4.2机械形式能量的火用•动能火用：c2/2•位能火用：gz•封闭系统：•无容积变化，Ew=W•有容积变化，Ew=W12–p0(V2–V1)Aw=p0(V2–V1)V1V2T0,p0第二章节能的热力学2.4.3热量火用热量火用：系统所传递的热量用可逆方式所能作出的最大有用功热量火用)120SSTQEQ（)(120SSTAQS热量火无S1S21243TT0EQAQ第二章节能的热力学例2-2把100kPa、127℃的1kg空气可逆定压加热到427℃，试求所加热量中的火用和火无。空气的平均定压比热容cp=1.004kJ/(kgK)。设环境大气温度为27℃。第二章节能的热力学1）TT0相同热量的情况下，热量的温度越高，热量中的火用值越大；2）TT0EQ与Q的方向相反。说明：系统得到热量时，系统的火用减少；放出热量时，系统的火用增加。STT04312EQQSS1S21243TT0EQAQ第二章节能的热力学3）TT0热量火用总是小于热量；TT0冷量火用可以大于热量；T/K300T0Ω10.51.504）在温差相同、传热量相同的条件下，低温时的火用损失比高温时大得多；单位热量的火用：Ω=EQ/Q第二章节能的热力学•例2-3在某一低温装置中将空气自600kPa和27℃定压预冷至-100℃，试求1kg空气所获冷量的火用和火无。空气的平均定压比热容为1.0kJ/(kgK)。设环境大气的温度为27℃。第二章节能的热力学2.4.4封闭系统的火用封闭系统的火用：封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。P,T,u,SP0,T0,u0,S0δqδwA,max第二章节能的热力学max,0Awdvpduq封闭系统的能量方程0/Tqds可逆过程dsTdvpduwdeA00max,封闭系统的火用)()(000001max,ssTvvpuuweA)()(00000ssTvvpueua封闭系统的火无第二章节能的热力学封闭系统的火用：)()(000001max,ssTvvpuuweA)()(2102102121max,ssTvvpuueewA从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：对比：第二章节能的热力学稳定流动系统的火用：稳定物流经可逆方式与环境交换热量时所能作出的最大有用功。2.4.5稳定流动系统的火用Awgdzdcdhq2/20稳流能量方程熵方程gdzdcdsTdhwdeA2/20max,gzcssThhweA2/)()(2000max,稳定流动系统的火用00/dsqT第二章节能的热力学37从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功：)(2/)()(2122212102121max,zzgccssThheewA)(000ssTha稳定流动系统的火无•作业：•4、从稳定流动系统的火用推导稳定流动系统的火无；•5、从稳定流动系统的火用推导“从状态1可逆变化到状态2时所作的最大有用功”第二章节能的热力学)()(000max,ssThhweA焓火用：不考虑宏观动能和位能gzcssThhweA2/)()(2000max,稳定流动系统的火用第二章节能的热力学例2-4设有一空气绝热透平，空气的进口状态为600kPa、200℃，宏观速度为160m/s，出口状态为100kPa、40℃和80m/s。试求（1）空气在进、出口状态下的焓火用；（2）透平的实际输出功；（3）透平能够作出的最大有用功。空气的定压比热容为1.01kJ/(kgK)，环境大气状态为100kPa、17℃。第二章节能的热力学2.4.6化学反应的最大有用功稳定流动系统化学反应AWHQQ:化学反应系统与外界的热量交换（反应热）ΔH=H2–H1化学反应系统焓的变化（反应焓）产STQS/定温条件下，化学反应系统熵的变化稳定流动系统化学反应ATSTSHW产第二章节能的热力学max