第四章热力学基本定律及其应用

第四章热力学基本定律及其应用 本章计划学时：12 本章重点：稳定流动过程及其热力学原理理论基础：热力学第一定律和第二定律研究内容：分析能量转化、传递、使用、损失及其原因和部位，以改进工艺过程，提高能量的利用率。

第一节热力学第一定律 热力学第一定律：自然界的一切物质都具有能量，能量有不同形式，能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，在转变过程中总能量是守恒的。

1 能量的种类 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。（1）热力学能热力学能用U表示，它是在分子尺度层面上与物质内部粒子的微观运动和粒子的空间位置有关的能量。热力学能包括分子平动、转动和振动具有的动能，以及分子间由于相互作用力的存在而具有的位能（2）宏观动能

（3）重力位能 （4）物系之间、物系与环境之间交换的第一种形式的能量——传热由于温度不同而引起的能量传递叫做传热规定物系吸收能量时Q为正值；物系向环境放热时Q为负值。

（5）物系之间、物系与环境之间交换的 第二种形式的能量——做功功：物系与环境之间除了传热之外的能量交换物系得到功，记为正值；物系向环境做功，记为负值。功和热都不是状态函数。

①流动功 流体自身没有固定的形状，它的形状与剩放它的容器的形状一致，流体承受的压力不同，它的体积不同。流体在流动过程中，压力和体积在不断的变化，流体从状态 P1、V1变化到状态P2、V2与环境交换的功，称为流动功 W=pAh=pV

②可逆轴功 流体流动过程中通过机械设备的旋转轴在体系和环境之间交换的功称为轴功，用WS表示。在化工设备中，常用的动力设备，如耗功设备（泵、风机和压缩机）、产功设备（蒸汽透平、燃气轮机）都是通过机械设备的轴功实现体系与环境之间轴功的交换。

单位质量的流体通过动力设备时，如果在可逆条件下，流单位质量的流体通过动力设备时，如果在可逆条件下，流体所做的可逆体积功为：

热力学第一定律的数学表达式（能量平衡方程）热力学第一定律的数学表达式（能量平衡方程）（1）敞开体系的能量平衡方程

（2）封闭体系的能量平衡方程

（3）稳流系统的能量平衡方程 化工生产中，大多数的工艺流程都是流体流动通过各种设备和管线，如果流动过程中体系内流体的质量相等，同时体系内任何一点的物料状态不随时间而变化，即体系没有质量和能量的积累，这种流动体系通常被称为稳流体系。

①流体流经换热器、反应器、管道等设备 物系与环境之间没有轴功的交换，WS=0 进出口之间动能的变化和位能的变化可以忽略

②流体流经泵、压缩机、透平等设备 体系在设备进出之间动能的变化、位能的变化与焓变相比可以忽略不计

③流体流经喷管和扩压管 流体流经设备如果足够快、可以假设为绝热，Q=0 设备没有轴传动结构，WS=0 流体进出口高度变化不大，重力势能的改变可以忽略，g△z=0

④流体经过节流膨胀、绝热反应和绝热混合等过程④流体经过节流膨胀、绝热反应和绝热混合等过程体系与环境没有热量交换、也不做轴功，进出口动能、位能的变化可以忽略不计 △H=0

⑤伯努利方程

例题1 换热器是化工生产中应用最广的传热设备，若有50kg的空气以5m﹒s-1的速率流过一高度为3m、垂直安装的换热器，空气在换热器中从30℃被加热到150℃，试求空气从换热器中吸收的热量。空气可看成理想气体并忽略进、出换热器的压力降，空气的平均等压热容Cpid=1.005KJ﹒Kg-1﹒K-1

第二节热力学第二定律 自然界中任何过程的发生都遵循热力学第一定律和热力学第二定律；热力学第一定律是从能量转化的量的角度来衡量、限制并规范过程的发生；热力学第二定律是从过程的方向性上规定着过程的进行。

热力学第二定律的描述 （1）克劳修斯（Clausius）说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。（2）开尔文（Kelvin）说法：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不引起其它变化。实质：自发过程都不可逆。

1 熵与熵增原理 （1）熵的定义

（2）熵增原理

注意事项： （1）从微观意义上讲，熵是系统混乱度的量度。任何实际可以进行的过程都是从总的有序性变为无序性，向混乱度增加的方向变化，向熵值增大的方向进行。（2）总熵变增加是能量品位降低的结果。能量变化的总效果都是有序能量变为无序能量，即高级能量变为低级能量的过程，能量的品位降低了。

（3）熵是状态函数，过程的熵变与过程是否可逆无关。（3）熵是状态函数，过程的熵变与过程是否可逆无关。可逆过程△S正好等于热温熵，不可逆过程△S大于热温熵（4）无论过程是否自发，实际能进行的过程都是总熵变大于零的过程。总熵变大于零是过程自发进行的必要条件，但不是充分条件。例如：热量从高温物体传递到低温物体自发热量从低温物体传递到高温物体非自发

2 熵产生与熵平衡 （1）熵产生

△Sg称为熵产生；热温熵是由于系统与环境之间有热量△Sg称为熵产生；热温熵是由于系统与环境之间有热量交换而引起的熵变；熵产生是由于过程的不可逆性而引起的熵变，系统经历不可逆过程之所以有熵产生，是由于有序能量耗散为无序能量，并被系统吸收，必然导致系统熵增加，因此熵产生不是系统的性质，而是仅与过程的不可逆程度相联系。

（2）熵平衡 Q W

第三节能量的质量和级别 1 从热力学第二定律可知，功可以全部转变为热，而热只能部分转变为功；从热力学第一定律来看，它们数量上是相等的，从热力学第二定律看，它们的质量不同，热和功具有不等价性，功的质量高于热，因此把功作为衡量能量质量高低的量度。

2 ①理论上完全可以转化为功的能量称为高级能量如机械能、电能和水力能 ②理论上不能完全转化为功的能量称为低级能量如热力学能、焓和以热量形式传递的能量 ③完全不能转化为功的能量称为僵态能量如大气、大地和海洋等具有的热力学能

3 由高级能量变为低级能量称为能量品位的降低，意味着能量做功能力的损耗。化工过程中由于过程进行需要推动力，因此能量品位的降低是必然的，合理选择推动力，尽可能减少能量品位的降低，避免不必要的做功能力的损耗

第四节理想功、损失功与热力学效率 1 理想功理想功是在一定环境条件下，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。就功的数值来说，产出的理想功是最大功，而耗功过程的理想功是最小功。所谓完全可逆过程，包含以下两方面的含义：① 系统内发生的所有变化都必须可逆：物系进行化学变化、相变化、膨胀、压缩等过程都在可逆条件下进行，过程推动力无限小；②系统与环境的相互作用可逆进行：物系与环境间的换热也必须可逆。

注意事项 ①理想功实际上是一个理论上的极限值，通常作为评价实际过程能量利用率的标准。 ②理想功与可逆功是有所区别的。可逆功是系统在一定环境条件下完全可逆地进行状态变化时所做的功。 ③理想功的大小与体系的始态以及环境条件有关。

2 损失功 当完全可逆过程和实际过程经历同样的始终态时，由于可逆程度的差别，导致这两种过程所表现出的功之间存在差值。

任何热力学过程都是熵增的过程 WL≥0 实际可以发生的过程都是不可逆过程，因此实际进行的过程都有损失功，这个损失功最终变成热放到周围环境中去。高级能量是可以全部转变为功的能量，高级能量之间的转变不产生熵，只有可以变为功的能量变成了热才产生熵。实际过程中都有损失功，损失掉的功变成了热，必然导致总熵变大于零。

3 热力学效率

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