1、1任务（ 1)平衡状态下的 热力学性质计算 (定组成 )（ 2)过程进行的 可行性分析和能量有效利用(3)平衡 问题，特别是相平衡内容第一章 绪论第二章 流体的热力学性质第三章 热力学第一定律及其应用 引言 3.1 闭系非流动过程的能量平衡 3.2 开系流体过程的能量平衡 3.3 稳流过程的能量平衡 3.4 气体压缩过程第四章 热力循环 热力学第二定律及其应用第五章 化工过程热力学分析第六章 溶液热力学基础第七章 液体相平衡第八章 化学反应平衡热力学第一定律及其应用第三章引言研究过程能量变化的意义 传热、传质或化学反应过程都同时伴有能量的变化，有的消耗能量，有的释放能量，因此，研究化工过程能量
2、变化，对于降低能量消耗，合理利用能量是十分重要的。能量的种类 体系蓄积的能量：动能、位能、内能体系状态函数 过程传递的能量：9 热量：体系与外界因温度差异引起的能量传递9 功：除温度外，由其它位势差引起的能量传递热力学第一定律能量转化与守恒原理自然界的能量即不能被创造，也不能被消灭，只能相互转化或传递。在转化或传递过程中，能量的数量是守恒的。引言研究过程能量变化的意义热力学第一定律能量转化与守恒原理能量的种类体系与外界 孤立体系 封闭体系（简称闭系，限定质量体系）9 与环境仅有能量交换，而无质量交换，体系内部是固定的。封闭体系是以固定的物质为研究对象的，为了突出这一点，近年来倾向于把封闭体系称
3、为限定质量体系。 敞开体系（简称开系、限定容积体系）9 与环境既有能量交换也有质量交换。9 由于敞开体系与环境有物质交换，因此，体系内部的物质是不断更新的，敞开体系实际是以一定空间范围为研究对象的，为了突出这一点，人们常把敞开体系称为限定容积体系 。3.1 闭系非流动过程的能量平衡wqU =体系内能的变化体系与外界交换的热吸热放热体系与外界交换的功 体系作功得 功23.2 开系流动过程的能量平衡开系平衡9开系的特点体系与环境有物质的交换除有热功交换外，还包括物流输入和输出携带能量。9开系的划分可以是化工生产中的一台或几台设备。可以是一个过程或几个过程。可以是一个化工厂。把划定的开放体系那部分称
4、为控制体，用表示物料衡算能量衡算3.2 开系流动过程的能量平衡 开系平衡imjm( )dtdM ()dtdEdtQ dtW( )iiem ( )jjem dtmedtmeWQEjjttjiitti +=2121质量积累速率能量积累速率质量流量单位质量所携带能量热流量功流量非稳流过程3.2 开系流动过程的能量平衡sfWWW +=dtmvPdtmvPWiittiijjjttjf =2121() ()dtmvPedtmvPeWQEjjttjjjiittiiiS +=2121Shaft Work 轴功 流动功：迫使物质通过开系所作的功。若进入开系单位质量流体 i的体积为 vi，所受的压力为 Pi，则上
5、游流体对其作的功为 Piv。dtmedtmeWQEjjttjiitti +=21213.2 开系流动过程的能量平衡() ()dtmvPedtmvPeWQEjjttjjjiittiiiS +=2121Pvuh +dtmugzhdtmugzhWQEjjttjjjiittiiiS +=2121222121jjttjjjiittiiiSmugzhmugzhdtWdtQdtdE+= 2121222121 221ugzUe +=如果通过边界的物质所携带的能量只限于内能、位能和动能，则单位质量的流体携带的能量e为：3.3 稳流过程的能量平衡3.3.1 开系稳流过程能量平衡式( ) 0=dtdE0=EKPSE
6、EHWQ =0iiijjjmhmhH=iiijjjPgzmzgmE=222121iiijjjKumumE=dtQQ=dtWWS稳流过程状态是稳定的流动是稳定的jjttjjjiittiiiSmugzhmugzhdtWdtQdtdE+= 2121222121 3.3 稳流过程的能量平衡( ) hmhhmHij=( ) zmgzzmgEijP=( )2222121umguumEijK=SWQumgzmghm =+221jimmm =开系稳流过程能量平衡式 /开系稳流过程热力学第一定律数学表达式。3.3.1 开系稳流过程能量平衡式KPSEEHWQ =033.3 稳流过程的能量平衡Swqugzgh =+
7、221ijhhh =ijzzz =mQq =mWwSs=1kg流体为计算基准SWQumgzmghm =+221例 3-1 用功率为 2.0 kW的泵将热水从储罐送到换热器。热水流量为 3.5 kg/s。在换热器中以 698 kJ/s的速率将热水冷却后送入第二储水罐，求第二储水罐水温。3.3.2 稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 机械能平衡式 与外界无热、无轴功交换的不可压缩流体的稳流过程能量平衡式 绝热稳定流动方程式 与外界无热、无轴功交换的可压缩流体的稳流过程能量平衡式q 0ws 0假定流动过程为非粘性理想流体的流动过程，则无摩擦损耗，即无机械能转化为内能。( ) PPvPv =0=U0
8、212=+Pzgu0212=+ umhmSwquzgh =+2210212=+ uh()SwquzgPvU =+221柏努力方程位高基本不变Swquzgh =+221Pvuh +=3.3.2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 机械能平衡式 绝热稳定流动方程式9喷管与扩压管9节流装置 (孔板、阀门、多孔塞等 )0212=+ uh0212=+PzgusWQzguH +=+ 22是否存在轴功? 否是否和环境交换热量? 通常可以忽略位能是否变化? 否2222112uuHH=流体通过焓值的改变来换取动能的调整3.3.2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 机械能平衡式 绝热稳定流动方程式9喷管与扩压管
9、9节流装置 (孔板、阀门、多孔塞等 )0=h0212=+PzgusWQzguH +=+ 22是否存在轴功? 否是否和环境交换热量? 通常可以忽略位能是否变化? 否等焓过程动能是否变化 ? 通常可以忽略3.3.2稳流过程能量平衡式的简化形式及其应用 机械能平衡式 绝热稳定流动方程式9 喷管与扩压管9 节流装置 (孔板、阀门、多孔塞等 ) 与外界有大量热、轴功交换的稳流过程SWQumgzmghm =+221SWQhm =SWQH =Swqh =hmWS= hwS=QH = qh =0212=+ umhm0212=+Pzgu绝热过程无轴功交换可忽略4例子 例 3-29丙烷气体在 2MPa、 400K
10、时稳流经过某节流装置后降压至 0.1MPa。试求丙烷节流后的温度与节流过程熵变。 例 3-39 300、 4.5MPa乙烯气流在透平机中绝热膨胀到0.2MPa。试求绝热、可逆膨胀（即等熵膨胀）过程产生的轴功。并用理想气体普遍化关联法计算乙烯的热力学性质3.3.3 轴功 可逆轴功 WS(R)的计算9 无任何机械摩擦损耗的轴功9 流体经过产功和耗功装置时，没有机械功耗散为热能的损失212()12PSRPw vdP gu gz= +qTds =vdPTdsdh +=对于可逆状态变化体系与外界交换的热+=21PPvdPqhvdPqdh +=Swqugzgh =+221+=221ugzghqwS3.3.
11、3 轴功 可逆轴功 WS(R)的计算9无任何机械摩擦损耗的轴功9流体经过产功和耗功装置时，没有机械功耗散为热能的损失zguvdPwPPRS+=2)(2121() =21PPRSvdPw() =21PPRSVdPW()PvwRS=()PVWRS=对于液体对于产功和耗功设备，动能、位能变化可忽略3.3.3 轴功 可逆轴功的计算 实际轴功的计算9存在摩擦损耗。产功设备：实际轴功小于可逆轴功 WS|WS(R) |9实际轴功与可逆轴功之比称为机械效率。产功设备： 耗功设备：9机械效率可以由实验测定。 其值在 0 1之间，一般在0.6 0.8之间。9已知m和 WS(R)，就可以求出实际轴功。()RSSmW
12、W=()SRSmWW=zguvdPwPPRS+=2)(2121例子 例 3-45例子 例 3-53.3.4 热量衡算 概念：无轴功交换，仅有热交换过程的能量衡算 基本关系式： 作用：9确定化工过程的工艺条件、设备尺寸、热载体用量、热损失、热量分布等9热量衡算以物料衡算为基础，或二者交叉进行9是生产技术管理的基础，节能提供依据的前提 热量衡算实质 热量衡算一般方法 热量衡算实例QH =3.3.4 热量衡算 基本概念 热量衡算实质9实质：按能量守恒定律把各种物流所发生的各种热效应关联起来； 基本热效应的迭加或综合物流的温度变化（显热变化）物流的相变化（潜热变化）两种或多种物流相互溶解体系的化学变化
13、9热量衡算以物料衡算为基础，或二者交叉进行 热量衡算一般方法 热量衡算实例3.3.4 热量衡算 基本概念 热量衡算实质 热量衡算一般方法9体系选择9基准选择以单位质量、单位体积或单位摩尔数的产品或原料为基准以单位时间产品或原料量为基准9选择基准温度，设计途径9将全过程分解为几个分过程计算、加和=iiHH3.3.4 热量衡算 基本概念 热量衡算实质 热量衡算一般方法 热量衡算实例9换热器9氨冷器9气体燃烧过程9合成气制备换热器QAQL?QBTB2TA2TB1TA1A物流B物流选换热器为体系；选单位时间为基准；应用热力学第一定律 ：HQL=6循环气入TG1循环气出TG2热输入QL ？气氨tA2液氨
14、tA1mGmA0.1MPa, T2K产物：1molCO22molH2O0.4molO29.03molN20.1MPa 25反应物：1molCH42.4molO29.03molN2o298HoPH0H燃烧炉甲烷20过剩空气 气体产物最高温度？1.选择体系2.物料衡算3.选择基准4.设计途径5.联合求解0.1MPa1300K产物：0.87molCO3.13molH20.13molCO20.87molH2O0.1MPa600K反应物：1molCH42molH2OHoRHoPHo298H转化炉甲烷 1水蒸汽 2气体产物1300K600KQ ?1.选择体系2.物料衡算3.选择基准4.设计途径5.联合求解
15、第四章 热力学第二定律及其应用李海普内容第一章 绪论第二章 流体的热力学性质第三章 热力学第一定律及其应用第四章 热力循环 热力学第二定律及其应用 4.1 热力学第二定律 4.2 熵 4.3 热力学图表及其应用 4.4 蒸汽动力循环 4.5 制冷 4.6 热泵第五章 化工过程热力学分析第六章 溶液热力学基础第七章 液体相平衡第八章 化学反应平衡模型、原理应用应用引言热力学第二定律及其应用的重要性 三个问题对化学工程师尤其重要9 热力学分析以热力学第一和第二定律为基础，导出各种关系式，从而对化工过程进行分析和评价，以求实现合理利用资源。9 相平衡关系计算对实现传质设备的设计和操作必不可少。9 化
16、学平衡计算研究化学反应动力学以及设计反应器和操作分析计算的前提。 实际工程中热力循环过程的分析都基于热力学第二定律9 发电厂、空分厂、机动车等实际工程的热力循环过程的分析都基于热力学第二定律本章内容 热力学第二定律 简要介绍 熵 重点阐明（熵概念、熵平衡式）74.1 热力学第二定律热力学第二定律表述 有关热流方向的表述 热不可能自动地由低温物体传给高温物体（ 1850年克劳修斯）； 有关循环过程的表述 不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其它变化（ 1851年开尔文）； 有关熵的表述热传导的不可逆性功转化为热不可逆性有关热现象的各种实际宏观过程都是不可逆的。水往低处流气体由高压向低
17、压膨胀热由高温物体传向低温物体 我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。 第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必须守衡。 第二定律告诉我们过程发生的方向。4.1 热力学第二定律热力学第二定律表述 有关热流方向的表述 热不可能自动地由低温物体传给高温物体（ 1850年克劳修斯）； 有关循环过程的表述 不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其它变化（ 1851年开尔文）； 有关熵的表述 孤立体系的熵只能增加，或者达到极限时保持恒定，数学表达式为：热传导的不可逆性功转化为热不可逆性0tSsursystSSS +=( ) 0+sursysSS孤立体系熵增与不可逆关系的解
18、释两个热源之间的传热现象循环装置热源T1T2热源Q1Q221TT 21QQ =021=+= QQH0=sysS=+=121221111TTQTQTQSsur011121TTQ02Q01不可逆= 可逆微分式外界环境热源温度体系与热源所交换的热热源与体系所交换的热封闭体系热力学第二定律数学表达式 克劳修斯不等式对于可逆过程用等号。T既是热源温度，也是封闭体系温度（可逆传热二者相等）不可逆过程用不等号。T指热源温度。对于相同的状态，可逆过程的热温商和不可逆过程的热温商是不相等的。代入微分式封闭体系经历一可逆过程，从环境热源接受 热量时，其熵变为：体系接受 热量时，环境热源则失去 热量，环境热源的熵变
19、为：称 为随 热流产生的熵流表示由于 传热 而引起体系熵的变化。TQRTQdSRsys=TQdSRsur=TQdSRf=RQRQRQRQ熵流注意：(1). 由于热量可正可负，熵流也可正可负；(2). 功的传递不会引起熵流；(3). 功源虽然没有熵变，但不意味着每当有功输入或输出体系时体系均无熵变，只是这种熵变不是功传递的直接结果。(1).体系的熵变大于热温熵，这是由于经历了不可逆过程，有熵产生，即熵产。(2).熵产不是体系的性质，而仅与过程的不可逆程度相联系。过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大，只有可逆过程无熵产生。 Sg0 不可逆过程 Sg0 可逆过程 SgTQdSsys与gS对不可逆过程
20、，之间的差值用一个概念 熵产 来表示4.2.1 热力学第二定律用于闭系 熵流 熵产 Sg 封闭体系的熵平衡式4.2.2 孤立体系熵平衡式4.2.3 开系熵平衡式TQdSsys有了不可逆过程 Sg，则对于不可逆过程，体系熵变大于传热引起的熵流 dSf。gfgsysdSdSdSTQdS +=+=gQsysSTQS +=04.2.1 热力学第二定律用于闭系 熵流 熵产 Sg 封闭体系的熵平衡式4.2.2 孤立体系熵平衡式4.2.3 开系熵平衡式将不可逆过程 Sg引入可以建立起孤立体系的熵平衡式：熵产量等于孤立体系总熵变。 Sg应包括封闭体系与外界热源两部分产生的熵。若外界环境热源中进行的是可逆过程，
21、则外界环境热源的熵产量为0， Sg为封闭体系内部产生的熵。( ) 0+sursysSSsursystSSS +=gtSS =gsursysSSS =+94.2.1 热力学第二定律用于闭系4.2.2 孤立体系熵平衡式4.2.3 开系熵平衡式单位时间体系熵变：对于稳流过程：() ()+=joutjjiiniigfopsysSmSmSSdtdS( ) ( ) 0=+joutjjiiniigfSmSmSS0=dtdSopsys熵流 Sf敞开体系Sg物流入( )joutjjSm( )iiniiSm物流出敞开体系稳流过程熵平衡式。工程上常用来计算不可逆过程的熵产生量 Sg。( ) ()fiiniijout
22、jjgSsmsmS =Sf是敞开体系与外界由于传递热量引起的熵变。若由K股变温热流与敞开体系交换，则若有K股恒温热流与敞开体系交换，则上式可简化为对于绝热过程， Sf 0，对于不可逆绝热过程， Sg0，对于可逆绝热过程， Sg 0，( ) ( )fiiniijoutjjgSSmSmS =进出体系物流熵的总和。m为物料的质量流量，Si、Sj是单位质量物流的熵（kJ Kg1K1）() ( )=iiniijoutjjgSmSmS=KQKKfKTQS0=K KKfTQS( ) ()iiniijoutjjSmSm( ) ()=iiniijoutjjSmSm敞开体系放热为负，吸热为正。与敞开体系换热的热源
23、的绝对温度等熵过程 例 4-1 一热机工作于高温热源和低温热源之间，若热机可逆，试推导出热机效率表达式。WS(R)热机高温源THTL低温源QHQL功源解 : 取热机为体系, LHRSQQW +=)(+) (+) (-)0=+=sursystSSS 0=sysSLLHHsurTQTQSSSS+=+=功源低温源高温源即:HLHLLLHHTTQQTQTQ=+ 0HLHLHLHHRSTTQQQQQQW=+=+= 11)(可逆循环热效率卡诺循环属于可逆循环热机可逆 例 4-29求冷凝过程产生的熵大气20冷凝器饱和水饱和蒸汽150 5 kg/s 150Q例 4-2 求冷凝过程产生的熵大气20冷凝器饱和水饱
24、和蒸汽150 5kg/s 150Q( )skJhhmQ/10572)5.27462.632(512=( ) ()()/(10.1129310572)8379.68418.1(512SKkJTQSSmSSmSmSfiiniijoutjjg=+=因此，过程不可逆。例 4-3 求 绝热混合过程的熵产混合器M,T3,P3,S3m1,T1,P1,S1m2,T2,P2,S222113hmhmMh +=混合过程为绝热稳流过程， Q=0无轴功， Ws=00=H21mmM +=3T( ) ( )( )()( )()()232131232131221132122113lnlnTTCmTTCmssmssmsmsms
25、mmsmsmMssmsmSpmspmsiiniijoutjjg+=+=+=+=10引言 用热力学原理认识能量、了解能量，在生产实践中指导人们合理地使用能量、节约能量是现代热力学的一项重要任务； 过程热力学分析，就是用热力学的方法对过程中 能量转化、传递 、 使用和损失 情况进行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，为改进过程，提高能量利用率指出方向和方法。sWQumZmgH =+221( ) ( )=ifiijoutjjgSSMSMS内容第一章 绪论第二章 流体的热力学性质第三章 热力学第一定律及其应用第四章 热力循环 热力学第二定律及其应用第五章 化工过程热力学分析 5.1 基础理论 5.2
26、 化工单元过程热力学分析 5.3 过程热力学分析的三种基本方法 5.4 合理用能基本原则第六章 溶液热力学基础第七章 液体相平衡第八章 化学反应平衡模型、原理应用应用应用5.1 基础理论5.1.1 能量的级别 能量主要形式9热能9机械能9电能9化学能： 由于物质化学结构变化提供或消耗的能量。 能量相互转化化学能 热能 机械能 电能燃烧 蒸气机 发电机燃料电池热量是能量转化的必经之路；热功转化是能量利用的关键。动力火力发电工作原理在火力发电厂内，燃烧锅炉中的水将水煮沸成水蒸汽，推动汽轮机的叶片，再带动发电机组产生电力燃料的化学能转换成热能热能转换成水蒸汽的动能水蒸汽的动能再转换成汽轮机的动能发电
27、机再将此动能转换成电能 热功转化9 不可逆性卡诺热机微观分析9 热力学第一定律9 热力学第二定律HCHLCQWTT=1功是分子有序运动的体现热是分子无序运动的体现功转化为热是分子定向有序运动转化为非定向无序运动，不受任何条件限制热转化为功是分子非定向无序运动转化为定向有序运动，受到一定条件限制对于 1kJ功与 1kJ热，从热力学第一定律来看，它们在数量上是相等的，但从热力学第二定律来看，它们的质量不相当，功的质量高于热。11 能量分类9高级能量 理论上完全可以转化为功的能量如机械能、电能、水力能、风力能9低级能量 理论上不能全部转化为功的能量如热能、内能、焓9僵态能量 完全不能转化为功的能量如
28、大气、大地、海水等具有的内能 能量贬质9由高质量能量变成低质量能量称为能量贬质如传热、节流过程9能量贬质意味着作功能力的损失合理用能实质是对能量质量的保护和管理，尽可能减少能量贬质，或避免不必要的贬质。5.1.2 理想功 Wid（ Ideal work）9在一定环境条件下，系统发生 完全可逆过程 时，理论上可能产生的（或消耗的）有用功。9获得的途径：状态变化 完全可逆 体系内部变化可逆，体系与环境间的换热可逆。周围自然环境温度 T0状态1状态2可逆的稳流过程无数个小型卡诺热机图5-1 稳流过程Wid示意图() CRSidWWW +=STHWid+=0()( )CRSWWQHH +=01212H
29、HH =02100=+ SSTQSTQ =0012SSS =流动过程的理想功只与状态变化有关，仅取决于流体的初态和终态以及自然环境温度 ，而和状态变化的具体途径无关。稳流过程环境温度（可逆轴功）（卡诺功）( ) ( )fiiniijoutjjgSsmsmS =5.1.2 理想功 Wid9当状态变化时，产功过程存在一个最大功（ +），耗功过程存在一个最小功（ ）。9无论产功还是耗功，就功的代数值而言，都是最大的，且此功在技术上可以利用，故称为最大有用功，或理想功。9理想功为正，可对外功能；理想功为负，需外界对之做功。5.1.2 理想功 Wid（续）9是一个理论极限值，代表一个生产过程可能提供的最
30、大功。是一切实际过程产功或耗功大小的比较标准 ;9理想功和实际功的比较可为生产改革提供依据 ;注：周围自然环境为大气、海水、大地等，温度 T0, 压力 1atm。例 5-1 求 25、 0.1013MPa的水变成 0、 0.1013MPa冰的理想功。已知 0冰的熔解焓变为 334.7kJ/kg。设环境温度为：9 259 -25STHWid+=012解 从附表 3查得 25水的焓 和熵 值（忽略压力的影响）为1h1s1189.104= kgkJh1113674.0= KkgkJs根据 0冰的溶解焓变数据可以推算 0 冰的 与 为2h2s127.334= kgkJh1122260.1= KkgkJ
31、s（ a）环境温度为 25（高于冰点）时，()( )3674.02260.129889.1047.334 +=idw83.47459.439 +=欲使水变为冰，需用制冷机，理论上消耗的最小功为124.35kgkJ 。124.35= kgkJ( )( )3674.02260.129889.1047.334 +=idw143.44= kgkJ当环境温度低于冰点时， 为正值。当水变成冰时，不仅不idw由此例可见，理想功的数值不仅与初、终状态还与环境温度有关。需要消耗功，理论上还可以回收功，此最大的功为143.44kgkJ 。（ b）环境温度为 -25（低于冰点）时，ooSTHWid+=0( ) (
32、)RfRRPfPPHHHooo=oooRRRPPPSSS= ( )oooGSTHWid=0标准状态（ 25， 0.10133MPa）下，稳定流动化学反应过程理想功的计算式：标准状态下化学反应过程的焓变 标准反应热，用反应物和产物的标准生成焓计算标准状态下化学反应的熵变，用产物和反应物的标准熵值计算。oooSTHG =0反应温度环境温度( )oooGSTHWid=0( ) ( )=PPfPRRfRidGGGWooo标准状态（ 25， 0.10133MPa）下，稳定流动化学反应过程理想功的计算式：9若组分压力不是 0.10133MPa，则需对 标准生成焓 、 标准熵 、 标准生成自由焓 进行压力校
33、正。9若反应物和生成物均为理想气体，则只对 标准熵 、标准生成自由焓 进行压力校正。9若反应温度环境温度，则无此关系 。标准生成焓： 各反应组分均处于温度 T时的标准状态下，由稳定相态的单质生成 1mol指定相态化合物所对应的焓差。标准熵： 以热力学第三定律规定的 S0=0为基础求得 1mol任何纯物质在温度 T下的熵值，称为该物质在指定状态下的规定熵。若该物质是处于温度 T下的标准状态下，则其规定熵称为标准熵。标准生成自由焓： 各反应组分均处于标态时，每单位反应的自由焓差。热力学第三定律：绝对零度下纯物质完整晶体的熵为零。例 5-2 求 25、 0.1013MPa下，由 CO和 O2进行燃烧
34、反应生成 CO2。反应物 CO和 O2不相互混合。求化学反应过程的理想功。CO+0.5O2 CO2( )oooGSTHWid=013解 CO和 燃烧生成 的反应方程式为2O2CO2221COOCO +从附表 4查到有关数据列于下表：组分 )(1 kmolkJHfo)(11 KkmolkJSfo()gCO2()gO2()gCO5101052.1 039351091.19703.20564.213( ) ( )=RRfRPpfPHHHooo( )5101052.1393510 =RRRPPPSSSooo11785.86= KkmolkJooSTHwid+=025862282990=式中：oH 是
35、CO在标准状态下进行燃烧过程释放的热量，其数值为1282990kmolkJ ，其中有1025862 kmolkJST ）（即o1282990= kmolkJ+= 3.2052191.19764.213()( )785.86298282990=1257128= kmolkJ是不能利用的僵态能，余下1257128kmolkJ 是理论上可能提供的最大功。例 5-3 CO和 O2进行燃烧反应生成 CO2 ，燃烧过程加入氮气，且反应物和生成物都为混合态。反应前后物系的总压为 0.1013MPa，温度仍是 25。求化学反应过程的理想功。CO+0.5O2 +1.881N2 CO2+ 1.881N2( )oo
36、oGSTHWid=0由于反应前后各组分都进行另外混合，气体混合物的总压为0.10133MPa（ 1atm），那么各组分的分压必定小于总压。此物系在标准态下可视为理想气体的混合物，压力对焓值无影响，但对熵值有影响。因此，对查得的标准熵值要进行压力校正。根据理想气体熵变计算式（2-52）的积分式，即解 12*1*2ln21 PPRdTTCSSTTP=可得压力校正后的熵 与标准 的关系式iSoiS式中： 为标准态压力 0.10133MPa（ 1atm）， 为混合气体0PiP中 i组 分的分压 。0lnpPRSSiii=o（ A）各反应物的分压分别为PyPCOCO=()( )10133.02958.0
37、=PyPOO22=MPa02997.0=()10133.0881.15.015.0+=()10133.0881.15.011+=()( )10133.01479.0=PyPNN22=()( )10133.05563.0=MPa01499.0=()10133.0881.15.01881.1+=MPa05637.0=查附表 3得氮的标准熵 。1149.1912= KkmolkJSNo由式（ A）可以求出反应物压力校正后的熵值2958.0ln314.891.197 =COS1479.0ln314.83.2052=OS5563.0ln314.849.1912=NS根据式（ A）还可求出产物压力校正后的
38、熵值。11037.208= KkmolkJ。1119.221= KkmolkJ。1137.196= KkmolkJ14881.111ln314.864.2132+=COS881.11881.1ln314.849.1912+=NS反应过程物系的熵变 为 S( ) ( )222881.15.0881.1NOCONCOSSSSSS +=()( )()( ) 19.2215.0037.20803.195881.14.222 +=11714.98= KkmolkJ()( )37.196881.1+1282990= kmolkJH （ 与例 5-2相同 ）因此，燃烧过程的理想功为。1144.222= Kk
39、molkJ。1103.195= KkmolkJ 282990714.98298282990 =1253573= kmolkJ可见。反应物和产物各自进行混合，其理想功之值小于不进行混合时的理想功值。STHWid+=029417例 5-4 求以碳、水和空气为原料生产合成氨的理想功。已知反应总式为：0.883C (s) +1.5H2 O(l)+ 0.133O2(g)+0.5N2 (g) 0.883 CO2(g) +NH3 (g)( )oooGSTHWid=0解 查附表 4，可得( )1)(19.2372= kmolkJGlOHfo( )1)(63.163= kmolkJGgNHfo( )1)(38.
40、3942= kmolkJGgCOfo单质碳、氮与氧的标准生成自由焓为零。根据下式可求出理想功( ) ( ) ( )(25.1lOHfPPfPRRfRidGGGWooo=( ) ( )()(23883.0gCOfgNHfGGoo( )( ) ( )( )( )38.394883.063.1619.2375.1 =)(130825.9 gNHkmolkJ=15)(103426.53=NHtkJ1)(4.1483=NHthWk5.1.3 不可逆过程的损耗功 WL 理想功与实际功之差称为损耗功； 以某恒质量流体作为基准（此即为封闭的流动物系）；SidLWWW =QSTWWsysSid=0sursysS
41、idSTSTWW +=00syssysidSTHW +=0syssHQW =热力学第一定律封闭物系与温度为T0的周围环境所交换的热量00TQTQSsursur=5.1.3 不可逆过程的损耗功 WL 理想功于实际功之差称为损耗功； 以某恒质量流体作为基准（此即为封闭的流动物系）；SidLWWW =sursysSidSTSTWW +=00sursysLSTSTW +=00tLSTW =0 gLSTW =0Gouy-Stodola 公式155.1.3 不可逆过程的损耗功 WL对于有多股物流进出的敞开体系损耗功计算gLSTW =0( ) ()fiiniijoutjjgSSmSmS =热力学第二定律在用
42、能问题上的指导思想是过程热力学完善的尺度，反映过程可逆的程度，称可逆度，代表以热力学第二定律衡量的效率。是高级能量的利用率。idSaWW=SidaWW=产功过程耗功过程热力学效率热效率QTSW=idLidaWWW =LididaWWW=SidLWWW =例 5-5 某合成氨厂甲烷蒸汽转化工段转化气量为5160Nm3/tNH2，因工艺需要，将其温度从 1000降至 380。现有废热锅炉机组回收余热。已知通过蒸汽透平回收的实际功为 283kWh/ tNH2。试求：9 转化气降温过程的理想功9 余热利用动力装置的热效率9 余热利用过程的热力学效率大气温度 30，设转化气降温过程压力不变，在380 1
43、000温度范围内的等压热容为 36kJ/kmolK。废热锅炉和透平的热损失可忽略不计，透平乏汽直接排入大气。解 计算以每吨氨气为基准。（ a）求转化气降温过程的理想功。理想功为STHWid+=0式中： 和 是转化气降温过程的焓变和熵变。每吨氨转化 H S气的千摩尔数 m为4.225160=m ()134.230=NHtkmolTmCHpmh=( )163101425.5=NHtkJ( )( )( )1000380364.230 =( )135.1428=NHthkW按题意废热锅炉热损失忽略不计，故转化气降温过程的焓变即为向废热锅炉提供的热量。()( )()=1273653ln364.23030
44、3()1303.466=NHtkWh由上述计算可知，转化气降温过程释放的热量为 5.1428()13NHtkWh ，其中有 ( )1303.466NHtkWh 是不能利用的僵态能，余下()135.962NHtkWh是可能提供的理想功。1273653ln00 pmsCTST =（ b）求余热利用动力装置的热效率T按题意此过程得到的实际功为()13283NHtkWh，转化气降温向锅炉供热 ( )135.1428NHtkWh，故其热效率为2830.19811428.5T =（ c）求热力学效率aidSaWW=5.962283=2940.0=16例子 5-6 蒸汽在管道中常会由于保温不良而发生冷凝，蒸
45、汽具有作功能力，在冷凝成水的过程中将蒸汽的作功能量损耗掉，试计算 1kg蒸汽处于 0.4154MPa、145下冷凝成同样压力和温度的水时热损失和损耗功。已知大气温度为 25。SidLWWW =热力学第一定律sursysLSTSTW +=00syssysidSTHW +=0gLSTW =0解 查附表 3（饱和水蒸气温度表）可得 145 饱和蒸汽的焓和熵为113.2740= kgkJh111883.6= KkgkJs145 饱和水的焓和熵为1263.610= kgkJh1117907.1= KkgkJs（ a）求蒸汽冷凝过程的热损失损q热力学第一定律swqh =损0=swhq =损17.2129= kgkJ12hh = 3.274063.610 =（ b）求蒸汽冷凝过程的损耗功LW( )sursysLSSTW +=0()+=2987.21298833.67907.1298()( )0540.229
