化工热力学第四章（热力学基本定律及应用）

化工热力学第四章（热力学基本定律及应用），分享了热力学第一定律、热力学第二定律、理想功、损失功、热力学效率、有效能与无效能等知识，只有干货和重点，适合期末，考研复试备考以及知识拓宽

热力学基本定律及应用

• 热力学第一定律
  • 定义：物质与能量是相互依存的，物质既不能被创造也不能被消灭，那么能量也不能被创造和消灭，这就是能量守恒与转换定律。
  • 能量的种类
    • 热力学能U：分子平动、转动和振动所具有的动能和分子间相互作用力而具有的位能。
    • 宏观动能
    • 重力位能
    • 物质之间，物质与环境之间的传热。
    • 物质之间，物质与环境之间的做功。
      • 流动功
      • 可逆轴功
  • 数学表达式
    • 封闭体系：
    • 稳流体系：
      • 流体流经换热器、反应器、管道等设备：
      • 流体流经泵、压缩机、透平等设备：
      • 设备与环境绝热：
      • 流体流经喷管、扩压管：
      • 节流膨胀：
      • 伯努利方程：
• 热力学第二定律
  • 定义
    • 克劳修斯说法：热不可能自动地从低温物体转移到高温物体。
    • 开尔文说法：不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用功而不引起其他变化。
  • 熵与熵增原理
    • 熵的热力学定义：可逆热温商
    • 不可逆循环的热温商小于零
    • 熵增原理
    • 克劳修斯不等式
    • 理解要点
      • 微观意义上讲，熵是系统混乱度的量度。
      • 总熵变的增加是能量品味的降低。
        • 能量的质量和级别
          • 高级能量
            • 定义：理论上可以完全转化为功的能量。
            • 例如：机械能，电能。
          • 低级能量
            • 定义：理论上不能完全转化为功的能量。
            • 例如：热力学能，焓。
          • 僵态能量
            • 定义：完全不能转化为功的能量。
            • 例如：大气，大地，海洋等具有的热力学能。
      • 熵是状态函数，熵变与过程是否可逆无关。
      • 无论过程是否自发，系统总熵变都大于零。
  • 熵产生：由于过程不可逆性而引起的那部分熵变。（能量品位的降低，能量有序性的降低）
  • 熵平衡
  • 稳流体系熵平衡方程（没有熵的积累）：
• 理想功、损失功、热力学效率
  • 理想功
    • 定义：在一定环境下，系统发生完全可逆过程时，理论上可能产生的有用功。
      • 完全可逆
        • 系统内发生的所有变化都必须可逆。
        • 系统与环境的能量交换可逆。
    • 表达式：
  • 损失功
    • 定义：当完全可逆过程与实际过程经历相同的始终态时，由于可逆程度的差别，导致这两种过程所表现出的功的差值。
    • 表达式：
  • 热力学效率：实际功与理想功的比值。
• 有效能与无效能
  • 有效能
    • 定义：系统从该状态变化到基态所做的理想功。
    • 物理有效能：温度压力不同于环境所具有的有效能。
    • 化学有效能：发生化学反应达到平衡。
  • 无效能：能量中可以转变为有用功的部分称为有效能，余下的就是无效能。
• 热力学三种分析方法
  • 能量衡算法
    • 揭示由于三废排放，散热、散冷引起的能量损失。
  • 理想功、损失功、热力学效率法
  • 有效能衡算和有效能效率法
  • 揭示由于过程不可逆造成的损失。
• 气体的压缩
  • 绝热>多变>等温
• 气体的膨胀
  • 节流膨胀
    • 焦汤系数：
    • 冷效应：
    • 热效应：
  • 绝热膨胀
    • 目的
      • 通过膨胀对外做功。
      • 通过膨胀使工质温度降低。
  • 优缺点
    • 相同条件下绝热做功膨胀比节流膨胀产生的温度降大，制冷量也大，绝热膨胀适用于任何气体。
    • 绝热膨胀投资大，用于大中型设备
    • 节流膨胀对于少数临界温度极低的气体需要预冷才能进行节流膨胀。
    • 节流膨胀结构简单操作方便，只需要一个节流阀。
• 朗肯循环
  • 实质：对外做功，提供动力。
  • • 热效率：
    • 汽耗率SSC：
    • 循环效率的提高措施
      • 改变蒸汽参数
        • 1、提高蒸汽出口温度
        • 2、提高蒸汽压力
        • 3、降低蒸汽透平的出口压力
      • 改变工艺流程
        • 采用再热循环
        • 回热循环
          • 回热循环：从透平机中抽出一部分蒸汽预热冷凝水（锅炉进水）
• 制冷循环
  • 实质：制冷
  • 理想制冷循环：
    • 逆卡诺循环制冷系数:
  • 单级压缩制冷循环：
  • 干度：蒸汽质量与总质量的比值
  • 湿度
    • 绝对湿度：单位体积湿空气中所含水蒸气的质量。
    • 相对湿度：空气中实际的水汽压与同温度下的饱和水蒸气压的比值。
  • 制冷剂的选择
    • 蒸发和冷凝在指定的温度范围内，操作压力要适中。
    • 汽化潜热要大。
    • 临界温度应高于环境温度，避免凝固阻塞。
    • 传热性和流动性好。
    • 有化学稳定性，不能有显著的腐蚀性。
• 计算公式
  • 稳态流动衡算：
  • 可逆热机效率：
  • 恒压热：
  • 理想功：
    • 有效能变化=理想功，有效能损失=损失功
  • 系统熵变：
  • 环境熵变：
    • 有热损失：
    • 无热损失：
  • 损失功：
  • 焦汤系数：
  • 乏气干度（朗肯循环）：
  • 乏气焓：
  • 循环气耗率（SSC）：
  • 循环热效率(LK)：
  • 水泵消耗功率：
  • 朗肯循环
  • 真实制冷系数：
  • 循环消耗功率：
  • 制冷能力：
  • 单位制冷量：
  • 压缩机消耗单位功：
  • 冷凝过程放热量：
  • 冷凝热负荷：
  • 单级蒸汽制冷循环
  • 逆卡诺制冷系数：
• 三种能量分析方法
  • 1、能量恒算法 评价指标是热力学第一定律，功热转化中评价热效率。只能得到变化过程中的能量损失，不能得到由于过程不可逆性的有效能损失信息。
  • 2、理想功、损失功、热力学效率法 评价指标加入热力学第二定律，指出由于过程的不可逆性造成的实际过程与完全可逆过程的偏差。可求出有效能损失大小，分析原因，能从单个设备的有效能损失分析其热力学完善程度和节能潜力。
  • 3、有效能衡算和有效能效率法。
• 冰箱门
  • 不可行，因为如果将整个房间看做一个孤立系统，冰箱压缩机所消耗的电能最终会以热能的形式被房间吸收，从而使房间温度升高。
• 合理用能的基本原则
  • 防止能量无偿降级
  • 采用最佳推动力的工艺方案
  • 合理组织能量利用梯度