1、61 基础理论,一、能量的级别（品位）,能量的形式,热能,机械能,电能,化学能,能量不仅有数量, 还有质量(品位),自然界能量,高级能量: 理论上完全可以转化为功的能量,低级能量: 理论上不能全部转化为功的能量,僵态能量: 完全不能转化为功的能量,能量的贬质：是指由高品位能量转化为低品位能量.,合理用能：,就是希望获得的功要多，消耗的功要少，损失的功要小。即尽可能减少能量贬质.,节能：实质对高级能量和低级能量而言，对于僵态能量， 由于其不能转化为功，故无研究的必要。,二、理想功（ ）,定义：,体系在一定的环境条件下，沿完全可逆的途径从 一个状态变到另一个状态所能产生的最大有用功。,理想功是一个
2、理论的极限值，是用来作为实际功的比较标准。,过程完全可逆：,（1）体系发生的所有变化都是可逆的。,（2）体系与环境间有热交换时也是可逆的。,1、稳流过程理想功：,无数个小型 卡诺热机,可逆的 稳流过程,做功衡算：,忽略动、位能变化，则：,或,稳流开系的熵平衡式：,可逆稳流过程：,，,即,稳流过程理想功的计算式,与流体的始末状态和环境温度有关，与具体过程无关。,环境温度一般指大气或天然水源的温度。,例 61 试求25、0.10133MPa水变为0、0.10133MPa冰的,（A）为25；（b）为- 25。,解,为,从附表3查得25水的焓 和熵 值（忽略压力的影响）,根据0冰的溶解焓变数据可以推算
3、0 冰的 与 为,（a）环境温度为25（高于冰点）时，,欲使水变为冰，需用制冷机，理论上消耗的最小功为,。,（b）环境温度为-25（低于冰点）时，,2、稳定流动化学反应过程理想功的计算：,取标准状态（25、0.1013MPa），则稳流化学反应,过程理想功的计算式：,当环境温度低于冰点时， 为正值。当水变成冰时，不仅不,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。,标准状态下化学反应焓变（标准反应热）,标态下化学反应过程熵变,与上式比较：,即,由此可知，标态下进行化学反应，能回收的最大功（ ）,是标准自由焓的减少量，而不是标准反应热。,可用反应物及产物的标准生成自由焓计算：,可以利
4、用附表4（一些物质的热力学函数）查到有关标态下的值，从而进行计算。,例 62 在25、0.10133MPa（1atm）下，有CO和 进行燃,程的理想功。,烧反应生成 。反应物CO和 不相互混合。试求此化学反应过,解,CO和 燃烧生成 的反应方程式为,从附表4查到有关数据列于下表：,根据式（66a）与式（66b），有,的最大功。,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的积分式，即
5、,例 63 例62的燃烧过程中加入氮气，且反应物与产物都为 混合态（实际的化学反应过程是反应物可混合也可不混合，但生 成的产物总是相互混合的），反应前后物系的总压为0.10133MPa ，温度仍为25，试求此反应过程的理想功。,解,可得压力校正后的熵 与标准 的关系式,式中： 为标准态压力0.10133MPa（1atm）， 为混合气体,中i组分的分压。各反应物的分压分别为,（A）,查附表4得氮的标准熵,由式（A）可以求出反应物压力校正后的熵值,根据式（A）还可求出产物压力校正后的熵值,反应过程物系的熵变 为,（与例62相同）,因此，燃烧过程的理想功为,可见。反应物和产物各自进行混合，其理想功之
6、值小于不进行 混合时的理想功值。表明混合过程有功的损失。,例 64 试求以碳、水和空气为原料生产合成氨的理想功。已 知其反应总式为,解,查附表4，可得,单质碳、氮与氧的标准生成自由焓为零。根据式（67a）可 求出理想功,理想功是一个重要的基本概念，应注意以下几点：,（1）就功的代数值而言，理想功均为最大功。,（2）理想功是可逆有用功，并不等于可逆功的全部。,（3）理想功是完成给定状态变化所消耗的最小有用功，所以它可以作为评价实际过程的标准。通过比较实际过程的有用功和理想功，就可以判断实际过程的不可逆程度。,耗功过程：,反映过程可逆的程度, 是高级能量的利用率.,3、热力学效率（ ）,产功过程：
7、,例 65 某合成氨厂中甲烷蒸汽转化工段转化气量为5160,，因工艺需要，将其温度从1000降到380。现有,废热锅炉机组回收余热，已知通过蒸汽透平回收到的实际功为,。试求：（a）转化气降温过程的理想功；（b）,余热利用动力装置的热效率；（c）此余热利用过程的热力学效率。,已知大气温度为30 ，设转化气降温过程压力不变，在380 ,1000 温度范围平均等压热容,，废热锅炉和透平的热损失可忽略不计，透平乏气直接排入大气。,解,计算以每吨氨气为基准。,（a）求转化气降温过程的理想功。由式（65）可知，理想功为,式中： 和 是转化气降温过程的焓变和熵变。每吨氨转化,气的千摩尔数m为,废热锅炉热损失
8、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。,（b）求余热利用动力装置的热效率,（c）求热力学效率,由热力学第一定律，稳流过程的实际功为：,故：,三、不可逆过程的损耗功,损耗功：当状态变化相同时，实际过程比完全可逆过程少产生的功或多消耗的功称为损耗功。,定义：,由上式可知，损耗功与孤立体系总熵变成正比。根据熵增,高乌-斯托多拉公式,对于多股物料的开系：,最大的部位，能量可利用的量最多。,当实际功无法求出时，可通过理想功和损耗功求热力学效率,，再求实际功。,产功：,耗功：,就要减少 ，增加 。,例 66 蒸汽在管道中常会由于保温不良而发生冷凝，蒸汽 具有作功的能力，在冷凝成水的过
9、程中将蒸汽的作功能力损耗掉 。试计算1kg蒸汽处于0.4154MPa、145下冷凝成同样压力和温 度的水时的热损失与损耗功。已知大气温度为25。,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,145 饱和水的焓和熵为,（a）求蒸汽冷凝过程的热损失,根据式（423a）,（b）求蒸汽冷凝过程的损耗功,根据式（613）也可用式（613a）,在管道中每输送1kg蒸汽，若保温不良，则其热损失为2129.7 kJ，这就是说，2129.7kJ的热量通过卡诺热机可提供612.10kJ的 功。此冷凝过程的理想功也为612.10kJ，验算如下：,例 67 设有两股理想气体在混合器中进行等温（
10、）混合。,合后压力仍为P，试求混合过程的损耗功 与理想功 。,解,等温混合器,图 62 理想气体稳定流动混合过程,混合前两股气体的压力均为P，混合后其分压分别降至,根据敞开体系稳流过程熵产生的计算式（515），可得等温混 合过程的熵产为,根据热力学第一定律,即,若有i股气体进行等温混合，则上式 变成,程的损耗功为,由于理想气体等温混合过程焓值不变，与外界又无轴功交换，故,过程是绝热的，因此，稳定流动绝热混合过程物流的熵变即为熵 产量，所以稳流等温混合过程的理想功与损耗功相等,稳定流动分离过程的理想功为,分离过程是混合过程的逆过程，理想气体在 环境温度下进行,同样，对于1mol要分离的物料，其分离过程理想功为,等温混合过程对于每个组分而言，是等温膨胀过程；反之，等温,分离过程对于每个组分而言，是等温压缩过程。混合过程是自发 过程，理想功大于零；分离过程是非自发过程，理想功小于零。,例 68 欲将0.10133MPa（1atm）、25的空气分离成相同 温度、压力下的纯氮和纯氧，至少需要消耗多少功？,解,设空气中氮的摩尔分数为0.79，氧的摩尔分数为0.21，,根据式（619a），对1mol空气分离最小功为,
