第五章-化工过程的能量分析y课件.ppt

1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.0 热力学基本概念复习热力学基本概念复习5.1 热力学第一定律与能量平衡方程热力学第一定律与能量平衡方程5.2 热功转换热功转换5.3 熵熵5.4 理想功和损失功理想功和损失功5.5 火用及其计算火用及其计算2022-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习 1、体系与环境、体系与环境 2、状态和状态函数、状态和状态函数 3、过程、过程 4、热和功、热和功体系体系环境环境上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16体系（体系（System）在科学研究时必须先确定在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其研究对象，把

2、一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种的，也可以是想象的。这种被被划定的研究对象称为体系划定的研究对象称为体系，亦，亦称为称为物系或系统物系或系统。环境（环境（surroundings）与体系密切相关、有相互与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为作用或影响所能及的部分称为环境。环境。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1 1）敞开体系）敞开体系 体体系与环境之间系与环境之间既有物质既有物质交换交换，又有能量交换又有能量交换。（2 2

3、）封闭体系）封闭体系 体系与环境之间体系与环境之间无物无物质交换质交换，但，但有能量交换有能量交换。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16（3 3）孤立体系（）孤立体系（isolated system）体系与环境之间体系与环境之间既无物质交换既无物质交换，又无能量交换又无能量交换，故又称为故又称为隔离体系隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑环境一起作为孤立体系来考虑。2022-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习2 2、状态和状态函数、状态和状态函数 状态状态：某一瞬间体系呈现的宏观状况。：某一瞬间体系

4、呈现的宏观状况。平衡状态平衡状态：在没有外界影响的条件下，如果：在没有外界影响的条件下，如果体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系体系的宏观状态不随时间而改变，则称体系处于热力学平衡状态。处于热力学平衡状态。热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，热平衡，力平衡，相平衡，化学平衡，即温度差，压力差，化学位差均为零。压力差，化学位差均为零。状态函数状态函数：由于体系的各种宏观性质，是所：由于体系的各种宏观性质，是所处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观处状态的单值函数，所以热力学把各种宏观性质称为状态函数。性质称为状态函数。常用的状态函数有常用的状态函数有P，V，T，U，H，S，A，G202

5、2-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习“状态一定值一定，殊途同归值变等，周而复始变化零。”循环过程：循环过程：状态状态1 1 状态状态2 2 状态状态3 3 H=0,U=0,V=0,S体系体系=0（当然（当然 S总总0)2022-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习3 3、过程、过程指体系自指体系自一平衡状态一平衡状态到到另一平衡状态另一平衡状态的转换的转换对某一过程的描写：对某一过程的描写：初态初态+终态终态+路径路径.不可逆过程：不可逆过程：一个单向过程发生之后一定留一个单向过程发生之后一定留下一些痕迹，无论用何种方法也不能将此痕下一些痕迹，无论用何种

6、方法也不能将此痕迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程迹完全消除，在热力学上称为不可逆过程凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可凡是不需要外加功而自然发生的过程皆是不可逆过程（自发过程）。逆过程（自发过程）。如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等如：爆炸、节流、气体向真空自由膨胀等2022-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习P,V,T无限小的沙子。无限小的沙子。带活塞的气缸带活塞的气缸拿走一粒无限小的沙子，拿走一粒无限小的沙子，dP减少无限小，减少无限小，推动力无限小，可以忽略不计。推动力无限小，可以忽略不计。可逆过程：可逆过程：当体系完成某一过程后，如果令过程当体系完成某一

7、过程后，如果令过程逆行逆行而能使过程中所涉及的一切而能使过程中所涉及的一切(体系及环境体系及环境)都都回复到原始状态回复到原始状态而而不留下任何变化不留下任何变化，则此过程称则此过程称为可逆过程为可逆过程1）可逆过程可逆过程一旦发生，不仅一旦发生，不仅体系体系能能恢复到原来状态恢复到原来状态，而且而而且而环境环境也能也能恢复到原来状态而不留下任何痕迹恢复到原来状态而不留下任何痕迹。（循环过程是否是可逆过程？循环过程是否是可逆过程？）2022-12-162）若是）若是可逆过程，可逆过程，位的梯度即位的梯度即推动力需为无限小推动力需为无限小；若存在；若存在推动力则是实际过程，而非可逆过程。推动力则

8、是实际过程，而非可逆过程。3）可逆过程可逆过程是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想是实际过程中只能趋近而永远不能实现的理想过程，其本质是状态变化的过程，其本质是状态变化的推动力与阻力无限接近推动力与阻力无限接近，体，体系始终无限接近平衡状态。系始终无限接近平衡状态。4）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能）但它是热力学中极为重要的概念，是作为实际过程中能量转换效果量转换效果比较的标准比较的标准。若说某体系效率为若说某体系效率为80%，是指与是指与可逆过程比可逆过程比。5 5）可逆过程可逆过程是是效率最高效率最高的过程。的过程。体系对外做最大功。体系对外做最大功。体系对外吸收最小

9、功。体系对外吸收最小功。6 6）很多热力学关系式是在）很多热力学关系式是在可逆过程的前提下可逆过程的前提下推导出来的。推导出来的。如：如：QdST 2022-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习 4 4、热和功、热和功1 1）热和功不是）热和功不是状态函数，与途径有关状态函数，与途径有关。2 2）热和功只是能量的传递）热和功只是能量的传递形式，而不是贮存形形式，而不是贮存形式。式。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加增加的是内能。的是内能。U+热力学第一定律热力学第一定律3 3）按照按照国际规定国际规定:体系吸热为正，体系吸热为正，0，体系放热

10、为负，体系放热为负,0 ，体系对环境作功，体系对环境作功,02022-12-165.0 热力学热力学基本概念复习基本概念复习特别提醒：特别提醒：过去的教材中习惯用过去的教材中习惯用 U=Q-W表示，两种表达式完全表示，两种表达式完全等效，只是等效，只是W的取号不同。用该式表示的的取号不同。用该式表示的W的取号为：的取号为：环境对体系作功，环境对体系作功，W0。本新版教材用的是本新版教材用的是U+，敬请注意，敬请注意！4)热热的推动力是的推动力是温差温差。功功的推动力是除温差以外的的推动力是除温差以外的位的梯度。位的梯度。5）热量热量的传递是的传递是无序无序的，热量是规格的，热量是规格低低的能量

11、。的能量。功功的传递是的传递是有序有序的，的，功是规格功是规格高高的能量。的能量。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 5.1.1 热力学第一定律热力学第一定律 5.1.2 稳定流动体系的热力学原理稳定流动体系的热力学原理 5.1.3 稳流体系能量平衡方程及其应用稳流体系能量平衡方程及其应用上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16热力学第一定律热力学第一定律U+只适合封闭体系只适合封闭体系!热力学第一定律的热力学第一定律的数学表达式：数学表达式：上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16稳定流动稳定流动 敞开体系敞开体系 稳定、连续、稳定、连续、流进、流进、流出

12、，不随时间变流出，不随时间变化，没有化，没有能量和物能量和物料的积累料的积累。化工过程中最常用化工过程中最常用不能用不能用U+来表达来表达!上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：化工生产中所涉及到的能量，主要有两大类：物物质的能量质的能量、能量传递的两种形式能量传递的两种形式。1、物质的能量、物质的能量E(以以1kg为基准为基准)v动能：动能：E Ek k=u2/2v内能：内能：U=f(T,P,x)v位能：位能：E EP P=gZ2、能量传递的两种形式、能量传递的两种形式(以以1kg为基准为基准)在各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能在

13、各种热力学过程中，体系与环境之间常发生能量的传递，能量传递的形式有两种，即量的传递，能量传递的形式有两种，即热热和和功功。2022-12-16v热热:系统与环境之间由于温差而引起的相互交换系统与环境之间由于温差而引起的相互交换的能量，用的能量，用Q表示。表示。规定规定：系统获得的热量，其值为正；反之为负。：系统获得的热量，其值为正；反之为负。v功功W：1.对流动系统：包括两部分对流动系统：包括两部分(1)流体通过机械设备的流体通过机械设备的旋转轴与环境旋转轴与环境所交换的能量，所交换的能量，称为称为轴功轴功Ws。(2)物料在连续流动过程中，由于流体内部相互推动所物料在连续流动过程中，由于流体内

14、部相互推动所交换的功，称为交换的功，称为流动功流动功Wf=PV。管道截面积管道截面积A m2 1kg流体流体 Vm3/kg P 流动功流动功F.S =（P.A）.(V/A)=PV J/K g2022-12-16注意注意：*热热和和功功只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的只是在能量传递中出现，并非系统本身具有的能量，故不能说能量，故不能说“某物质具有多少热或功某物质具有多少热或功”。当能量以热和功的当能量以热和功的形式形式传入体系后，传入体系后，增加的是内能增加的是内能。如：如：在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热在换热设备中，冷热流体进行热交换，结果是热流体内能降低。冷流体内能增加。

15、流体内能降低。冷流体内能增加。*热热和和功功是过程函数，非状态函数。是过程函数，非状态函数。2.对非流动系统对非流动系统，特定设备（如带活塞的气缸）中，因，特定设备（如带活塞的气缸）中，因流体体积改变而与环境交换的能量，称为流体体积改变而与环境交换的能量，称为体积功体积功W。规定规定：系统得功，其值为正；反之为负。：系统得功，其值为正；反之为负。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 以以1Kg为基准为基准!Q为体系吸收的热量为体系吸收的热量 W为体系与环境交换为体系与环境交换的功。的功。截面截面1的能量的能量E1E1=U1+gZ1+u12/2 截面截面2的能量的能量E2E2=U2

16、+gZ2+u22/2P1,V1,Z1,u1P2,V2,Z2,u2上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16根据能量守恒原理：根据能量守恒原理：进入体系能量进入体系能量=离开体系能量离开体系能量+体系内积累的能量体系内积累的能量 稳定流动体系稳定流动体系无能量的积累无能量的积累 E1+Q=E2-W（1）体系与环境交换的功体系与环境交换的功W包括与环境交换的包括与环境交换的轴功轴功Ws 和和流动功流动功Wf，即即W=Ws+Wf 其中：其中：Wf=P1V1-P2V2 所以所以 W=Ws+P1V1-P2V2 (2)E=U+gZ+u2/2 (3)将将(2)、(3)代入（代入（1）可得）可得(4)

17、式式上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16）（422sWQuZgH 焓变焓变位能变位能变化化动能变动能变化化上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16喷嘴喷嘴扩压管扩压管节流阀节流阀透平机透平机压缩机压缩机混合装置混合装置换热装置换热装置上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 应用中的简化应用中的简化1）流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机 u20，g Z0 H=Q+Ws稳流过程中稳流过程中最常用最常用的公式的公式若绝热过程若绝热过程Q=0，Ws=H=H2-H1高压高温高压高温蒸汽带动透平产生蒸汽带动透平产生轴功轴功。sWQuZgH 22上一内容下一内容

18、回主目录O返回2022-12-162）流体通过换热器、管道、混合器）流体通过换热器、管道、混合器 Ws=0，u2=0，g Z=0 H=Q如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交如发生化学反应，相变化，温度变化时，与环境交换的热量（反应热，相变热，显热）等于换的热量（反应热，相变热，显热）等于体系的焓体系的焓差差。sWQuZgH 22体系状态变化，如体系状态变化，如化学反应化学反应 相变化相变化 温度变化温度变化 反应热反应热 相变热相变热 显热显热 Q H 用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程用于精馏、蒸发、吸收、结晶过程上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-163）流体通过节流阀门或多

19、孔塞，如节流膨）流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪蒸过程。胀或绝热闪蒸过程。Ws=0，u2=0，g Z=0，Q=0 H=0sWQuZgH 22上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-164）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）流体通过喷嘴获得高速气体（超音速）例：例：火箭火箭、化工生产中的、化工生产中的喷射器喷射器。Q=0，g Z=0 ，Ws=0 H=-u2/2 ；u2 u1sWQuZgH 22)(2212HHu 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律）对封闭体系，退化为封闭体系热力学第一定律 u2=0，g Z=0 。H=Q

20、+WS 又又 H=U+PV U=Q+WsWQuZgH 22=Q+W-Wf=Q+W+P1V1-P2V2流动功流动功Wf=P1V1-P2V2上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-161、注意区别：、注意区别：U=Q+W 封闭体系封闭体系 H=Q+Ws 稳定流动体系稳定流动体系2、注意符号、注意符号：热量热量：体系：体系吸热为正吸热为正（+），体系），体系放热为负放热为负（-）；功：功：外界对体系做功为外界对体系做功为正正（+），体系），体系对外做功为负对外做功为负（-）。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16例例 1 1.5MPa的湿蒸汽在量热计中被节流到的湿蒸汽在量热计中被节

21、流到0.1MPa和和403.15K，求湿蒸汽的干度，求湿蒸汽的干度 解22suHg zQW 节流过程无功的传递，节流过程无功的传递，忽略散热、忽略散热、动能变化动能变化和位能变化和位能变化12HH T H kJ/kg1202716.61602796.2130H222716.61301201601202796.22716.6H 22736.5/HkJ kg 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 1.5MPa 饱和液体焓值饱和液体焓值 Hl=844.9 kJ/kg 饱和蒸汽焓值饱和蒸汽焓值 Hg=2792.2 kJ/kg 11lgHHxH x 212736.5/HHkJ kg 127

22、36.5844.90.97092792.2844.9lglHHxHH 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.2.1 热功转换的不等价性热功转换的不等价性5.2.2 热力学第二定律热力学第二定律5.2.3 热机工作原理热机工作原理5.2.4 热机效率热机效率5.2.5 卡诺循环卡诺循环5.2.6 可逆机的效率可逆机的效率上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.2.1 热功转换的不等价性热功转换的不等价性热功转换的不等价性热功转换的不等价性功可以功可以100%100%转变为热转变为热热不可能热不可能100%100%转变为功。转变为功。热、功的不等价性正是热力学第二定律

23、所表热、功的不等价性正是热力学第二定律所表述的一个基本内容。述的一个基本内容。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 我们可以使这些过我们可以使这些过程按照相反方向进程按照相反方向进行，但是需要消耗行，但是需要消耗功。功。第一定律没有说明第一定律没有说明过程发生的方向，过程发生的方向，它告诉我们能量必它告诉我们能量必须守衡。须守衡。第二定律告诉我们第二定律告诉我们过程发生的方向。过程发生的方向。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.2.2 热力学第二定律热力学第二定律克劳修斯（克劳修斯（Clausius）的说法：的说

24、法：“不可能把不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。变化。”开尔文（开尔文（Kelvin）的说法：的说法：“不可能从单一热不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。变化。”不可能把热从低温物不可能把热从低温物体传到高温物体，而体传到高温物体，而不引起其它变化不引起其它变化上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.2.3 热机工作原理热机工作原理热机工作原理：热机工作原理：工质从高温工质从高温T1热源吸收热源吸收Q1的热的热量，量，一部分一部分通过热机用来对外通过热机用来对外做功

25、做功W，另一部分另一部分Q2 的热量放的热量放给低温给低温T2 热源热源。U=Q+W 循环过程循环过程 U=0W=Q1-Q2热机示意图热机示意图上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 热机效率热机效率：将将热机所作的功热机所作的功W与所吸的与所吸的热热Q1之比称为热机效率之比称为热机效率,用用表示。表示。热机效率大小与过程的可逆程度有关。热机效率大小与过程的可逆程度有关。卡诺定理：卡诺定理：所有工作于所有工作于同温热源和同温冷同温热源和同温冷源源之间的热机，其效率都不能超过可逆之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即机，即可逆机的效率最大可逆机的效率最大。11121211 QQQQQ

26、QW 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.2.5 卡诺循环（卡诺循环（Carnot cycle）等温可逆膨胀等温可逆膨胀绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝热可逆压缩绝热可逆压缩上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16TS等温可逆膨胀等温可逆膨胀绝绝热热可可逆逆膨膨胀胀等温可逆压缩等温可逆压缩绝绝热热可可逆逆压压缩缩5.2.5 卡诺循环（卡诺循环（Carnot cycle）卡诺定理推论：卡诺定理推论：所有所有工作于工作于同温热源同温热源与与同同温冷源之间温冷源之间的可逆机，的可逆机，其其热机效率都相等热机效率都相等，即与热机的工作物质即与热机的工作物质

27、无关。无关。卡诺定理的意义：卡诺定理的意义：解决了热机效率的解决了热机效率的极限值问题。极限值问题。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16121max1TTQW 可逆机的效率可逆机的效率：Tl高温热源的温度，高温热源的温度，K。最高限最高限为锅炉的使用极限，约为锅炉的使用极限，约450oC。栖化。栖化800oC T2低温热源的温度，低温热源的温度，K。最低限最低限为环境温度。南京夏天为环境温度。南京夏天30oC，北极，北极-50oC 南京夏天南京夏天max=58%；北极；北极 max=79%。火力发电厂的热效率大约为火力发电厂的热效率大约为40%上一内容下一内容回主目录O返回202

28、2-12-16熵熵5.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用5.3.2 熵增原理熵增原理5.3.3 熵变的计算熵变的计算5.3.4 熵平衡熵平衡上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16热力学第二定律的本质与熵的概念热力学第二定律的本质与熵的概念凡是凡是自发的过程都是不可逆的自发的过程都是不可逆的，而一切不可，而一切不可逆过程都可以归结为逆过程都可以归结为热转换为功的不可逆性热转换为功的不可逆性。一切一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行行，而，而熵熵函数可以作为体系函数可以作为体系混乱度混乱度的一种量的一种量度。度。上一内容下一内容回主目录O返回20

29、22-12-165.3.1 熵熵的定义及应用的定义及应用1、熵、熵S的定义的定义)1()(可逆可逆TQdS PVABC C(可逆可逆)D(可逆可逆)F(不可逆不可逆)ADBACBTQTQdS可逆可逆可逆可逆)()(任意任意可逆过程可逆过程的热温商的值的热温商的值决定于始终状态，而与可逆决定于始终状态，而与可逆途径无关，途径无关，这个热温商具有这个热温商具有状态函数的性质。状态函数的性质。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-162、不可逆过程的、不可逆过程的熵变熵变 由于由于S是是状态函数状态函数，体系不可逆过，体系不可逆过程的程的熵变熵变，与可逆过程的与可逆过程的熵变熵变相等相等3、

30、Clausius 不等式不等式可逆可逆可逆可逆不可逆不可逆)(TQdSdS PVABC C(可逆可逆)D(可逆可逆)F(不可逆不可逆)2()(不可逆不可逆TQdS AFBTQTQ不可逆不可逆可逆可逆推导可得推导可得)()(不可逆不可逆可逆可逆 5.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16总结总结(1)、(2)式得式得(3)式式）（3)(TQdS “”“”号为不可逆过程；号为不可逆过程；“=”“=”号为可逆过程号为可逆过程Clausius 不等式不等式4 4、对于孤立体系：、对于孤立体系：Q=00d 孤立孤立S熵增原理：熵增原理：一个孤立体一个孤立体

31、系的熵永不减少。系的熵永不减少。5.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用)1()(可逆可逆TQdS )2()(不可逆不可逆TQdS 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16“”“”号为自发过程，号为自发过程，“=”“=”号为可逆过程号为可逆过程任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作任何一个体系与它的环境捆绑在一起均可看作一个一个孤立体系孤立体系!0 环境环境体系体系总总dSdSdS注意：注意：判断孤立体系是否自发过程的依据是判断孤立体系是否自发过程的依据是总熵总熵变大于变大于0 0，而不是，而不是体系的熵变大于体系的熵变大于0 0。环境环境孤立体系孤立体系体系体系5.3.1 熵的定

32、义及应用熵的定义及应用上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用0)(可逆可逆环境环境环境环境TQdS 0)(可逆可逆体系体系体系体系TQdS 5 5、对于绝热体系（、对于绝热体系（Q体系体系=0；Q环境环境=0）1 1）绝热可逆过程）绝热可逆过程0 总总dS绝热体系绝热体系Q体系体系=0环境环境Q环境环境=0上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-160)(可逆可逆环境环境环境环境而而TQdS 0)(不可逆不可逆体系体系TQ 0 体系体系dS不可逆不可逆体系体系体系体系)(TQdS 2 2）绝热不可逆过程）绝热不可逆过程（Q Q体系体系=

33、0=0；Q Q环境环境=0 0）这是因为不管体系发生的这是因为不管体系发生的是否可逆过程，由于环境是否可逆过程，由于环境的热源无限大，环境的变的热源无限大，环境的变化可视为可逆过程。化可视为可逆过程。0 总总dS5.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 例例3：某一铸钢（：某一铸钢（Cp=0.5KJ/Kg K），重量为），重量为40Kg，温度为，温度为4500C，用，用150Kg，250C的油（的油（Cp=2.5KJ/KgK）冷却。假）冷却。假使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？使没有热损失，则以下各项熵的变化为多少？1）铸钢；）铸钢；2）

34、油；油；3）两者一起考虑。并判断过程是否自发的。）两者一起考虑。并判断过程是否自发的。解：铸钢散失的热为解：铸钢散失的热为Q1=150*0.5（T-450）；油获取的热为）；油获取的热为Q2=150*2.5（T-25）。）。Q1=-Q2 解得解得T=46.520C K/kJ.TTlnCnTTCnSpTTp3316d11221 铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢铸钢）K/kJ.TTCnSTTp13526d221 油油油油油油）同理：）同理：K/kJ.SSS80913263163 铸钢铸钢油油总总）答：该过程是自发过程。答：该过程是自发过程。5.3.1 熵的定义及应用熵的定义及应用上一内容下一内

35、容回主目录O返回2022-12-165.3.2 熵增原理熵增原理熵增原理指出熵增原理指出：一切自发的过程只能向一切自发的过程只能向总熵值增加总熵值增加的方向的方向举行，它提供了判断过程方向的准则。当举行，它提供了判断过程方向的准则。当总熵值达到最大，也即体系达到了平衡总熵值达到最大，也即体系达到了平衡。应用熵增原理时应注意：应用熵增原理时应注意：孤立体系孤立体系 总熵变总熵变上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-165.3.3 熵变的计算熵变的计算&仅有仅有PVTPVT变化的熵变变化的熵变&有相变过程的熵变有相变过程的熵变&环境的熵变环境的熵变上一内容下一内容回主目录O返回2022-1

36、2-161、有、有PVT变化变化的熵变的熵变dPPSdTTSdSTp VTSSdSdTdVTVdPTVdTTCdSpp VVCPdSdTdVTT 熵变的计算熵变的计算用用EOS计算计算1）理想气体（物理化学中学过）理想气体（物理化学中学过）2）真实气体用）真实气体用SRK,PR方程方程需要特别指出的是：工程上多数使用图表直接得到不同需要特别指出的是：工程上多数使用图表直接得到不同状态的状态的S（第三章），继而得到熵变。（第三章），继而得到熵变。上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16理想气体有PVT变化的熵变（物化中学过）(1)理想气体理想气体等温等温变化变化21ln()VSnRV

37、)ln(21ppnR(2)物质的量一定的物质的量一定的等容等容变温过程变温过程 21dm,TTpTTnCS(3)物质的量一定的物质的量一定的等压等压变温过程变温过程 21dm,TTVTTnCS上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16理想气体有PVT变化的熵变（物化中学过）21,m12dln()TpTnCTpSnRpT 2).先等温后等压先等温后等压22,m,m11ln()ln()pVVpSnCnCVp*3).先等压后等容先等压后等容(4)物质的量一定物质的量一定从从 到到 的过程的过程。这种情。这种情况一步无法计算，要况一步无法计算，要分两步分两步计算，有三种分步方法：计算，有三种分

38、步方法：111,p V T222,p V T1.)先等温后等容先等温后等容21,m21dln()TVTnCTVSnRVT 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16熵变的计算熵变的计算体系体系环境环境环境环境环境环境dSTQdS (1)体系体系可逆变化：可逆变化：(2)体系是不可逆变化时：体系是不可逆变化时：但由于环境很大，可将体但由于环境很大，可将体系与环境交换的系与环境交换的热量热量设计设计成另一个可逆过程交换的成另一个可逆过程交换的热量。热量。3 3、环境环境的熵变的熵变2、有、有相变相变过程过程的熵变的熵变等温等压可逆相变等温等压可逆相变（若是不可逆相变，（若是不可逆相变，应设

39、计可逆过程）应设计可逆过程）(HST 相变）相变）相变）相变）相变）相变）环境环境体系体系环境环境TQdS 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16等温变化的熵变例题等温变化的熵变例题 例例4：1mol理想气体在理想气体在20oC下等温，由下等温，由10 atm变化到变化到1atm：(1)可逆膨胀，可逆膨胀，(2)不可逆膨胀，不可逆膨胀，(3)真空膨胀，分别求其熵变。真空膨胀，分别求其熵变。解：解：molcalPPRTPdVTQS/6.4ln21 体系体系体系体系体系，理想气体体系，理想气体10atm,20oC体系，体系，理想气理想气体体1atm,20oC环境环境1atm,20oC环

40、境环境1atm,20oC1 1）可逆过程可逆过程molcalPPRSS/6.4ln21 体系体系环境环境0 总总S PdVWQU体系体系体系体系等温等温0 U=Q+W上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16等温变化的熵变例题等温变化的熵变例题 环境环境环境环境TPdVS环境环境外外（TVVP)12 21(RTRTPTPP 外体系体系外体系体系环境环境）2 2）不可逆过程不可逆过程12ln4.6/PSRcal molP体系体系环境环境体系体系环境环境环境环境环境环境TQTQS molcalS/8.2 总总molcal/8.1 PdVWQU体系体系体系体系等温等温0 U=Q+W上一内容下

41、一内容回主目录O返回2022-12-16等温变化的熵变例题等温变化的熵变例题 环境环境环境环境TPdVS0环境环境外外（TVVP)12 3)3)真空膨胀真空膨胀molcalPPRS/6.4ln21 体系体系环境环境体系体系环境环境环境环境环境环境TQTQS molcalS/6.4 总总4)4)比较比较可逆可逆总总不可逆不可逆总总真空真空总总）（）（）（SSS 不可逆性越大，不可逆性越大，总熵变越大！总熵变越大！上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题），冰（冰（），水（水（凝，凝，？atmCatmCoHSo110110263 11HS ），冰（冰（

42、atmCo10例例5：求：求1mol过冷水在过冷水在1atm，-10oC的凝固为冰的熵差。的凝固为冰的熵差。已知已知H2O在在1atm、0oC的凝固热为的凝固热为-6020J/mol，Cp冰冰=37.6J/mol.K；Cp水水=75.3J/mol.K。解33HS ），水（水（atmCo10 ，可逆相变，可逆相变，凝，凝，2732HS上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题K/J.TTlnnCS,p82121 水水 K/J.TTlnnCS,p41213 冰冰 KJTHS/0.2215.27360202732 凝凝凝，凝，KJS/59.204.10.2

43、281.2 环境环境体系体系环境环境环境环境环境环境TQTQS KJH/44.2115.263564315.263263 凝，凝，JHHHH564332731263 凝，凝，凝，凝，044.2159.20 环境环境体系体系总总SSS该过程是自该过程是自发进行的！发进行的！dTCHdTCHpp 10030101，冰，冰，水，水上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题，饱和水，饱和水，水蒸汽，水蒸汽，解：解：不可逆相变，不可逆相变，CCMPaoSo252857 例例6：有一股压力为：有一股压力为7.0MPa的水蒸汽，经稳流过程变的水蒸汽，经稳流过程变成

44、成250C的饱和水，求体系的熵变。的饱和水，求体系的熵变。，水，水，水汽，水汽，可逆相变，可逆相变，CMpa.CMpa.oSo10010130100101302，水蒸汽，水蒸汽，CMPao1007这些物化的这些物化的方法太繁！方法太繁！怎么办？怎么办？上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16相变过程的熵变例题相变过程的熵变例题P,MPaT,0CS(KJ/Kg.K)7.00（蒸汽）（蒸汽）2855.8133水水250.3674 化工热力学的方法：化工热力学的方法：1）先用公式计算好数据画成图表）先用公式计算好数据画成图表（第三章（第三章S、H的计算）的计算）；2）应用时查图表直接得到）

45、应用时查图表直接得到不同状态的不同状态的S，继而得到熵变。，继而得到熵变。更现代的方法是直接用更现代的方法是直接用EOS计算。计算。，饱和水，饱和水，水蒸汽，水蒸汽，解：解：不可逆相变，不可逆相变，CCMPaoSo252857 S体系体系=0.3674-5.8133=-5.445 KJ/Kg.K查水蒸汽表：查水蒸汽表：该方法简单，直接！该方法简单，直接！上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16过程过程S总总S体系体系S环境环境总则总则0，+0，+，-0，+，-可逆可逆0不可逆不可逆+绝热可逆绝热可逆000绝热不可逆绝热不可逆+0可逆循环可逆循环000不可逆循环不可逆循环+0+环境环境

46、体系体系TQ 可逆可逆体系体系 )(TQ 可逆可逆体系体系)(TQ 可逆可逆体系体系)(TQ 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 熵增熵增的过程即是的过程即是能量损耗能量损耗的过程的过程 熵平衡熵平衡就是用来检验过程熵的变化，它就是用来检验过程熵的变化，它可以精确地衡量过程的可以精确地衡量过程的能量有效利用能量有效利用上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 敞开体系的熵平衡方程敞开体系的熵平衡方程入入iiSm 出出iiSm TQ/产生产生出出进进积累积累熵熵熵熵熵熵熵熵 产生产生出出入入体系体系SSmTQSmSiiii 产生产生S 不可能不可能可逆过程可逆过程不可逆

47、过程不可逆过程产生产生产生产生产生产生000 SSS上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-161、应用于封闭体系、应用于封闭体系产生产生体系体系STQS 0 产生产生若是可逆过程若是可逆过程 S0 出出入入iiiiSmSm TQS 体系体系则则产生产生出出入入体系体系STQSmSmSiiii 2、应用稳定流动过程应用稳定流动过程0 体系体系稳流体系的稳流体系的 S0 产生产生出出入入STQSmSmiiii 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 例例7：有人有一发明如下，请判断它的可行性：有人有一发明如下，请判断它的可行性水水CKg 0,1饱和蒸汽饱和蒸汽CKg 100,1

48、装置T=450KT=450K环境环境1 1T=273KT=273K环境环境2 20QKgKJQ/18601 kKgKJSKgKJH./354.7/1.267622 0011 SH高温储高温储热器热器冷却水冷却水上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定解题思路：是否同时符合热力学第一、第二定律（能量守恒、总熵变律（能量守恒、总熵变 0）；）稳流体系，）稳流体系，解：解：KgKJQHHQQHWS/1.81618601.26760011210 ；）蒸汽经过装置的）蒸汽经过装置的蒸汽蒸汽KgKJSSS/3549.721 816.12.9894273S

49、环境环境0/2322.0 KgKJSSSS环境环境环境环境蒸汽蒸汽总总答：不可行答：不可行18604.1333450S环境环境P.111P.111例例 5-45-4上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 理想功理想功Wid 损失功损失功WL 热力学效率热力学效率上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16复习：功与过程复习：功与过程）（膨胀膨胀12VVPWe 设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中设在定温下，一定量理想气体在活塞筒中克服外压克服外压 ,经经4 4种不同途径，体积从种不同途径，体积从V1 1膨胀膨胀到到V2 2所作的功。所作的功。ep体系所作的功如阴影面积所示。体

50、系所作的功如阴影面积所示。膨胀过程膨胀过程：1.1.自由膨胀自由膨胀（free expansion）2.2.等外压膨胀等外压膨胀（pe保持不变）保持不变）012 ）（膨胀膨胀VVPWe0 eP上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16复习：功与过程复习：功与过程）（VVP P2，V2P1，V13.3.多次等外压膨胀多次等外压膨胀）（多级膨胀多级膨胀1VVPW ）（22VVP 上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16复习：功与过程复习：功与过程4.可逆膨胀过程可逆膨胀过程12lnVVnRTW 可逆膨胀可逆膨胀上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-16 在外压为在外压为