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第6章 化工过程能量分析
重点难点：能量平衡方程、熵平衡方程及应用，理想功和损失功的计算,有效能的概念及计算,典型化工单元过程的有效能损失。
1) 能量平衡方程、熵平衡方程及应用
(1) 能量平衡方程及其应用表示体系与环境由于热量传递而引起的熵流速率,常称之为“熵流”。流入体系为正；第三项即熵产生,是内部生成熵的速率。由于过程不可逆性使体系内部做功能力损失引起熵的产生,属“内因熵变化”。ΔＳg≥０,熵产生永远不会小于零。因此,熵产生可作为判断过程方向的准则。
熵不同于质量和能量,它是非守恒量，在孤立（隔离)体系中,不可逆过程可引起熵值的增加，有熵产生。
体系从状态1变化到状态2的熵变,将上式从ｔ１到t2(时间）积分，则得积分形式：
熵衡算式的积分式用的比较多。
当熵平衡方程用于具体过程时,可以根据体系的特点进行简化处理。
对绝热过程:δＱ＝ ０;对可逆过程:ΔSg＝０
①对封闭体系：
或
如过程绝热可逆,则δＱ=0,ΔＳg＝0，则 ∆Ssyst=0
②对稳流体系：ΔSsyst=０,则有
如对绝热可逆过程,则δＱ=0,ΔＳg=0，则
若为单股物料,有 Ｓin＝ Souｔ
此即为常见的等熵过程,进出体系物流的熵相等,即绝热可逆过程熵值不变。
2) 理想功、损失功和热力学效率
① 理想功：在一定的环境条件下,当体系的状态变化按完全可逆的过程进行时,理论上可能产生的最大有用功或者必须消耗的最小功,称为理想功
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Wid。
理想功是一个理论的极限值,是用来作为实际功的比较标准的。所以，计算理想功时所依据的过程,应与实际过程具有相同的始态和终态。
稳流过程的理想功,忽略动能和位能变化,则有
此即为稳流过程理想功的计算式,它是热力学第一、第二定律联合应用的结果。式中ΔH、ΔS分别为物流经过装置的焓变、熵变。
可见,稳流过程的理想功仅与状态变化有关,仅取决于体系的初态与终态以及环境的温度T0,而与状态变化的具体途径无关。
注意:理想功和可逆功并非同一概念。理想功是可逆有用功，但并不等于可逆功的全部，有些情况下可逆功不能利用。
② 损失功:体系在给定状态变化过程中,实际功Wac与所计算的理想功Wid的差值，即为损失功
ＷL = Waｃ-Wid
不可逆过程总会引起总熵变的增加,所以损失功与总熵变必有一定的关系。
对稳流体系，可得
WL ＝ Ｔ０ΔS- Q
式中ΔS为物流经过装置的熵变，Q为在实际不可逆过程中,体系与温度为Ｔ0的周围自然环境所交换的热。
还可推出 ＷＬ = Ｔ０ΔSt＝ Ｔ０ΔＳｇ
上式即著名的Guoｙ－Ｓｔoｄｏla（高乌－斯托多拉）公式，在化工过程的热力学分析中应用很广,表示了损失功与总熵变的关系。可见,损失功的大小不仅取决于总熵变，而且与环境温度有关，即ＷL与ΔSt成正比,比例系数为Ｔ0。
当环境温度一定时,随过程不可逆程度的增大，损耗功也增大,所以ΔSｔ反映了过程的不可逆程度。根据损失功的大小可以来判断过程中能量利用的好坏。
为了表示一个过程或装置的能量利用程度,除了用损失功来衡量外,也可以用热力学效率来评定。热力学效率指实际过程和理想过程的能量关系之比。
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