Параграф 5. Термодинамический анализ ХТС: предмет, цели и алгоритм проведения. Термодинамические функции состояния.
При анализе степени совершенства ХТС последовательно рассматриваются материальный, энергетический и эксергетический балансы. Предметом термодинамического анализа является изучение энергетического и эксергетического балансов, а также факторов, влияющих на их составляющие.
Методы термодинамического анализ применимы к любой ХТС, поскольку в них происходит преобразование вещества, а следовательно и преобразование энергии.
Термодинамический анализ преследует следующие основные цели:
‒ учет степени термодинамического совершенства протекающих процессов в ХТС и ее элементах;
‒ отыскание путей экономии исходных продуктов, топлива и электроэнергии;
‒ повышение полноты использования продуктов, а также разного рода теплоносителей, вводимых в ХТС и ее отдельные элементы.
Термодинамический анализ должен дать ответ на четыре главных вопроса:
1) каким был бы эффект функционирования системы при идеальном, т. е. обратимом течении процессов;
2) насколько велико отличие реального эффекта от идеального;
3) как распределяются потери по отдельным элементам установки;
4) на совершенствование работы какой части установки требуется прежде всего обратить внимание.
Термодинамический анализ ХТС целесообразно проводить на всех стадиях подготовки системы к эксплуатации, а именно на предпроектной, проектной, конструктивной и эксплуатационной. Существуют оценки, по которым примерно 40% потерь зависят от выбора схемы технологического процесса при его эскизной проработке. Еще 40% определяются проектным решением. Таким образом, примерно на 80% потерь в ходе эксплуатации воздействовать уже невозможно. Поэтому термодинамический анализ имеет особенно важное значение на стадиях эскизной компоновки и проектирования.
При проведении термодинамического анализа с целью оптимизации системы рекомендуется придерживаться следующего алгоритма.
1. Проверить, необходимо ли предусмотренное количество исходного продукта и нет ли в распоряжении другого, более выгодного сырья или источника первичной энергии.
2. Рассмотреть целесообразность применения принципа многоступенчатости. Известно, что использование больших разностей движущих сил (давлений, температур и т. д.) приводит к большим потерям из-за возрастания необратимости процессов. Если же разделить полный перепад движущих сил на малые ступени, то эти потери во многих случаях можно значительно снизить. Однако при этом увеличатся затраты на более сложную многоступенчатую установку. Этот принцип находит применение в многоступенчатых компрессорах, систем теплообменников, цепей реакторов, каскадных схемах и т. д.
3. Рассмотреть возможность использования принципа регенерации, т. е. создания обратных потоков вещества и энергии с целью их утилизации. За счет этого, как правило, улучшаются экологические показатели ХТС, что обычно сопровождается и уменьшением внешних потерь, а также увеличивается эффективно срабатываемый в системе перепад движущих сил. Данный принцип используется, например, для создания обратного потока непрореагировавшего компонента при осуществлении химической реакции, а также в регенеративном теплообмене, который представляет собой одно из наиболее эффективных средств повышения экономичности процессов.
4. Рассмотреть возможность интеграции, состоящей в объединении различных функций в одной технической системе. Современные ЭХТС являются ярким примером реализации этого принципа. Интегрирование приводит к заметным энергетическим эффектам, так как значительно сокращается протяженность коммуникаций, уменьшается площадь внешних теплоотдающих поверхностей, обеспечивается комплексное использование сырья.
5. Рассмотреть возможность снижения потерь за счет использования уходящих из системы потоков вещества и энергии. Такое использование можно проводить двумя путями. Так называемое первичное использование означает возвращение вещества или энергии в исходную систему и поэтому тесно связано с эффектом регенерации. Вторичное использование означает применение вещества или энергии вне системы и приводит к объединению или комбинированию различных систем.
В современной практике находят применение три метода термодинамического анализа: энергетический, энтропийный, эксергетический (таблица 5.1). Последние два метода близки друг к другу. В обоих случаях изучаются эксергетические потоки и потери эксергии.
В анализе эффективности энергопотребления используются термодинамические функции и взаимосвязь между ними. Эти соотношения приведены в таблице 5.2, в которой m ‒ масса вещества, а удельная изобарная теплоемкость вещества равна
, (5.2)
где R ‒ универсальная газовая постоянная.
Таблица 5.1 ‒ Основные методы анализа эффективности использования энергии
| Метод анализа | Основа метода | Получаемый ответ |
| Энергетический | Первый закон термодинамики. Закон сохранения энергии. | Сколько энергии необходимо для осуществления процесса (сколько энергии надо передать от одного тела к другому), частично оценить эффективность использования энергии. |
| Энтропийный | Второй закон термодинамики. Условие самопроизвольной передачи теплоты. | Почему реальный объект отличается от идеального, оценить эффективность использования энергии, как устранить потери энергии. |
| Эксергетический | Второй закон термодинамики. Условие самопроизвольной передачи теплоты. | Почему при реализации процесса происходит падение работоспособности энергетических потоков и как уменьшить это падение. |
Химический потенциал при нормальных условиях
, (5.1)
где Т ‒ температура; р ‒ давление; V ‒ объем.
Таблица 5.2 ‒ Уравнения для расчета термодинамических функций
| Название и обозначение | Взаимосвязь между функциями | Единицы измерения | Удельная величина | Единицы измерения |
| Внутренняя энергия | 
| Дж |  ; 
| 
|
| Энтальпия | 
| Дж |  ; 
| 
|
| Энтропия | 
| Дж/°С |  ; 
| 
|
| Теплота | 
| Дж |  ; 
|
|
| Механическая работа | 
| Дж |  ; 
|
|
Продолжение таблицы 5.2
| Эксергия | 
| Дж |  ; 
|
|
| Химический потенциал | - | Дж | 
|
|
| Изобарно-изотермический потенциал | 
| Дж | 
|
|
| Свободная энергия | 
| Дж | 
|
|
Если термодинамическая функция в любом процессе в любой термодинамической системе определяется только начальным и конечным состоянием системы и не зависит от характера процесса, то она называется функцией состояния этой термодинамической системы или термодинамическим потенциалом.
В таблице 5.2 такими функциями состояния являются:
‒ внутренняя энергия U ‒ энергия поступательного, вращательного и колебательного молекулярного и внутримолекулярного движений, а также потенциальная энергия сил взаимодействия между молекулами;
‒ энтальпия Н ‒ энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении;
‒ энтропия S ‒ мера необратимости термодинамической системы;
‒ химический потенциал 
‒ величина, показывающая изменение внутренней энергии термодинамической системы при добавлении в нее одной частицы, когда сама система при этом не получала тепла и не совершала работу;
‒ изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса) G ‒ величина, показывающая изменение энергии термодинамической системы в ходе химической реакции (полная химическая энергия термодинамической системы);
‒ свободная энергия (энергия Гельмгольца) F ‒ величина, убыль которой в равновесном изотермическом процессе равна работе, совершенной термодинамической системой над внешними телами;
‒ эксергия будет являться функцией состояния термодинамической системы только при заданных значениях температуры T0 и давления p0 в окружающей среде.
Параграф 6. Содержание первого и второго законов термодинамики. Понятие о компенсации.
Первый закон термодинамики является частной формой закона сохранения энергии
, (6.1)
где dQ ‒ теплота, подведенная или отведенная от системы; dL ‒ работа изменения объема; dL0 ‒ располагаемая работа, равная разности между работой расширения газа и работой вытеснения.
Первый закон термодинамики отражает обязательный для любого термодинамического процесса баланс между изменением внутренней энергии системы и энергией, которой система обменивается с окружающей средой. Он позволяет, используя уравнение состояния, находить изменение параметров системы в ходе процессов. Однако он никак не определяет возможного направления этих процессов и условий, при которых они будут протекать в нужном направлении. Утверждения, дающие ответы на последние два вопроса, составляют существо второго закона термодинамики.
Исходя из первого закона, теплота и работа ‒ две равноправные формы передачи энергии, однако опыт показывает, что они являются существенно неравноценными с точки зрения их взаимного преобразования и преобразования в другие виды энергии. Работа может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии, в то время как теплота без предварительного преобразования ее в работу, увеличивает лишь внутреннюю энергию системы.
Процесс преобразования работы в теплоту может протекать при изменении состояния только одного теплополучающего тела (например, нагрев тела вследствие работы против сил трения). При обратном же преобразования процесс не ограничивается охлаждением источника теплоты, а обязательно сопровождается изменением состояния других тел, участвующих в процессе. Такое изменение называют компенсацией. Таким образом, преобразование теплоты в работу без компенсации невозможно. Однако обратное преобразование возможно: затрачиваемую работу можно полностью превратить в эквивалентное количество теплоты.
Компенсация влияет на величину полезного преобразования энергии. Вследствие нее работа всегда меньше подведенной теплоты, и КПД<1. Таким образом, компенсация заключается в том, что часть подведенной тепловой энергии отводится в окружающую среду с температурой меньшей, чем температура ее источника.