【正文】 對于由兩個物體和致冷機(jī)組成的可逆絕熱體系，其總熵變?yōu)榱?，? 0?? tS 0?? 機(jī)S0?????? 機(jī)SSS ba 0?? 機(jī)S因為 0lnln 1 /212 ?? TTpTTp CC所以 211/2TTTT ?221/2 TTT ?故 (1) 又因為體系變化時保持定壓，則有 (2) /WQH p ???對于絕熱過程， 。 W Q1 Q2 a b T1 (初態(tài) ) T2 (終態(tài) ) T1 (初態(tài) ) T39。 用一制冷機(jī)在兩個物體之間工作 ， 使其中一個物體的溫度降低到 T2 。 由過熱水蒸氣表查得初始態(tài)時的焓和熵分別為 kgkJH / 5 4 31 ? )/(6 5 8 KkgkJS ??由飽和水蒸氣表可查得終始態(tài)時水的焓和熵分別為 kgkJH / ? )/(2 3 8 KkgkJS ??所以，過程的焓變和熵變分別為 )/( 2 6 4 0) 5 4 ()( 12 k m o lkJHHMH ???????))/((6 9 9 3 3)6 5 8 3 8 ()( 12 Kk m olkJSSMS ????????若理想功為所能提供的最大有用功，則 )/( 2 6 4 0)6 9 9 )(( 40 k m o lkJHSTW id ??????????例 517 水與高溫燃?xì)膺M(jìn)行熱交換轉(zhuǎn)變成 260℃ 的恒溫蒸汽 ， 在此過程中 ， 燃?xì)鉁囟扔? 1375℃ 降到 315℃ ， 已知環(huán)境溫度為 27℃ 。xxEx EE??????表示系統(tǒng)經(jīng)過狀態(tài)變化后各物流和能流實際獲得的有效能與失去的有效能之比。 %1 0 0?xE? %100?xE?例 516 試確定 1 kmol 的蒸汽 ( 1470 kPa，加熱到 538℃ ，環(huán)境溫度 t0 = 16℃ )在流動過程中可能得到的最大功。 普遍效率 定義為輸出的有效能與輸入的有效能之比，為 xE?????????? xlxxx EEEEE 1? 對于可逆過程， ；對于實際不可逆過程 。 有效能效率 目前實際在用的有效能效率有以下兩種。另一部分是外部損失，是體系向環(huán)境排出的能量中所包含的有效能損失。一部分是內(nèi)部損失，是由體系內(nèi)部各種不可逆因素造成的有效能損失。我們通常說的能量損失是指通過各種途徑由體系排放到環(huán)境中去的未能利用的能量。能量損失和有效能損失事實上是完全不同的熱力學(xué)問題。 lE?lE?lE? 有效能衡算與能量衡算比較 ?普通能量衡算的依據(jù)是熱力學(xué)第一定律，而有效能衡算的依據(jù)是第一、第二定律，因此有效能衡算的結(jié)果能更全面、更深刻地反映出過程進(jìn)行時能量的變化情況； ?能量是守恒的，但在一切實際過程中有效能并不守恒，由于過程的不可逆性，使部分有效能轉(zhuǎn)化為無效能而損失掉了； ?普通能量衡算是不同品位能量總量的數(shù)量衡算，它只能反映出系統(tǒng)中能量的數(shù)量利用情況，而有效能衡算是相同品位能量的數(shù)量衡算，它能夠反映出系統(tǒng)中能量的質(zhì)量利用情況。 i表示第 i股物流或能流 ?? ??? XiXi EE 表示可逆過程，有效能守恒 對于不可逆過程， 0])[( 21120 ??? ? TQSST ?可以得到 ?? ??? XiXi EE 即輸入的有效能大于輸出的有效能 lXiXi EEE ????? ??lE? 是由于過程不可逆性所引起的做功能力的損失，即有效能損失或稱為無效能（增加） 其值為輸入系統(tǒng)的有效能與輸出系統(tǒng)的有效能之差。 考察一個穩(wěn)流過程 ， 此過程中系統(tǒng)和環(huán)境之間既有物料的交換又有熱和功的交換 。 那么就需要考察有效能的效率 。 有效能衡算及有效能效率 由有效能損失分析可以看出 ， 系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列變化之后 ， 有效能的變化不僅是從功的角度體現(xiàn) ， 另一方面還表現(xiàn)在系統(tǒng)和環(huán)境的不可逆熵增上 。水的平均恒壓熱容為，環(huán)境溫度 25 ℃ 。有效能才能正確評價余熱資源。環(huán)境溫度 T0=25 ℃ ，求兩種余熱的有效能各為多少。 S0= KJE X p h 2 3 6)3 3 4 () 6 5 ( ??????總有效能為 Ex=+= 例 514 某工廠有兩種余熱可利用。 KJmuE XK 22 ????? )()( 000 HHSSTE X p h ????查水蒸氣表有 H=3343KJ/Kg。 解：將空氣作為理想氣體處理，壓力對理想氣體的焓變沒有影響， H=H0 m o lJppRTSSTE Xp /5 1 6 01 0 08 1 0ln2 9 83 1 )(0000 ??????例 513 速度為 150m/s穩(wěn)定流動的水蒸氣，壓力為 3MPa，溫度為 ， 1Kg這樣的蒸汽的有效能為多少。 例 512 求 298K， 810KPa下壓縮空氣的有效能。 當(dāng)冷熱流體的溫度一定時，傳熱溫差愈大，有效能損失愈多；當(dāng)冷熱流體的溫差一定時，有效能損失與冷熱流體溫度的成績成反比。 在此小段中，流體 1和流體 2的溫度分別是 T1和 T2，假設(shè)流體阻力為定值，對外不存在熱損失，且 T1T2，則必然有微小的熱量由流體 1流向流體 2，使流體 1和 2產(chǎn)生換熱熵變， dS1和 dS2 1 2 T1 T2 2211。 如圖表示一個逆流式換熱器。這就要求減少管道上的阻力。 。 0?? 孤立S可見，在不可逆過程中，有部分有效能變成了不能做功的無效能，其總的有效能損失就是無效能的增加，并等于損失功。實際的不可逆過程能夠做的功為 Wac， Wac小于 Wid，即小于 ，小于有效能的減少，必然有有效能的損失。 0?? xE xE?孤立STWWWE slsx ?????? 0對照熱力學(xué)第二定律， ，可以看出： 0??孤立S 因此我們看到，在可逆過程中，減少的有效能全部用于做功，所以有效能沒有損失。 根據(jù)損失功的定義，在一定的環(huán)境溫度下，損失功與熵產(chǎn)生成正比，即過程中熵產(chǎn)生越大，損失功就越大。 0[ ( ) ]pppVH V T d pT?? ? ??? dpTVS ppp? ????? 0 )(由 和 有 dpTVTTVdpTVTVdpTVTHSTEpppppppppXp ??? ?????????????????000]))(([])([])([ 000特別地，若為理想氣體，由 可得 pRTV ?00 ln ppRTEXp ? 過程的不可逆性和無效能 一切生產(chǎn)過程實際上都是不可逆過程，在不可逆過程中存在著各種不可逆因素。TTTT TdTCpSC pd THC p d TTTC p d TTdTCpTHSTETTTTTTXQ )1(000000 ??? ????????由于 有 。 WEx ?QWE TTC a r n o tx )1( 0???當(dāng)熱量傳遞是在變溫情況下進(jìn)行時，其有效能的計算應(yīng)當(dāng)按照其定義式來計算。可推出，熱 Q的有效能為 可以看出，熱 Q 的有效能較低，能夠提供的有效能僅僅是其熱量 Q 的一部分。 2. 熱的有效能 。 )( 0HH ? )( 00 SST ?1. 功、電能、機(jī)械能、動能、重力勢能等高級能量的有效能 。 xExE )( pT， 穩(wěn)流體系有效能的計算 式 (5 – 45 )中 ， 部分是系統(tǒng)具有的能量 ， 而 部分是不能用于做功的 ， 被稱為無效能 。 的大小除了決定于體系的狀態(tài) 之外 ， 還與基態(tài) (環(huán)境 )的性質(zhì)有關(guān) 。 假設(shè)物流從 1 狀態(tài)經(jīng)歷穩(wěn)流過程變?yōu)? 2 狀態(tài) ， 當(dāng)系統(tǒng)的動能和重力勢能忽略不計時 ， 對于 1 狀態(tài)的物流 ， 由式 (539) 可得 系統(tǒng)STHW id ???? 0)()( 10010 SSTHHWE idx ???????HSTSSTHHE x ???????? 0000 )()(即 (545) 式 (545)是有效能的基本關(guān)系式 。 課本 120頁表 51和表 52給出了我國規(guī)定的環(huán)境組成標(biāo)準(zhǔn)及部分元素的環(huán)境基準(zhǔn)物。 當(dāng)體系處于基準(zhǔn)態(tài)時，上述四個成分的有效能都為零?；瘜W(xué)反應(yīng)是將原體系的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為環(huán)境物質(zhì)（基準(zhǔn)物）；物理擴(kuò)散是原體系或經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成物的濃度變到與環(huán)境基準(zhǔn)物濃度相同的過程。體系由于化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、濃度等因素與環(huán)境組成、結(jié)構(gòu)、濃度不同所具有的有效能 。包括熱的有效能和壓力的有效能兩部分。 ?物理有效能 Exph。流體的位能同樣也可以全部轉(zhuǎn)化為有效的功，因此流體的重力勢能有效能亦就是其自身。動能項中的線速度為物系與地球表面的相對線速度。 ?動能有效能 Exk。 xE 單位能量所含的有效能，稱為能級，能級是衡量能量質(zhì)量的指標(biāo)，它的大小代表了能量品質(zhì)的高低。 所謂平衡的環(huán)境狀態(tài) ， 即基準(zhǔn)態(tài)或稱為熱力學(xué)死態(tài) 、 僵態(tài) ， 在此狀態(tài)下 ， 做功能力為零 。 這一概念最初由凱南 (Keenen)提出 ， 有效能又稱為 “ 火用 ” 、 有用能等 ， 國外教材上稱為 Available Energy，本書用 表示 。合理用能就是要注意對能量質(zhì)量的保護(hù)和管理，盡可能減少能量的貶值或避免不必要的貶值。化工過程中，能量的貶值現(xiàn)象是普遍存在的。 高級能量：理論上可以全部轉(zhuǎn)化為功的能量；如機(jī)械能，電能，水力，風(fēng)力，動能，勢能等 低級能量：部分可以轉(zhuǎn)化為功的能量；熱，內(nèi)能，焓等 僵態(tài)能量：完全不能轉(zhuǎn)化為功的能量。對于 1KJ的功和 1KJ的熱，它們的質(zhì)量顯然不相當(dāng)，功的質(zhì)量高于熱。 從 1970年代以來，全球性能源危機(jī)的頻繁爆發(fā)，人們越來越意識到能源問題早已上升到人類生存安全與否的高度。 目前的用能結(jié)構(gòu)，自蒸氣機(jī)發(fā)明以來一直就是沿續(xù)這樣一種方式，即取之于煤、石油和核能等能源中貯存的能量（除核能外，均為化學(xué)能），首先轉(zhuǎn)化為熱量，然后轉(zhuǎn)化為功，在發(fā)電機(jī)內(nèi)，將功（機(jī)械能）再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)用戶使用?？梢砸揽科髽I(yè)自身燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生電力或通過外界輸入，有便于輸送、調(diào)解自動化的優(yōu)點(diǎn)； 。這些過程所需要的熱量，通常利用的是煤等燃料的燃燒熱，因此燃料動力消耗是化工企業(yè)消耗的主要能源之一； 。 化工生產(chǎn)中涉及到的能量主要存在以下幾種形式： 。化工過程利用各種原料，經(jīng)過精制、反應(yīng)、分離后得到產(chǎn)品，這樣一個系統(tǒng)的過程，需要用到和產(chǎn)生或消耗各種形式的能量，如燃料，電力和蒸汽等。 本節(jié)重點(diǎn)放在有效能上 。 因此 ， 化工過程需要做能量分析 。 過程的不可逆程度是直接導(dǎo)致能量損耗的原因 。水的恒壓熱容為 ()。換言之，每一個不可逆過程都是有代價的！ 例題， 5－ 6， 5－ 7， 5－ 8如教材中 5－ 6， 5－ 7， 5－ 8題。 實際上 ， 對化工過程進(jìn)行熱力學(xué)分析 ，其中的一種方法就是通過計算理想功 、 損失功 和熱力學(xué)效率 ，從而找到工藝中損失功較大的部分 ， 探求進(jìn)行節(jié)能改造的可能 。 t?產(chǎn)功過程 idacWWt ??acidWWt ??耗功過程 熱力學(xué)效率 僅在體系經(jīng)歷完全可逆過程時才等于 1。 不可逆程度越大 ，損失功就越大 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)的理想功就越小 。 于是 ， 根據(jù)可逆?zhèn)鳠岬奶攸c(diǎn) ， 有 0TQS ??? 環(huán)境將式 ( 542 ) 代入式 (541 ) ，并整理，得 孤立環(huán)境系統(tǒng) STSSTW L ?????? 00 )(idacL WWW ??(540) (544) 0?LW 不可逆可逆00??上式說明損失功 也是一個過程是否可逆的標(biāo)志。 于是 ， 穩(wěn)流系統(tǒng)的損失功為 LW acWsW sWQzguH ??????? 221 idW系統(tǒng)STzguHW id ???????? 0221QSTW L ??? 系統(tǒng)0 式中 ， Q 是實際過程中體系與溫度恒定為 T0 的環(huán)境間交換的熱量 。 損失功 當(dāng)完全可逆過程和實際過程經(jīng)歷同樣的始末態(tài)時 ， 由于可逆程度的差別 ， 導(dǎo)致這兩種過程所表現(xiàn)出的功之間存在差值 。 比較兩者的定義 ，不難發(fā)現(xiàn) ， 雖然都經(jīng)歷了完全可逆變化 ， 但理想功是可逆的有用功 ，而可逆功僅指經(jīng)歷變化時所做的功 。