第六章_化工过程热力学分析-学生

6.1.3 不可逆过程的损耗功WL
实际过程都是不可逆的，实际功必定小于理想功，理想功 与实际功之差称为损耗功
过程热力学分析中应用极广
Gouy-Stodola）公式，在化工
6.2 化工单元过程的热力学分析
1 流体流动过程 2 传热过程 3 分离过程 4 化学反应过程
6.2.1 流体流动过程
根据热力学基本原理也可证明，和外界无热、功交换但有 压力降的流动过程必定有功损耗。可得流动过程的损耗功为：
6.3.2 两种损失和两种效率
6.3.2.1 两种损失 笼统地说能量损失非但违反热力学第一定律，而且无意义。 所谓能量损失，通常指通过各种途径由系统排到环境中去的未能 利用的能量。 ▉的损失可分成两部分。一部分称为内部损失，是由系统内 部各种不可逆因素造成的损失。 6.3.2.2 两种效率——第一定律效率与第二定律效率 （１）第一定律效率 。 （２）第二定律效率 。
6.4.2 非平衡热力学分析法简介
（２）不可逆过程的熵产率及昂萨格倒易关系
（３）非平衡热力学分析法及其应用举例 非平衡热力学分析法就是以非平衡热力学原理特别是熵产定 律来计算和分析过程的力和流以及由此产生的熵产率的大小，详 细揭示造成能量损耗的原因、部位和机制，并将之与具体过程设 备的结构和操作方式进行关联，以有效指导过程流程改进、操作 方式升级、节能设备的开发和设计等。
6.3.3 三种常规的热力学分析法汇总
6.3.3.1 能量衡算法 能量衡算法是通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量 与能量利用率 。基于热力学第一定律的普遍适用性，可由此 求出许多有用的结果，如设备的散热损失、理论热负荷、可回 收的余热量和电力损失的发热量等。 6.3.3.2 熵分析法 熵分析法是通过计算不可逆过程熵产生量，确定过程的 损失和热力学效率。具体地说是以热力学第一定律与第二定律 为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损耗功，求出过 程热力学效率 。

6.2.1.1 熵增原理与过程不可逆性
封闭系统热力学第二定律表达式
孤立系统： Q 0
dS Q
T
则：
dSt 0
——熵增原理
若将系统和环境看作一个大系统，则：
由 St (Ssys Ssur ) 0 可知：
即孤立体系永远不会发生熵减少的过程。
1.有热量传递不做功
功源
两个热源之间热传递过程如下图所示：
过程不做功， WS 0 ，则有 H 0
因此
Mh m1h1 m2h2
可求得混合后空气的温度
T3
m1C
T id
p1
m2C
T id
p2
MC
pmh
m1T1 m2T2 M
10500 5300 433.3K
15
对于绝热稳流过程，由式(6-18)可得
Sg m js j 出 misi 入 Ms3 m1s1 m2s2
由热力学第一定律可得： H Q WS (R) 0
由热力学第二定律：
WS(R) QH QL
可逆过程： (S sys S sur ) 0
循环过程： S sys 0
则：
Ssur S高温源 S低温源
可逆：
S高温源
QH TH
S 低温源
QL TL
S sur
QH TH
QL TL
0
则： QL TL
图6-3 敞开系统熵平衡示意图
系统熵积累速率
dSopsys
dt
可以写成：
与环境热量交换引起的熵变
dS opsys dt
S
f
S g
i
mi si
in
j
mjsj
out

在实际的能量传递和转换过程中，能量可以转化 为功的程度，除了与能量的质量、体系所处的 状态密切相关外，还与过程的性质有关。若过 程接近于可逆过程，其转化为功的程度就大， 否则就小。为了衡量能量的可利用程度或比较 体系在不同状态下可用于做功的能量大小， 1932年Keenen提出了㶲的概念。
2.㶲(Exergy, Ex) 定义：任何体系在一定状态下的㶲Ex是该体系由 所处的状态(p, T)以完全可逆的方式变化到与环 境处于平衡的状态(p0, T0)时所作出的最大有用 功（即理想功）。 3.火无(Ax) 不能转变为有用功的那部分能量。
Note： Wid与Ex的区别及联系 Wid=∆H -T0∆S =(H2-H1)-T0(S2-S1) Ex=T0∆S-∆H=T0(S0-S)-(H0-H) (6-47)
式(6-47)表明体系㶲的大小取决于系统状态和环境 状态的差异，这种差异可能是物理参数(T, p)不 同引起的，也可能是组成不同引起的。
在飞轮上做的可利用的功 Wid 体系对抗大气压所做的膨胀功-p0∆V，无法加以利用，但 又无法避免；相反，在压缩过程中，接受大气所给的功 是很自然，不需付出代价，在计算理想功时应将其扣除。 故非流动过程的Wid为： Wid= WR + p0∆V =(U2-U1)- T0(S2-S1) + p0∆V 结论： ① Wid决定于体系的始末态和环境状态(T0, p0)，与过程无 关； ②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。
（4）不可逆过程 I.有摩擦，过程进行有一定速度； II. 体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象）； III. 逆向进行时，体系恢复始态，环境留下痕迹； IV.若相同始末态的可逆过程相比较，产功小于可 逆过程，耗功大于可逆过程。

Wid

E0 j XC, j

G
0 f
i
j
j
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第三节 理想气体混合物：
E 0 XC ,m

y
i
E
0 XC
,i

RT0
yi ln yi
i
i
液体混合物:
理想溶液
E 0 XC ,m

xi
E
0 XC
,i

RT0
xi ln xi
i
i
非理想溶液
浓度达到化学平衡
我们规定环境的T、P化学组成不变（即恒定的），规定了
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第三节
T、P及化学组成的环境并不是自然环境，这种人为规定的环
境即为环境模型。我们是以环境模型为基准态。
（III）、约束性平衡（不完全平衡或限制性平衡）
当体系和环境仅有热平衡和力平衡称为约束性平衡。
化工热力学 第六章 化工过程热力学分析 第三节 压）为基准，本例取后者。
查附表3，按式（6—27）分别求出上述三种状态的焓、熵与 之值并列于下表：
PMPa t C h(kJ kg1) S(kJ kg1 K 1) EXPh(kJ kg1)
3.169 103 25 10.00 500 5.00 500 10.00 400
当 AN 0，E 1 有 损失
（2）、热力学效率：
产功： a

WS Wid
耗功：
a

Wid WS
传热：
a

Wid低 Wid高

E X低 E X高

EXQ