热力学分析与节能论文集

第一部分大会特邀报告与特约文稿

工业余热利用姚福生

工业余热利用设备和系统肖云汉

我国节能近况与对策陈和平

第二部分论文

Ⅰ.热力学分析的基础研究

9801不可逆损失的机理分析王松平华贲陈清林尹清华

9802热力学体系函数的正定性王松平华贰陈清林尹清华

9803传导过程分析研究李茂德

9804间歇过程热贮存模式的理论分析张早校冯霄郁永章

9805氨压缩制冷与吸收制冷能量利用与经

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1998年8月在青岛召开了第九届全国热力学分析与节能学术会议．本文集收辑的是会议上宣读论文的一部分，经本届会议学术委员会评审后录用，共37篇．这些论文反映了近年来我国热力学分析与节能这一领域中，在理论与实践中取得的进展．此外，文集还收入了3篇特邀报告和特约文稿，以及13篇近年来各领域节能技术改造成果交流报道．

本文集可供石油、化工、冶金、建材、轻工、医药等部门，以及热能工程、工程热物理、

热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。常用的三种热力学分析方法，即焓分析、熵分析和火用分析。通过各种热力学分析方法对能量转换过程进行分析，改进装换装置，能够更加合理的利用能量，对人类社会发展有着重要的意义。

热力学分析通常包括三方面的内容：（1）确定过程中工质状态变化的规律以及相应的状态参数；（2）确定过程中能量转换的数量关系；（3）揭示过程中的不可逆程度，反映能量转换与利用的完善性。

具体步骤为：（1）根据具体情况，划定系统；（2）根据过程特性，确定过程中状态变化的特定规律；（3）用图表示意出热力过程；（4）根据合适的热力学定律，列出平衡式，求解未知量。

化工生产中，人们总是希望能够合理、充分的利用能源，提高能源的利用率，以获得更多的功。根据热力学的基本原理，阐述了理想功、损失功、有效能等一些基本概念和计算，以便评定实际生产过程的能量利用情况，我提高能量利用效率，改进生产提供一定的理论依据。

过程热力学分析理想功

理想功是指体系的状态变化完全按可逆过程进行时所表现出的功，即体系在做功过程中，在给定变化条件下所能够完成的最大功量，或在消耗功的过程中所需的最小功，对于非流动体系，理想功为

W_id =T₀ΔS - ΔU - p₀ΔV

式中W_id为理想功；T₀为环境的绝对温度；ΔS和ΔU分别为体系的熵变和内能变化；p₀是环境的压力；ΔV是体系的体积变化。

对于稳定流动过程，其理想功表达式为

W_id=T₀ΔS- ΔH- ΔE_k- ΔE_p

其中ΔH为体系的焓变；ΔE_k和ΔE_p分别表示动能差和位能差。

在实际应用过程中，许多情况下动能差和位能差往往可忽略不计，于是理想功为

W_id =T₀ΔS - ΔH

过程热力学分析损失功

体系在给定状态变化过程中所做的可逆功与其相应的实际过程所做的功之间的差值称为损失功。对于一个不可逆过程，损失功的计算公式为

W_L=T₀ΔS_T =T₀（ΔS ΔS₀）

式中W_L为损失功；ΔS_T为体系与环境的总熵变；ΔS₀表示环境的熵变。根据热力学第二定律，一切自然过程都有ΔS_T≥0，因此W_L≥0，这表明任何不可逆过程都有其代价，损失功是正值。

对于稳定流动过程，其损失功可表示为

W_L=W_id - W_F

其中W_id用上式计算；W_F为实际功，计算公式为

W_F=Q- ΔH- ΔE_k- ΔE_p

其中Q是相对体系而言的传热量。这样稳定流动过程的损失功便可表示为

W_F=T₀ΔS -Q

岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量 ，岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。根据非平衡热力学理论，从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。在岩石的变形破坏 过程中，热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源，导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化 ，从无序分布逐渐向有序发展，形成宏观裂纹，最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整体失稳(灾变)。从力学角度而言，它实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。从热力学上看，岩石(岩体)这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程 ，包含能量耗散和能量释放。两者关系：岩体总体灾变实质上是能量耗散和能量释放的全过程 ，而灾变瞬间是以能量释放作为主要动力。

岩石变形破坏过程中的能量守恒：在岩石的变形破坏过程中，环境提供的能量包括外力所作的功和环境温度带来的热能 。根据热力学第一定律 ，这些能量将转化为岩石的动能 、势能及内能。不妨将岩石抽象为由一系列体积元组成的连续介质，每一体积元包含特定的矿物或类矿物成分以及其它岩石组织。当体积元足够小时，是满足非平衡热力学的局域平衡假设的。

在外载的作用下，岩石体积元将发生变形，当所考察的时间步长较小时，这一变形可视为小变形。在一般情况下，对于岩石的变形破坏过程分析并不考虑体力的影响。岩石体积元的内能变化取决于4部分，一是静水应力作用下体积变形引起的，二是应力偏量作用下形状变化引起的，三是应力偏量作用下位置转动引起的，四就是热量流动引起的。除热流外，其余3 部分均与内力有关，可将其统称为内力能的增量 ，而热流部分则可称为热能的增量Q。于是单位时间内岩石体积元中内能的增量u 等于内力能增量 与热能增量Q之和。可见，在岩石变形破坏过程中，岩石的内能变化主要取决于内力的变化以及热量的流动。由于应力偏量的贡献为非散度 形式 ，说明体积元 的内能并不是一个守恒量 。也就是说，由于应力偏量的作用，使得体积元内能的变化不一定仅仅由外部环境获得，还可能由体积元内部的能量源—— 内力能产生。因此，岩石在变形破坏过程中的能量守恒是一个动态的过程，表现为外载机械能 、热能与岩石内能的转化与平衡。