【文章內容簡介】 敞開系統(tǒng)的熱力學第I定律 (55)式(55)即為敞開系統(tǒng)的熱力學第I定律表達式，其中：。對于穩(wěn)定流動過程，滿足：；則穩(wěn)定流動過程的能量衡算方程為： (55)若以單位量的流體為計算基準，式(55)可寫為： (56) 穩(wěn)定流動過程熱力學第I定律的應用(1) 機械能平衡方程對于與環(huán)境間無熱、無軸功交換的不可壓縮、非粘性理想流體的穩(wěn)定流動過程： (57)式(57)即為Bernoulli’s方程。(2) 絕熱穩(wěn)定流動過程考慮與環(huán)境間無熱、無軸功交換的可壓縮流體的穩(wěn)定流動過程，忽略的影響，即滿足。式(56)可簡化為： (58)當流體經過閥門、孔板或多孔塞的降壓部件，流體的流速無明顯的變化，工業(yè)上稱為節(jié)流裝置，則式(58)進一步簡化為： (59)即節(jié)流過程是等焓過程。(3) 與環(huán)境間有大量熱、功交換的過程忽略過程中系統(tǒng)的動、位能變化影響，；。式(55)簡化為： (510)若系統(tǒng)絕熱，則：；若系統(tǒng)無軸功。它們分別是計算絕熱壓縮(或膨脹)過程與熱交換過程的理論基礎。 可逆軸功及其計算方法可逆軸功指的是無任何摩擦損失的軸功，可由熱力學狀態(tài)函數的變化進行計算。對于可逆過程，代入熱力學基本方程式(12)中，則有： (511)將式(511)代入(56)得：，若忽略動、位能變化的影響，則： (512)對于產功過程，可逆軸功為最大功；對于耗功過程，可逆軸功為最小功。實際過程存在各種機械摩擦，用于衡量實際軸功與可逆軸功的比值稱為機械效率，其定義為： 對于產功過程： (513)對于耗功過程： (514)機械效率用實驗測定，通常。 節(jié)流膨脹與等熵膨脹效應熱力學節(jié)流過程為等焓過程。流體節(jié)流時，由于壓力的變化引起的溫度變化稱為節(jié)流效應，即JouleThomson效應，以表示。 (518)對于理想氣體，將代入式(518)，即理想氣體節(jié)流后溫度不變。對真實氣體，存在下列三種情況：(1) ；節(jié)流后溫度降低稱為冷效應；(2) ；節(jié)流后溫度不變稱為零效應；(3) ；節(jié)流后溫度升高稱為熱效應；對于大多數氣體，室溫下節(jié)流后溫度降低呈現冷效應，而對于氫、氖、氦等氣體室溫下節(jié)流后溫度反而升高，出現熱效應現象。流體在膨脹機絕熱膨脹時，對外界作軸功，若過程可逆，則為等熵膨脹。在等熵膨脹過程中，當壓力有微小的變化時所引起的溫度變化稱為等熵效應，以表示。 (519)式中：；；，表明任何氣體在任何條件下進行等熵膨脹，溫度一定是降低的，總是得到冷效應。7. 熱力學第II定律與熵衡算方程 熱力學第II定律的三種表述方式(1) 熱傳導過程的不可逆性—熱流方向的Clausius說法：熱不可能自動地從低溫物體傳給高溫物體。(2) 功轉變?yōu)闊岬牟豢赡嫘浴h(huán)過程Kelvin說法： 不可能從單一熱源吸熱使之完全轉變?yōu)橛杏霉?，而不引起其它變化?3) 熵表述法—熵增原理：孤立系統(tǒng)的熵只能增加，或達到極限時保持不變。滿足數學關系： 或 (520)實際上，上述三種表述方法是等同的。 可逆Carnot循環(huán)與熱機效率Carnot熱機及其循環(huán)由四個基本部分組成：高溫熱源、低溫熱源、透平機(向外界作軸功)、泵(消耗軸功)，如圖53所示。圖54為該循環(huán)的TS圖。圖53 Carnot熱機基本循環(huán)過程 圖54 Carnot循環(huán)的TS圖Carnot循環(huán)的過程熱力學分析：取Carnot熱機為研究對象，則該裝置為穩(wěn)定流動的敞開系統(tǒng)。由熱力學第I定律，即式(510)知：；而；根據熱力學第II定律，即式(520)知：(因系可逆過程)對于循環(huán)過程：，則：，由于；；，則：或熱機效率()為： (521)式(521)表明：Carnot循環(huán)的熱機效率與循環(huán)工質的種類與性質無關，僅與高溫熱源與低溫熱源的溫度、有關，且實際熱機皆以該可逆熱機的效率為最大。但在操作過程中透平機處于浸蝕狀態(tài)，水泵處于氣蝕狀態(tài)，對設備的損害很大，無實際應用意義。 敞開系統(tǒng)的熵衡算方程定義的幾個基本概念如下：(1) 系統(tǒng)熵變()：系統(tǒng)由于狀態(tài)間T、P變化引起的熵變，可通過流體的PVT(x)及熱容數據計算得到。(2) 熱流熵()：系統(tǒng)與環(huán)境間由于熱交換引起的熵變。(3) 熵產()：系統(tǒng)經歷不可逆過程，就有熵的產生。僅與過程的不可逆程度相聯(lián)系。且：，不可逆過程；，可逆過程；，不可能過程。對于敞開系統(tǒng): (522)對于穩(wěn)定流動過程，滿足，則：或 (523)(1) 絕熱穩(wěn)定流動過程：；(2) 可逆絕熱穩(wěn)定流動過程： ，，為等熵過程。 封閉系統(tǒng)的熵衡算方程式(523)也可用于封閉系統(tǒng)，此時，系統(tǒng)因狀態(tài)變化引起的熵變應滿足如下關系： (524)對于孤立系統(tǒng)，熵衡算關系由式(520)表達。 理想功(Ideal Work)與損失功(Lost Work)理想功()是一個理想的極限值，指的是系統(tǒng)的狀態(tài)變化在一定的環(huán)境條件下按完全可逆方式進行時，理論上產生的最大功或者消耗的最小功。所謂的“完全可逆”包含二層意思：其一是指的系統(tǒng)內部發(fā)生的一切變化都是可逆的；其二是指系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換也是可逆的。環(huán)境通常是指大氣、天然水源、大地等，其溫度為、壓力為(一般情況下)。損失功()是指理想功與實際軸功之差，即： (525)損失功僅與過程的不可逆性相聯(lián)系，也可由下式計算： (526) 穩(wěn)定流動過程的理想功計算： (530) 熱力學效率通過上述的理想功、實際過程軸功與損失功的計算，求出熱力學效率，以衡量實際過程的能量利用情況。對于產功過程： (532) 對于耗功過程： (533) 熵衡算方程在化工單元過程熱力學分析中的應用分析方法是對選定的系統(tǒng)，應用敞開系統(tǒng)的熱力學第I定律，即能量衡算方程式(510)；與熱力學第II定律，即熵衡算式(523)，定量分析實際過程的不可逆性程度，計算理想功與損失功的大小，目的是揭示各種不可逆因素引起損失功的原因和大小，找到能量利用不合理的薄弱環(huán)節(jié)，改進生產，提高過程熱力學完善性的程度，從而提高能量的利用率。