第二章-热能转换的基本概念和基本定律课件.ppt

1、热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心第二章第二章 热能转换的基本概念和基本定律热能转换的基本概念和基本定律 一、热力系、状态及状态参数一、热力系、状态及状态参数1 1、热力系、热力系 (一一)热力系与工质热力系与工质 人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。热力系以外的物体称为外界；热力系与外界的交界处称为边界。热力系以外的物体称为外界；热力系与外界的交界处称为边界。（1）、）、定义定义第一节第一节 热能转换的基本概念热能转换的基本概念 系统系统固定边界固定边界移动

2、边界移动边界系统系统1122热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心2 2、工质：、工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。（2）、分类、分类闭口系闭口系：与外界无物质交换的系统与外界无物质交换的系统 CM 开口系开口系：与外界有物质交换的系统与外界有物质交换的系统 CV 按物质按物质交换交换简单可压缩系简单可压缩系：热力系与外界只有热量和可逆体积变化功的交换。热力系与外界只有热量和可逆体积变化功的交换。孤立系孤立系：与外界无任何能量和物质交换的热力系。与外界无任何能量和物质交换的热力系。绝热系绝热系：与外

3、界无热量交换的系统。与外界无热量交换的系统。热热 源源：与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统与外界仅有热量的交换，且有限热量的交换不引起系统 温度变化的热力系统。温度变化的热力系统。按能量按能量交换交换工工质质理想气体理想气体 实际气体实际气体 蒸蒸 气气 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心(二二)热力状态热力状态 热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。(简称状态简称状态)(三三)状态参数和基本状态参数状态参数和基本状态参数 1 1、状态参数、状态参数 定义：定义：描述系统状态的宏观物理量描述系统

4、状态的宏观物理量 分类：分类：广延量参数广延量参数：有关，如有关，如 H、U、S 等，具有可加性等，具有可加性 强度量参数强度量参数：无关，如无关，如 p、T、v、u、h 等等 按与按与所含工所含工质的量质的量有关否有关否基本状态参数基本状态参数：可以直接或易测的状态参数。如可以直接或易测的状态参数。如p、v 和和T。非基本状态参数非基本状态参数：不能直接或易测的状态参数。如不能直接或易测的状态参数。如H、s、u 等等 按是按是否直接否直接或易测或易测2112zzdz或或数学特征：数学特征：y)z(x,z 0dz，热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中

5、心2 2、基本状态参数基本状态参数（1 1）比体积）比体积 ：比体积就是单位质量的工质所占的体积。即比体积就是单位质量的工质所占的体积。即 /kgm3mVv（2 2）压力）压力 ：压力即物理学中的压强，单位是压力即物理学中的压强，单位是PaPa。绝对压力：绝对压力：p p 大气压力：大气压力：bp：表压力：表压力 gpgbpppbpp：真空度：真空度 vpvbpppbpp 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（3 3）温度：）温度：俗称是物体冷热程度的标志。俗称是物体冷热程度的标志。B B科学定义：科学定义：温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理

6、量。温度是决定系统间是否存在热平衡的宏观物理量。C C温标：温标：温度的数值表示温度的数值表示 经验温标建立的三要素：经验温标建立的三要素：分度方法测温物质的性质基准点 热力学温标：热力学温标：理论温标，符号理论温标，符号T 单位单位 K 新摄氏温标：新摄氏温标：符号符号t 单位单位。t（）=T（K）-273.15 热平衡热平衡ABA A热力学第零定律热力学第零定律 :如果两物体和第三个物体处于热平衡，则这如果两物体和第三个物体处于热平衡，则这 两个物体之间必然处于热平衡。两个物体之间必然处于热平衡。CAB 国际实用温标：（国际实用温标：（ITS90）热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章

7、西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心国际实用温标指包括水的三相点在内的若干固定点的温度，如下表所示国际实用温标指包括水的三相点在内的若干固定点的温度，如下表所示 国际实用温标的固定点国际实用温标的固定点 同时，又把平衡氢三相点以上的温度分了三个区间，并给出了相应的温同时，又把平衡氢三相点以上的温度分了三个区间，并给出了相应的温度计算公式：度计算公式：-259.34-259.34630.74630.74用铂电阻温度计测量，电阻丝是无应力的和退火用铂电阻温度计测量，电阻丝是无应力的和退火的。公式（略）。的。公式（略）。630.74 630.741064.431064.43用铂铑（用铂铑（101

8、0）铂热电偶测量，电动势与温度）铂热电偶测量，电动势与温度关系为关系为式中：式中：由由630.74630.740.20.2的银凝固点与金凝固点温度确定。的银凝固点与金凝固点温度确定。1064.43 1064.43以上以上由普朗克辐射定律定义，用由普朗克辐射定律定义，用1064.431064.43作参考温度，取作参考温度，取 。2)(ctbtatEcba,Km014388.02c热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心3 3、平衡状态平衡状态1 1、定义：、定义：一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，一个热力系统，如果在不受外界影响的条件下，系统的状

9、态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡系统的状态能够始终保持不变，则系统的这种状态称为平衡状态。状态。2 2、实现条件：、实现条件：p=0 T=0 (=0)。4 4、状态参数坐标图和状态方程式状态参数坐标图和状态方程式（1 1）独立的状态参数）独立的状态参数 ：简单可压缩系统：简单可压缩系统 2 。热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（3 3）描述平衡态基本状态参数间关系表达式称为）描述平衡态基本状态参数间关系表达式称为状态方程式状态方程式。0),(TvpF（2 2）状态参数坐标图）状态参数坐标图状态参数坐标图状态参数坐标图),(111vp1

10、p1vvpO),(111sT1T1ssTO热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心(一一)、热力过程、热力过程 定义：定义：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。1、准平衡、准平衡(准静态准静态)过程过程 准平衡过程的实现定义：定义：由一系列平衡态组成的热力过程由一系列平衡态组成的热力过程实现条件：实现条件：破坏平衡态存在的不平衡势差破坏平衡态存在的不平衡势差(温差、力差、化学势差温差、力差、化学势差)应为无限小。即应为无限小。即p0 T0 (0)二、热力过程、功及热量二、热

11、力过程、功及热量 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心2、可逆过程、可逆过程定义：定义：当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统再沿相同的当系统完成某一热力过程后，如果有可能使系统再沿相同的 路径逆行而回复到原来状态，并使相互中所涉及到的外界亦路径逆行而回复到原来状态，并使相互中所涉及到的外界亦 回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆回复到原来状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆 过程。过程。实现条件：实现条件：准平衡过程加无耗散效应的热力过程才是可逆过程。准平衡过程加无耗散效应的热力过程才是可逆过程。力学例子：力学例子：热工

12、基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（二）可逆过程的功量和热量（二）可逆过程的功量和热量 1、功、功 FdxW 21dxFW可逆过程的体积变化功 或或 21dVpW21dvpw符号规定符号规定 系统对外作功：系统对外作功：+外界对系统作功：外界对系统作功：-VpxApxFWddd热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心可逆过程的热量2、热量热量 21dSTQ21dsTq或或符号规定符号规定 吸热：吸热：+放热：放热：-STQVpWddTQSred热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安

13、交通大学热流中心三三 热力循环热力循环 1 1、定义、定义：工质从某一初态出发经历一系列热力状态工质从某一初态出发经历一系列热力状态变化后变化后 又回到原来初态的热力过程即封闭又回到原来初态的热力过程即封闭的热力过程的热力过程,简称循环简称循环。2 2、分类、分类 :按性质按性质 可逆循环可逆循环:全部由可逆过程构成。全部由可逆过程构成。不可逆循环不可逆循环:只要存在不可逆过程。只要存在不可逆过程。按目的按目的 正循环正循环(即动力循环即动力循环)：对外输出动力。：对外输出动力。逆循环逆循环(即制冷循环或热泵循环）：制冷或制热。即制冷循环或热泵循环）：制冷或制热。热工基础与应用热工基础与应用

14、第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心3 3、能量利用经济性、能量利用经济性 能量利用经济性能量利用经济性 =收益代价动力循环：动力循环：H0H0qwQWt制冷循环：制冷循环：0L0LwqWQ0H0HwqWQ制热（热泵）：制热（热泵）：热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心第二节第二节 热力学第一定律热力学第一定律 一、热力学第一定律及其实质一、热力学第一定律及其实质 热力学第一定律：热力学第一定律：热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，在它们的传递和相互转换过程中，总量保持不变。在它们

15、的传递和相互转换过程中，总量保持不变。热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质：“量量”守恒守恒 二、储存能二、储存能 1 1、内部储存能、内部储存能热力学能：热力学能：工质微观粒子所具有的能量。工质微观粒子所具有的能量。热力学能热力学能分子运动所具有的内动能分子运动所具有的内动能 分子间由于相互作用力所具有的内位能分子间由于相互作用力所具有的内位能 维持一定分子结构的化学能和原子核内部的核能维持一定分子结构的化学能和原子核内部的核能 热力学能热力学能U 是状态参数；是状态参数；比热力学能比热力学能 uU/m 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心2

16、 2、外部储存能、外部储存能 或 2k21mcE 2k21ce mgzE pgze p或mgzmcUE2213 3、储存能、储存能 比储存能比储存能 gzcue221热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心三、热力学第一定律的一般表达式三、热力学第一定律的一般表达式 1 1、一般的关系式为：、一般的关系式为：进入进入系统的能量系统的能量流出流出系统的能量系统能量的系统的能量系统能量的增量增量入入出出增量增量 2 2、一般表达式：、一般表达式：syE11me22meQtotWsy)(dEE tot1122sy)(dWmemeEQtot22,Wme出：出：

17、tot1122sy)(WmemeEQ或或 sysysydEEEE)d(sy增量：增量：11,meQ入入：热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心四、闭口系的能量方程四、闭口系的能量方程热力学第一定律基本表达式热力学第一定律基本表达式 1 1、能量方程：、能量方程：QQ UEsyWWmemetot11220)(3 3、其他形式：、其他形式：2 2、分析、分析 ：WUQ外热能外热能 内热能内热能或WUQwuq 微元：微元：或或WUQ dwuq d可逆：可逆：或或VpUQddvpuqdd 或或21dVpUQ21dvpuq机械能机械能 体积变化功体积变化功热工

18、基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心五、稳定流动系统的能量方程五、稳定流动系统的能量方程 （一）稳定流动系统（一）稳定流动系统 定义：定义：稳定流动系统是指热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。稳定流动系统是指热力系统内各点状态参数不随时间变化的流动系统。实现条件：实现条件：(1)(1)进出系统的工质流量相等且不随时间而变；进出系统的工质流量相等且不随时间而变；(2)(2)系统进出口工质的状态不随时间而变；系统进出口工质的状态不随时间而变；(3)(3)系统与外界交换的功和热量等所有能量不随时间而变。系统与外界交换的功和热量等所有能量不随时间而变

19、。（二）流动功（二）流动功 fW定义：定义：开口系统中工质流入和流出系统所作的开口系统中工质流入和流出系统所作的 推动功的代数和。推动功的代数和。11push1VpW11111111push1)()(VpLApLApW推动功：推动功：22push2VpW同理：同理：或 1122fVpVpW1122fvpvpw流动功：流动功：热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心(三三)稳定流动系统的能量方程稳定流动系统的能量方程 121212121122)()()()(EEmeemeemeememe)(shfshtotpVWWWW0syEpVUH引入焓引入焓H ：s

20、h221wzgchqsh221WzmgcmHQ 或或 sh2dd21dWzmgcmHQsh2dd21dwzgchq 或或 对于微元过程：对于微元过程：fsh12tot1122sy)()(WWEEWmemeEQ)()21()21(sh12112222pVWmgzmcUmgzmcUsh211122221)()(WzmgcmVpUVpUQQ 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（四）（四）技术功及稳流能量方程的其他形式技术功及稳流能量方程的其他形式sh2t21WzmgcmW从而有从而有 tWHQtwhq或或 tt)()(WpVUQWpVUQtft)(WW

21、WpVW可逆过程：可逆过程：)(dd)(d212121ftpVVppVVpWWW)dd(d212121pVVpVp21tdpVW21tdpvw或或21dpVHQ21dpvhq或或热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（五）焓（五）焓 定义式定义式pVUH比焓比焓 pvumHh物理意义：物理意义：焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量。的取决于热力学状态的总能量。热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心六、能量方程的应用六、能量方程的应用

22、(一一)叶轮式机械叶轮式机械1 1、动力机（汽轮机，燃气轮机）：、动力机（汽轮机，燃气轮机）：n能量方程能量方程 sh221wzgchqn化化 简：简：0002zcq021shhhhw同理可得同理可得 0)(12shhhhwn 确立系统：确立系统：稳定流动系统（稳定流动系统（sssfsssf）叶轮式动力机叶轮式动力机叶轮式耗功机械叶轮式耗功机械 2 2、耗功机械、耗功机械（叶轮式压气机机，水泵叶轮式压气机机，水泵）热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心(二二)热交换器热交换器 n确立系统：确立系统：sssfn能量方程能量方程 sh221WzmgcmH

23、Qn化化 简：简：000sh2Wzc12HHHQn设备示意简图设备示意简图 20000shqczw 或或 0h21hh (三三)节流节流 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心例例1 1 进入汽轮机新蒸汽的参数为进入汽轮机新蒸汽的参数为 ，；出口参数为：；出口参数为：，,，蒸汽的质量流，蒸汽的质量流量量 ，试求，试求(1)(1)汽轮机的功率；汽轮机的功率；(2)(2)忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。忽略蒸汽进、出口动能变化引起的计算误差。MPa0.91pC500o1tkJ/kg0.33851hm/s501cMPa004.02pkJ/kg0.2

24、3202hm/s1202ct/h220mq222sh122122-331()22(3385.02320.0)(12050)21.059 10J/k10kgwhchhcc 依题意：依题意：qo，z0，故有故有解解（1 1）取汽轮机进、出口所围空间为控制容积系统，如图）取汽轮机进、出口所围空间为控制容积系统，如图 所示，则系统为稳定流动系统。从而有所示，则系统为稳定流动系统。从而有 sh22wzgchq5.95kJ/kg10)50120(21213222shcw%56.010059.195.53shshkww（2 2）忽赂工质进出口动能变化，单位质量工质对外输出功的增加量）忽赂工质进出口动能变化，

25、单位质量工质对外输出功的增加量(或减少量或减少量)忽略工质进出口动能变化引起的相对误差忽略工质进出口动能变化引起的相对误差kW10472.6kJ/h102.330kJ/h10059.1102204833shmshwqP功率功率热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心例例2 2 空气在一活塞式压气机中被压缩。压缩前空气的参数是：空气在一活塞式压气机中被压缩。压缩前空气的参数是：，压缩后空气的参数是：，压缩后空气的参数是：，。设在压缩过程。设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加中每千克空气的热力学能增加 ，同时向外放出热量，同时向外放出热量 ，试求，试求（

26、1 1）压缩过）压缩过程中对每千克空气所做的功；（程中对每千克空气所做的功；（2 2）每生产）每生产 压缩空气所做的功；（压缩空气所做的功；（3 3）若该压）若该压气机每分钟生产气机每分钟生产 压缩空气，带动此压气机要用多大功率的电动机？压缩空气，带动此压气机要用多大功率的电动机？MPa1.01pkgm 86.031vMPa8.02pkJ 150kg1kg15kgm 18.032vkJ 50kgkJ 20015050uqw则则系统为闭口系，能量方程为系统为闭口系，能量方程为：wuq解解（1 1）（2 2）系统可视为稳定流动系统（如图所示）则能量方程为：）系统可视为稳定流动系统（如图所示）则能量

27、方程为：sh221wzgchq由：由：0,02zc得：得：)()()(shpvuqpvuqhqw由（由（1 1）知：）知：kgkJ 200wuqsh()200(0.8 0.180.1 0.86)wwpv（3 3）带动此压气机的电动机功率）带动此压气机的电动机功率kW 64.52586015shwqPm63258 k10J kg10 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心第三节第三节 热力学第二定律热力学第二定律一、一、热力过程的方向性热力过程的方向性ABAQBQ温差传热过程温差传热过程BAQQABQQ （2 2）自由膨胀自由膨胀 AB气体自由膨胀气体

28、自由膨胀 21UU12UU （1 1）温差传热温差传热（一）、方向性（一）、方向性 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（3 3）摩擦摩擦生热生热22112fUUmc21212fUmcU （4 4）电容电容电感电路电感电路1U电容电感电路21UEUe12EUUe（二）、热力学第二定律的任务（二）、热力学第二定律的任务 研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过程的补偿和补研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过程的补偿和补偿限度是热力学第二定律的任务。偿限度是热力学第二定律的任务。热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流

29、中心西安交通大学热流中心二、热力学第二定律的表述二、热力学第二定律的表述克劳修斯克劳修斯的说法：的说法：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。他变化。开尔文开尔文的说法：的说法：不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。他变化。其他其他说法，如：说法，如：第二类永动机是造不成的。第二类永动机是造不成的。热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心热力学第二定律各种表述的热力学第二定律各种表述的等效性：等效性：HTOWLQHQLTLQLLQQ热源：

30、热源：失去失去 HLHLOOQQQQQW冷源：冷源：失去失去 0LLQQ 总效果：总效果：从单一热源吸热从单一热源吸热 全部转变为功全部转变为功 120QQQ0W外界：外界：得到得到 OW热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心三、卡诺循环和卡诺定理三、卡诺循环和卡诺定理（一）、卡诺循环（一）、卡诺循环绝热可逆HQLQ定温放热绝热可逆定温吸热pOV1342 卡诺循环由两个卡诺循环由两个定温定温和两个和两个绝热可逆绝热可逆过程组成，如右图。过程组成，如右图。1 1 、卡诺循环的组成卡诺循环的组成（二）、卡诺定理（二）、卡诺定理定理定理1 1：12rrrC

31、 2 2 、卡诺循环的热效率卡诺循环的热效率HL1TTC定理定理2 2：rir热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心假设假设 且且 BABAWW 1nettQW由由 ，得得 0HLWQQHAHBLALBQQQQ令令 B B机逆转成为一制冷机，使机逆转成为一制冷机，使A A、B B构成一联合热机：构成一联合热机：热源：热源：得到得到 HBHA0QQQ外界：外界：得到得到 AB0WW冷源：冷源：失去失去 LALB0QQQ违反热力学第二定律的克劳修斯的说法，违反热力学第二定律的克劳修斯的说法，不可能不可能 BA同理：同理：不可能不可能 BA只有只有 BA反

32、证法证明定理反证法证明定理1 1 1T2T2AQ2BQBWAW1BQ1AQ1T2T2AQ2BQBWBAWW1BQ1AQ(a)(b)热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（三）（三）变温热源（多热源）的可逆循环变温热源（多热源）的可逆循环 定义：定义：所谓平均吸热温度所谓平均吸热温度(或平均放热温度或平均放热温度)是工质在变温吸热是工质在变温吸热(或放或放热热)过程中温度变化的积分平均值。过程中温度变化的积分平均值。吸热量：吸热量：gHedQT S同理，平均放热温度：同理，平均放热温度：geLLdT SQTSS热效率用平均温度可表示为：热效率用平均温度

33、可表示为：LLtHH11QTSQTS LtH1TT geHHdT SQTSS平均吸热温度平均吸热温度：TsOABCDiThTHTlTLTmnhabgclessd热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（四）、卡诺循环卡诺定理的意义（四）、卡诺循环卡诺定理的意义1、rLHLHHLrTTTTfTT,),(12、，应尽量减少不可逆应尽量减少不可逆 irr3、不可能，不可能，不可能；不可能；K0,LHTT1t4、LHTT 0t)1(0max,TTQWEnetQXTTQAQn0,5、热量有效能（热火用）：热量有效能（热火用）：热量无效能（热火无）：热量无效能（热

34、火无）：热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心四四 状态参数熵状态参数熵HLHLHLHLCTTQQTTQQ110LLHHLLHHTQTQTQTQ考虑到考虑到Q 的正、负号的正、负号 AB2abcdvOp1微元可逆循环微元可逆循环a-b-c-d-a 0LLHHTQTQ整个可逆循环整个可逆循环1-A-2-B-1 01221LLBHHATQTQ即：即：01221TQTQBA 或或 0TQreTQTQBA2121TQSredTQSre210LLHHTQTQ热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心1.1.克劳修斯不等式

35、克劳修斯不等式 考虑到考虑到Q 的正、负号的正、负号 微元不可逆循环微元不可逆循环a-b-c-d-a 整个不可逆循环整个不可逆循环1-A-2-B-1 即：即：01221TQTQBA0TQ克劳修斯不等式克劳修斯不等式 0TQ不可行可行、可逆可行、不可逆 0 0 0热力学第二定律的数学表达式之一热力学第二定律的数学表达式之一 五五 不可逆过程的熵变、熵流和熵产不可逆过程的熵变、熵流和熵产HLHLHLHLtTTQQTTQQ110LLHHTQTQ0LLHHTQTQ0LLHHTQTQ01221BLLAHHTQTQvOp12ABpabcd热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交

36、通大学热流中心解解：（：（1 1）作热机时）作热机时 （2 2）作制冷机时，按题设工作参数有）作制冷机时，按题设工作参数有 例例1 1：某热机从某热机从 的热源吸热的热源吸热 ，向，向 的冷源放热的冷源放热 。此循环满足克劳修斯不等式吗？是可逆循。此循环满足克劳修斯不等式吗？是可逆循环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从 的冷热源的冷热源吸热吸热 时，是否可能向时，是否可能向 的热源放热的热源放热？1000KHT kJ2000300KLT 810kJLTkJ810HTkJ2000kJ/K7.030081010002000LLHHTQTQTQkJ/K

37、7.030081010002000LLHHTQTQTQ热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心2 2、不可逆过程的熵变不可逆过程的熵变 pvAB12o对于不可逆过程对于不可逆过程1-A-2,构成循环构成循环1-A-2-B-1：0TQ01221TQTQBATQTQBA1221TQTQBA2121TQTQSAB2121TQSA21微元过程：微元过程：TQSd或或 TQSA21TQSd不可行可行、可逆可行、不可逆 0 0 0热力学第二定律的数学表达式之一热力学第二定律的数学表达式之一热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热

38、流中心3 3、熵流和熵产熵流和熵产 熵流熵流 0dfTQS2gg1fQSSSST 熵产熵产 0ddgTQSSgfgddddSSSTQSdQST热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心六六 熵增原理熵增原理 （一）一）孤立系的熵增原理孤立系的熵增原理 孤立系：孤立系：0dfTQS021fTQS0ddgiso SS0gisoSS孤立系的孤立系的熵增原理熵增原理：孤立系统的熵可以增大或保：孤立系统的熵可以增大或保持不变，但不可能减少持不变，但不可能减少。00disoisoSS不可行可行、可逆可行、不可逆 0 0 0热力学第二定律的数学表达式之一热力学第二定律

39、的数学表达式之一熵增原理的应用：熵增原理的应用：jjSSS,subisoggfgddddSSSTQS热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心解解 （1）LREHRisoSSSSHHRHQSTLLRLQSTE0SHLisoHRLRHL20008100.7kJ/K01000300QQSSSTT（2）例例2 2：某热机从某热机从 的热源吸热的热源吸热 ，向，向 的冷源放热的冷源放热 。此循环可行吗？是可逆循环还是不可逆循。此循环可行吗？是可逆循环还是不可逆循环？若将此热机作制冷机用，从环？若将此热机作制冷机用，从 的冷热源吸热的冷热源吸热 时，是时，是否可能

40、向否可能向 的热源放热的热源放热？1000KHT kJ2000300KLT 810kJLTkJ810HTkJ2000HLisoHRLRHL20008100.7kJ/K01000300QQSSSTT 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心ABATBTQiso例例3 3 设两恒温物体设两恒温物体A和和B，温度分别为温度分别为1500K和和500K。试根据熵增试根据熵增原理计算分析下面两种情况是否可行？若可行是否可逆？原理计算分析下面两种情况是否可行？若可行是否可逆？（1 1）B 向向A 传递热量传递热量1000kJ;（2 2）A 向向B 传递热量传递热量

41、1000kJ 解解 （1）kJ1000ABQQQkJ1000BQABisoABABAB1110001 15001 500-1.33kJ/K0QQSSSQTTTT （2）同理，对于）同理，对于A放出热量和放出热量和B得到热量的情况，有得到热量的情况，有kJ1000 kJ1000BAQQABisoABABBA1110001 5001 15001.33kJ/K 0QQSSSQTTTT 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心例例4 4 将将0.5kg温度为温度为1200的碳钢放入盛有的碳钢放入盛有4kg温度为温度为20的水的水的绝热容器中，最后达到热平衡。试

42、求此过程中不可逆引起的的绝热容器中，最后达到热平衡。试求此过程中不可逆引起的熵产。碳钢和水的比热容分别为熵产。碳钢和水的比热容分别为 和和 K)kJ/(kg47.0ccK)kJ/(kg187.4wcwmwwwttcmQmccccttcmQ解解 首先求平衡温度首先求平衡温度 。mt wcQQ 3.36 187.4447.05.020187.44120047.05.0wwccwwwcccmwmwwmccccmcmtcmtcmtttcmttcm 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心 水的熵变水的熵变碳钢的熵变碳钢的熵变mmwwwwmwwwwdln36.3

43、273 4 4.187 ln0.907kJ/K1200273TTTTm cTTQSm cTTT mcmcc ccln36.3273 0.5 0.47 ln0.367kJ/K1200273TTTQSm cTT 水和碳钢所构成的绝热系的总熵增，即该过程的熵产水和碳钢所构成的绝热系的总熵增，即该过程的熵产gadwc0.9070.3670.54kJ/KSSSS 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心（二）（二）绝热系（定质量）的熵增原理绝热系（定质量）的熵增原理绝热系：绝热系：0dfTQS021fTQS0ddgad SS0gadSS00dadadSS不可行可

44、行、可逆可行、不可逆 0 0 0应用：应用：稳定流动系：闭口系：syadSSinoutadSSS热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心解解 :根据绝热过程的判据根据绝热过程的判据 来确定。来确定。0ads11220.1MPa,(15273)K288K;0.5MPa,(150273)K423KpTpT。（1 1）已知）已知221 2adg11lnln423 0.5 1.005 ln0.287 ln288 0.1 0.0756 kJ/kg K0pTpsscRTp 例例5 5 初态为初态为0.10.1MPaMPa、1515的空气在压缩机中被绝热压缩到的空气

45、在压缩机中被绝热压缩到0.50.5MPaMPa,终温为（终温为（1 1）150150 、（、（2 2）217217，问过程是否可行？是否可逆？问过程是否可行？是否可逆？设空气的气体常数设空气的气体常数 ，比热容，比热容 。理想气体比熵计算公式为理想气体比熵计算公式为:KkgkJ/287gRKkgkJ/005.1pc221 2adg11lnlnpTpsscRTp 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心11220.1MPa,288K;0.5MPa,(217273)K490KpTpT。（2 2）已知）已知221 2adg11lnln490 0.5 MPa1

46、.005 ln0.287 ln288 0.1 MPa0.0722 kJ/kg K0pTpsscRTp 热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心七七 热量有效能与热量有效能与有效能损失有效能损失20,1n QTAQT变温：变温：)1(0,TTQEQX)1(021,TTQEQXTTQAQn0,1 1、热量有效能（热火用）、热量有效能（热火用）热量有效能（热热量有效能（热 火用）：火用）：)1(0max,TTQWEnetQX热量无效能（热火无）：热量无效能（热火无）：TTQAQn0,TSOBA12QE,xQE,xQA,n0TSdS4536热工基础与应用热工基

47、础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心2、有效能损失有效能损失)1(A0Amax,XATTQWEQ)1(B0Bmax,XBTTQWEQ)11()1()1(AB0B0A0,X,XBATTQTTTQTTQEEIQQ孤立系孤立系A+B：)11(11ABABABisoTTQTQTQSSSg0iso0AB0)11(STSTTTQTIg0STIisoSASBSATBTT0TSO5532121346ABBTAT0 T境环A,XAmax,QEWB,XBmax,QEW0QQ0QQ热工基础与应用热工基础与应用 第二章第二章西安交通大学热流中心西安交通大学热流中心八八 能量的品质与能量贬值原理能量的品质与能量贬值原理 1 1 能量的品质能量的品质机械能（功）量热能，难%100)(高温热能（量）量低温热能，难%100)(2 2 能量贬值原理能量贬值原理 能量贬值原理：能量贬值原理：在孤立系统的能量传递与转换过程中，在孤立系统的能量传递与转换过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，极限条件下保持不变。能升高，极限条件下保持不变。以转变为有用功的能力为判据：低品味能量以转变为有用功的能力为判据：低品味能量 高高品味能量品味能量 ，难%100