热力学过程 thermodynamic process

热力学过程 thermodynamic process

　　热力学过程 thermodynamic process 简称热力过程。在环境作用下，系统从一个平衡态变化到另一个平衡态的过程。在化工热力学中，对热力学过程的描述包括系统状态的变化、经历的途径以及系统与环境间能量的传递。在实际过程中，系统所经历的一系列状态一般都是不平衡状态。如果所经历的状态都无限接近于平衡态，并且没有摩擦，则为可逆过程。可逆过程是理想过程，无有效能损失，是实际过程可趋近的极限。

　　实际的热力过程比较复杂，概括起来可归纳为以下四个基本过程和一个多变过程。实际过程可看作是它们的组合。

　　等容过程其特征是系统的体积为常数。对于等容过程，如果系统和环境间除膨胀功以外没有其他功的交换，则；W＝0，　　Q＝△U

对于无相变化和化学变化的等容过程：

式中Q为热能，系统吸热为正，放热为负；W为功，作功为正，得功为负，U是系统的内能，Cv是平均定容摩尔热容：n是摩尔数。

　　等压过程其特征是系统的压力为常数。对于等压过程，如果系统与环境间除膨胀功外无其他功的交换，则：

式中H为系统的焓，H=U+Pv；为平均定压摩尔热容。

　　等温过程其特征是系统的温度为常数。如果是可逆等温过程，则：

式中S为系统的熵。如果是理想气体的等温膨胀(或压缩)过程，系统的状态变化满足PV＝常数。

　　绝热过程其特征是系统与环境间无热交换，因此；　　W=－△U

　　如果是理想气体的可逆绝热膨胀(或压缩)过程，系统的状态变化满足PV^r=常数，式中r=Cp/Cv，即定压比热容Cp与定容比热容Cv之比，称为比热容比。

　　多变过程在许多实际过程中，经验表明，系统的状态变化近似地遵循下述规律飞PV^m＝常数

式中，m为多变指数，这类过程称为多变过程。引入多变过程的概念可使数学处理简化，但是此式只能在经过检验的范围内使用。当m取特定的数值时，这一多变过程可转化为上述各种基本过程。例如m=0，则P=常数，即转化为等压过程；m=1，PV＝常数，即为理想气体的等温过程；m=r，即转化为理想气体的可逆绝热过程。在多数情况下，m=1．2～1．5。

　　热力学过程在化工生产中的应用：(1)使原料、中间产品和产品完成预期的状态变化，以满足后续工序加工和产品使用的要求。例如在合成氨工厂中，氮氢混合气进入合成塔前，必须经过压缩，将气体压力升高到合成塔的操作压力。(2)实现能量的传递和转化，以满足某种过程的需要，并有效地利用能量。例如通过热力过程循环把生产中各种工艺余热转化为机械功。化工生产中常用的热力学过程如下。

　　流体的压缩过程这是流体的升压过程，其目的是供给能量以克服流体输送过程中受到的阻力，或满足后续工序的要求。液体输送和压缩过程的轴功耗Ws为：

式中，Vm为液体的摩尔体积；p为液体的压力，η为机械效率。

　　气体压缩过程的功耗，可用压缩机的等熵效率估算：－Ws＝△Hs/ηs,也可用压缩机的等温效率估算：

式中，△Hs为压缩过程中气体的等熵焓变；η_s和η_T分别为压缩机的等熵效率和等温效率；p₁和p₂分别为气体在压缩前后的压力；T₁为气体在压缩前的温度。

　　流体的膨胀过程这是流体的降压过程。流体膨胀的目的；(1)降低流体的压力，以适应后续工序的需要，如锅炉的蒸汽压力高于用汽设备的使用压力时，降压才可以使用；(2)降低气体的温度，以获得低温或使气体液化，如制冷和深度冷冻时的气体降压；(3)通过降压释放能量，对外作功，如蒸汽通过汽轮机(透平)喷嘴降压后，动能增加，推动叶轮旋转并输出轴功。流体膨胀过程的可逆轴功是流体从p₁膨胀到p₂时可回收的最大有用功，为：。气体和液体都可通过节流阀实现膨胀，但这时可逆轴功被耗散为无效能。当气体和液体分别在膨胀机和水轮机中膨胀时，可以回收部分有用功。膨胀机和水轮机的输出轴功，可由等熵效率估算：

也可用等温效率估算：

式中，和分别为膨胀机或水轮机的等熵效率和等温效率。

　　蒸汽动力循环利用工作介质的循环变化将热能转化为机械能的过程。最简单的蒸汽动力循环是兰金循环。液态工作介质在锅炉吸热而蒸发成为过热蒸汽，再经透平膨胀成低压湿蒸汽，接着进入冷凝器冷凝成为饱和液体，最后经泵加压重又进入锅炉中，完成了一个循环。如果将泵的功耗忽略不计，循环的热效率为：

式中，W为单位质量工作介质在汽轮机中所作的功；Q₁为单位质量工作介质在锅炉中吸收的热；H为单位质量工作介质在循环中各相应部位的焓值。

　　制冷循环利用制冷工作介质的循环变化将热量由低温物体传给高温环境的过程。制冷循环有空气压缩制冷循环、蒸气压缩制冷循环、蒸汽喷射制冷循环、吸收制冷循环等。蒸气压缩制冷循环的制冷系数ε为：

式中，Ws为单位质量工作介质在压缩机中所获功；Q₂为单位质量工作介质在冷凝器中吸收热，即制冷量；H为单位质量工作介质在制冷循环中各相应部位的焓值。

　　化工生产采用制冷循环的目的，是获得低温以发生预期的变化，或充分利用低温位热。例如小型工厂中用吸收制冷装置回收利用低温位热，以节约电能。

　　热泵循环它的流程与蒸气压缩制冷循环相同，区别仅在于工作的温度范围不同。热泵循环的下限温度是环境温度，上限温度为供热温度；制冷循环的上限温度是环境温度，下限温度为制冷温度。在化工生产中，通过热泵循环提高热的温位，热能可以循环使用或回收利用。对于温度降低不大的过程，例如沸点上升不大的蒸发和组分沸点差很小的精馏，都可通过热泵循环以节约能耗。