化工熱力學(xué)理論(編輯修改稿)
2024-07-25 00:20 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第I定律 (55)式(55)即為敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第I定律表達(dá)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(jì)算基準(zhǔn)，式(55)可寫為： (56) 穩(wěn)定流動過程熱力學(xué)第I定律的應(yīng)用(1) 機(jī)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(dāng)流體經(jīng)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(jìn)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(jì)算絕熱壓縮(或膨脹)過程與熱交換過程的理論基礎(chǔ)。 可逆軸功及其計(jì)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(xué)狀態(tài)函數(shù)的變化進(jìn)行計(jì)算。對于可逆過程，代入熱力學(xué)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(chǎn)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(shí)際過程存在各種機(jī)械摩擦，用于衡量實(shí)際軸功與可逆軸功的比值稱為機(jī)械效率，其定義為： 對于產(chǎn)功過程： (513)對于耗功過程： (514)機(jī)械效率用實(shí)驗(yàn)測定，通常。 節(jié)流膨脹與等熵膨脹效應(yīng)熱力學(xué)節(jié)流過程為等焓過程。流體節(jié)流時(shí)，由于壓力的變化引起的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)，即JouleThomson效應(yīng)，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(shí)氣體，存在下列三種情況：(1) ；節(jié)流后溫度降低稱為冷效應(yīng)；(2) ；節(jié)流后溫度不變稱為零效應(yīng)；(3) ；節(jié)流后溫度升高稱為熱效應(yīng)；對于大多數(shù)氣體，室溫下節(jié)流后溫度降低呈現(xiàn)冷效應(yīng)，而對于氫、氖、氦等氣體室溫下節(jié)流后溫度反而升高，出現(xiàn)熱效應(yīng)現(xiàn)象。流體在膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí)，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(dāng)壓力有微小的變化時(shí)所引起的溫度變化稱為等熵效應(yīng)，以表示。 (519)式中：；；，表明任何氣體在任何條件下進(jìn)行等熵膨脹，溫度一定是降低的，總是得到冷效應(yīng)。7. 熱力學(xué)第II定律與熵衡算方程 熱力學(xué)第II定律的三種表述方式(1) 熱傳導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)到極限時(shí)保持不變。滿足數(shù)學(xué)關(guān)系： 或 (520)實(shí)際上，上述三種表述方法是等同的。 可逆Carnot循環(huán)與熱機(jī)效率Carnot熱機(jī)及其循環(huán)由四個基本部分組成：高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩础⑼钙綑C(jī)(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(jī)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(xué)分析：取Carnot熱機(jī)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(xué)第I定律，即式(510)知：；而；根據(jù)熱力學(xué)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(jī)效率()為： (521)式(521)表明：Carnot循環(huán)的熱機(jī)效率與循環(huán)工質(zhì)的種類與性質(zhì)無關(guān)，僅與高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟?、有關(guān)，且實(shí)際熱機(jī)皆以該可逆熱機(jī)的效率為最大。但在操作過程中透平機(jī)處于浸蝕狀態(tài)，水泵處于氣蝕狀態(tài)，對設(shè)備的損害很大，無實(shí)際應(yīng)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(shù)據(jù)計(jì)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(chǎn)()：系統(tǒng)經(jīng)歷不可逆過程，就有熵的產(chǎn)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(shí)，系統(tǒng)因狀態(tài)變化引起的熵變應(yīng)滿足如下關(guān)系： (524)對于孤立系統(tǒng)，熵衡算關(guān)系由式(520)表達(dá)。 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(jìn)行時(shí)，理論上產(chǎn)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(nèi)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(shí)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(jì)算： (526) 穩(wěn)定流動過程的理想功計(jì)算： (530) 熱力學(xué)效率通過上述的理想功、實(shí)際過程軸功與損失功的計(jì)算，求出熱力學(xué)效率，以衡量實(shí)際過程的能量利用情況。對于產(chǎn)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(xué)分析中的應(yīng)用分析方法是對選定的系統(tǒng)，應(yīng)用敞開系統(tǒng)的熱力學(xué)第I定律，即能量衡算方程式(510)；與熱力學(xué)第II定律，即熵衡算式(523)，定量分析實(shí)際過程的不可逆性程度，計(jì)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(jìn)生產(chǎn)，提高過程熱力學(xué)完善性的程度，從而提高能量的利用率。
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