1、第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律The second law of thermodynamics5-1 热力学第二定律热力学第二定律5-2 卡诺循环和多热源可逆循环分析卡诺循环和多热源可逆循环分析5-4 熵、热力学第二定律的数学表达式熵、热力学第二定律的数学表达式5-5 熵方程熵方程5-7 火用参数的基本概念热量火用火用参数的基本概念热量火用5-8 工质火用及系统火用平衡方程工质火用及系统火用平衡方程5-3 卡诺定理卡诺定理5-6 孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理1PPT课件工程热力学的研究内容工程热力学的研究内容 1、能量转换的基本定律 2、工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备
2、、工作原理4、化学热力学基础2PPT课件本章知识点本章知识点 理解热力学理解热力学第二定律第二定律的实质，的实质，卡诺循环，卡诺循环，卡诺定理卡诺定理，孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理，深刻理解，深刻理解熵熵的定义式及其物理意义。的定义式及其物理意义。 熟练应用熟练应用熵方程熵方程，任意过程熵的变化以及，任意过程熵的变化以及作功能力损失作功能力损失的计算。的计算。 了解了解火用、火无火用、火无 的概念。的概念。3PPT课件能量之间能量之间数量数量的关系的关系热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能的过程是
3、否都能自发自发进行进行4PPT课件51 热力学第二定律热力学第二定律一、自发过程的方向性一、自发过程的方向性只要只要Q不大于不大于Q，并不违反第一定律并不违反第一定律QQ?自发过程自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性5PPT课件自发过程的方向性自发过程的方向性l水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l摩擦生热摩擦生热l电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势l热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体6PPT课件自发过程的方向性自发过程的方向性摩擦生热摩擦生热10
4、0%发电厂发电厂40%7PPT课件重物下落，水温升高重物下落，水温升高;水温下降，重物升高水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水的内能只要重物位能增加小于等于水的内能减少，不违反第一定律。减少，不违反第一定律。电流通过电阻，产生热量电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向对电阻加热，电阻内产生反向电流电流？只要电能不大于加入热能，不只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。违反第一定律。8PPT课件归纳：归纳：1）自发过程有）自发过程有方向性方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有要有附加条件附加条件； 3）并非所有不违反
5、第一定律的过程均可进行。）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的能量转换方向性的实质是实质是能质能质有差异有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能机械能，电能部分可转换能部分可转换能热能热能0TT 不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环境介质的热力学能9PPT课件 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质能不能找出能不能找出共同共同的规律性的规律性?能不能找到一个判据能不能找到一个判据? 自然界过程的自然界过程的方向性方向性表现在不同的方面表现在不同的方面10PPT课件二、第二定律的两种典型表述二、第二定律的两种典型表述 热功转换热功转换 传传 热热11PPT课件开尔文普朗
6、克表述开尔文普朗克表述 不可能从不可能从单一热源单一热源取热，并使之完全取热，并使之完全转变为转变为有用功有用功而不产生其它影响而不产生其它影响。 热机热机不可能将从不可能将从热源热源吸收的热量全部转吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给变为有用功，而必须将某一部分传给冷源冷源。理想气体理想气体 T 过程过程 q = = w12PPT课件理想气体理想气体 T 过程过程q = w热机：连续作功热机：连续作功 构成循环构成循环有吸热，有放热有吸热，有放热 热机热机不可能将从不可能将从热源热源吸收吸收的热量全部转变为有用功，而的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给必须将某一部分传给冷
7、源冷源。13PPT课件克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化而不引起其它变化。 热量不可能自发地、不付代价地从低热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体温物体传至高温物体。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功14PPT课件两种表述的关系两种表述的关系开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 完全等效!克劳修斯表述克劳修斯表述违反一种表述,必违反另一种表述!15PPT课件证明1、违反开表述导致违反克表述16PPT课件证明2、违反克表述导致违反开表述17PPT课件设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。三三.关于第二类永动
8、机关于第二类永动机历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。18PPT课件热二律的实质热二律的实质Essential of the second law实践经验得出的经验规律，具有广泛的适用性和高度的可靠性。但是，热能的本质、热现象所以有方向的原因，都不是宏观方法所能解释的，只有在统计热力学中用微观的以及统计的方法才能予以阐明。19PPT课件 热一律否定第一类永动机热一律否定第一类永动机热一律与热二律 t
9、 100不可能不可能 t =100不可能不可能20PPT课件第二类永动机不可以制成，是因为？A、违背了能量的守恒定律B、热量总是从高温物体传递到低温物体C、机械能不能全部转变为热力学能D、热力学能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化D21PPT课件52 卡诺循环和多热源可逆循环分析卡诺循环和多热源可逆循环分析法国工程师法国工程师卡诺卡诺 (S. Carnot,1796-1832,法国法国)，1824年提出年提出卡诺卡诺循环循环既然既然 t =100不可能不可能热机能达到的热机能达到的最高效率最高效率有多少？有多少？热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高22PPT课件23PPT课件正向循环
10、正向循环（Forward cyclepower cycle)顺时针方向顺时针方向Clockwise direction总效果总效果Net result：Output work, Input heat1QWinputHeatworkNetCostProfitt 24PPT课件逆向循环逆向循环（Converse cycle-Refrigeration cycle）净效果净效果Net result：Input work, Output heat逆时针方向逆时针方向Anticlockwise directionWQCostProfit2WQCostProfit125PPT课件可逆循环与不可逆循环可逆循
11、环与不可逆循环Reversible and irreversible cycle26PPT课件一、卡诺循环一、卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程， q1 = T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程， q2 = T2(s2-s1)是是两两个热源的个热源的可逆可逆循环循环27PPT课件t1wq2212t,C121111TssTT ssT 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率122111qqqqq 28PPT
12、课件 t,c只取决于只取决于恒温恒温热源热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关；2t,C11TT 卡诺循环卡诺循环热机效率的说明热机效率的说明 T1越大越大 t,c越高越高, T2越小越小 t,c越高越高 当当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能单热源热机不可能 T1 =K, T2 = 0 K, t,c 100%， 热二律热二律29PPT课件讨论：讨论： 1）实际循环）实际循环不可能不可能实现卡诺循环，原因：实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆；一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难；气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环气体卡诺循环
13、wnet太小，若考虑摩擦，太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。输出净功极微。 2）卡诺循环指明了一切热机提高卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。热效率的方向。30PPT课件二、概括性卡诺循环二、概括性卡诺循环 1. 回热和极限回热回热和极限回热 2L1212qmnTs面积net122t1111wqqqqqq 2. 概括性卡诺循环及其热效率概括性卡诺循环及其热效率1H34343qopTs面积L12LH34H11TsTTsT c31PPT课件三、逆向卡诺循环三、逆向卡诺循环 制冷系数制冷系数：cccnet0cqqwqqc23c0c230cTsTTTsTT1c可大于，小于，或等于TcT0- -Tc
14、 c32PPT课件供暖系数供暖系数：11cnet12qqwqqR41RR041R0TsTTTsTTc1TRTR- -T0 c33PPT课件三种卡诺循环Three typical carnot cycles34PPT课件四、多热源可逆循环四、多热源可逆循环 1. 平均吸（放）热温度平均吸（放）热温度2m211dqT sTss注意：注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义仅在可逆过程中有意义12m2TTT2. 多热源可逆循环多热源可逆循环2t11 21111 21qB mnqA mn 面积面积21m21dT sTssmLLmHH111TTqrmnqopmnoTT 面积面积2)35PPT课件循环热效率归
15、纳：循环热效率归纳：net2t111wqqq mm1TT 放吸LH1TT 适用于一切工质，任意循环适用于一切工质，任意循环适用于多热源可逆循环，任意工质适用于多热源可逆循环，任意工质适用于卡诺循环，概括性卡诺循环适用于卡诺循环，概括性卡诺循环,任意工质任意工质36PPT课件实际实际循环与卡诺循环循环与卡诺循环 内燃机内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC =74.7% 实际t =3040% 卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上 T s 很难实现 火力发电 t1=600oC，t2=25oC tC =65.9% 实际t =40%回热和联合循环t 可达50%37PPT课件卡诺循环小结卡诺
16、循环小结summary1.在两热源间工作的一切可逆循环在两热源间工作的一切可逆循环,它们的它们的热效率相同热效率相同,只决定于热源和冷源的温度只决定于热源和冷源的温度,与工质的性质无关与工质的性质无关2.温度界限相同温度界限相同,但是有两个以上热源（但是有两个以上热源（多多热源热源）的可逆循环）的可逆循环,其其t tR T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIRIRRWWWIR- WR = Q2 - Q2 0T1无变化无变化从从T2吸热吸热Q2-Q2违反开表述，单热源热机违反开表述，单热源热机WR假定假定Q1= Q1 要证明要证明tIRtR把把R逆转逆转-WRWIR=Q1-Q2WR=Q1-Q2 对外
17、作功对外作功WIR-WR 克劳修斯的证明克劳修斯的证明反证法反证法假定：假定：WIR=WR若若 tIR tRT1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIRIRR11WWQQ Q1 0从从T2吸热吸热Q2-Q2向向T1放热放热Q1-Q1不付代价不付代价违反克表述违反克表述 要证明要证明tIRtR Q1-Q2= Q1-Q2 WR把把R逆转逆转卡诺定理卡诺定理推论一推论一 在两个不同温度的在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切可逆可逆热机热机，具有，具有相同相同的的热效率热效率，且与工质的性质无关，且与工质的性质无关 tR1 = tR2= tC与工质无关与工质无关43PPT课件卡诺定理卡诺定
18、理推论二推论二 在两个不同温度的在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的任间工作的任何何不可逆热机不可逆热机，其热效率，其热效率总小于总小于这两个热源这两个热源间工作的间工作的可逆热机可逆热机的效率。的效率。工质循环、冷热源均恢复原状，工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。与原假定矛盾。44PPT课件卡诺定理小结卡诺定理小结1、在两个不同在两个不同 T T 的的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切 可逆可逆热机热机 tR = tC 2、多多热源间工作的一切可逆热机热源间工作的一切可逆热机 tR多多 同温限间工作卡诺机同温限间工作卡诺机
19、 tC 3、不可逆不可逆热机热机 tIR 同热源间工作同热源间工作可逆可逆热机热机 tR tIR tR= tC 在给定的温度界限间在给定的温度界限间工作的工作的一切热机一切热机， tC最高最高 热机极限热机极限 45PPT课件 某项专利申请书上提出一种热机，从某项专利申请书上提出一种热机，从167 的热源接受热量，的热源接受热量，向向7 冷源排热，热机每接受冷源排热，热机每接受1 000 kJ热量，能发出热量，能发出0.12 kWh 的电力。请判定专利局是否应受理其申请，为什么？的电力。请判定专利局是否应受理其申请，为什么？解：解：net10.12 3600432 kJ1 000 kJWQ故不
20、违反第一定律故不违反第一定律 根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间工作的根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间工作的热机，以可逆机效率最高热机，以可逆机效率最高A440155从申请是否违反自然界普遍规律着手从申请是否违反自然界普遍规律着手LcH(273.157) K110.364(273.15 167) KTT 46PPT课件net,maxct,max1WQ违反卡诺定理，所以不可能违反卡诺定理，所以不可能net,maxc1net0.364 1 000 kJ364 kJ432 kJWQWnettc1432 kJ0.4321 000 kJWQ或或违反卡诺定理，所以不可能违反卡诺定理，所以不可
21、能返回返回47PPT课件3.卡诺定理指出（）A 相同温限内一切可逆循环的热效率相等B相同温限内可逆循环的热效率必大于不可逆循环的热效率C相同温度的两个恒温热源间工作的一切可逆循环的热效率相等D相同温度的两个恒温热源间工作的一切循环的热效率相等C48PPT课件证明证明：任意可逆过程任意可逆过程可用一组可用一组 初、终态相同的由初、终态相同的由可逆可逆 绝热及等温过程绝热及等温过程组成的组成的 过程替代。过程替代。 如图，如图，1-2可用可用1-a，a-b-c及及c-2代替。代替。 需证明：需证明： 1-2及及1-a-b-c-2的的功和热量分别相等。功和热量分别相等。BDFAwa1DECw21GE
22、CABwcaGFwc2令面积令面积1、熵为状态参数、熵为状态参数 54 熵、热力学第二定律的数学表达式熵、热力学第二定律的数学表达式49PPT课件1212a caa ccwwww 1212acuu )()(GFGECABAFECFDFECB21wECD12121 212a cquwq 1212aca cuw 又又所以所以50PPT课件2. 熵参数的导出熵参数的导出L,2t,H,111iiiiiTqTq 12H,L,0iiiiqqTT令分割循环的可逆绝热线令分割循环的可逆绝热线无穷大无穷大，且任意两线间距，且任意两线间距离离0, 则则21L,H,iiiiqqTT,0ir iqT0rTq51PPT
23、课件dRqsT 讨论：讨论： 1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关； 2）因）因s是状态参数，故是状态参数，故s12=s2- -s1与过程无关；与过程无关； 克劳修斯积分等式克劳修斯积分等式， （Tr热源温度热源温度）s是状态参数是状态参数令令3）00TqTqr 0rTq可逆过程代表某一可逆过程代表某一状态函数状态函数Tq熵于熵于19世纪中叶首先克劳修斯世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，从引入，从1865年起称年起称为为entropy，由清华刘仙洲教授译成为，由清华刘仙洲教授译成为“熵熵”。令分割循环的可逆绝热线令分割循环的可
24、逆绝热线无穷无穷大大，且任意两线间距离，且任意两线间距离0, 则则52PPT课件熵的物理意义熵的物理意义定义：熵定义：熵reQdST热源温度热源温度=工质温度工质温度比熵比熵reqdsT克劳修斯不等式克劳修斯不等式0dS 0Q0dS 0Q0dS 可逆时可逆时0Q熵变表示可逆熵变表示可逆过程中热交换过程中热交换的方向和大小的方向和大小熵的物理意义熵的物理意义 0rTq0dS53PPT课件1、克劳修斯积分不等式、克劳修斯积分不等式用一组等熵线分割循环用一组等熵线分割循环可逆小循环可逆小循环不可逆小循环不可逆小循环可逆小循环部分：可逆小循环部分：r0qT不可逆小循环部分：不可逆小循环部分：2,L,1
25、,H,11iiiiqTqT 2,L,1,2,1,H,H,L,0iiiiiiiiqTqqqTTTr0qT 二、热力学第二定律的数学表达式二、热力学第二定律的数学表达式54PPT课件可逆部分可逆部分+不可逆部分不可逆部分r0qT可逆可逆 “=”不可逆不可逆“”f,g( )iijjlSs ms mSS77PPT课件绝热稳流开系：绝热稳流开系：f21g00ssss12CVd0mmmS稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）稳流开口系：稳流开口系：12fg0ssmSS21fgssssf,g( )iijjlSs ms mSSs1、s2分别是进出口截面
26、上工质的比熵78PPT课件 试判断下列各种试判断下列各种“单向单向”过程的熵变是：过程的熵变是： a）正；）正；b）负；）负；c）可正可负；）可正可负；d）零）零1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量，热量 - -10kJ，系统熵变，系统熵变 。“- -”2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量功量10 kJ，热量，热量- -10kJ，系统熵变，系统熵变 。“- -”or”+ +”3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程
27、，装置作功程，装置作功20kJ，与外界交换热量，与外界交换热量-15kJ，流体进，流体进出口熵变。出口熵变。“+ +”or“- -”4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆过程，装置作功过程，装置作功20kJ，与外界交换热量，与外界交换热量-15kJ，流体，流体进出口熵变。进出口熵变。“- -”A140155返回返回79PPT课件书上P164页例题5-5,5-680PPT课件56孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理孤立系统孤立系统f0S无质量交换无质量交换0gisoSdS无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不
28、可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一81PPT课件由熵方程由熵方程fgiijjSs ms mSS因为是孤立系因为是孤立系f0000ijlmmQSisogd0SS可逆取可逆取 “=”不可逆取不可逆取“”结论：结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能绝不能减小减小，这一规律称为这一规律称为孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理。82PPT课件 3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理根据熵增原理判别过程进行的方向判别过程进行的方向；讨论：讨论： 1）孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为可作为第二定第二定律的
29、律的又一数学表达式，而且是又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式更基本的一种表达式； 2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系（功孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系（功量交换无熵变）；量交换无熵变）；83PPT课件 热量高温低温a)AATqsqA失:iso110BAsqTTR “=” IR “” 若不可逆，若不可逆，TATB,，以以A为热源为热源B为冷源，利用热为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大孤立系熵增大这里也意味着这里也意味着机械能损失机械能损失。BBTqsqB得:84PPT课件HTqsq11热热源：失12isoHL12HL0
30、0qqsTTqqTT R “=”IR “”1,net,net,qt Rt IRRIRww 同样不可逆使不可逆使孤立系熵增大孤立系熵增大造成的后果是造成的后果是机械能（功）减少机械能（功）减少b) b) 热能热能机械能机械能LTqsq22冷冷源：得net0ws 热机：输出85PPT课件 S dSrrTQTQ 1、在任意不可逆过程中，、在任意不可逆过程中，ssf，即任意过程的，即任意过程的熵变可表示为：熵变可表示为：并且：并且：二、熵增原理的实质二、熵增原理的实质2、孤立系统内部存在不平衡势差是过程自动进行、孤立系统内部存在不平衡势差是过程自动进行的推动力。随着过程进行，系统内部由不平衡的推动力。
31、随着过程进行，系统内部由不平衡向平衡发展，总熵增大，当总熵最大时，过程向平衡发展，总熵增大，当总熵最大时，过程停止进行，系统达到相应的平衡状态。停止进行，系统达到相应的平衡状态。0isoS 0Siso86PPT课件 3、如果某一过程的进行会导致孤立系统的熵减小，、如果某一过程的进行会导致孤立系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿补偿，使孤立系统的总熵增大，至少保持不变，使孤立系统的总熵增大，至少保持不变熵增原理的实质熵增原理的实质补偿过程补偿过程就是伴随着熵减少的过程一起进行的熵就是伴随着熵减少的过程一起进行的熵增过程；实
32、际过程总是朝熵增大的方向进行增过程；实际过程总是朝熵增大的方向进行87PPT课件 利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可能制成的能制成的: 它从它从167 的热源吸热的热源吸热1 000 kJ，向，向7 的冷的冷源放热源放热568 kJ，输出循环净功，输出循环净功432 kJ。证明：证明：1 000 kJ2.272 kJ/K(273.15 167) Ks 热源所以该热机是不可能制成的所以该热机是不可能制成的568 kJ2.027 kJ/K(273.157) Ks冷源0热机siso2.272 kJ/K2.027 kJ/K0.245 kJ/K0s
33、A340133取热机、热源、冷源组成闭口绝热系取热机、热源、冷源组成闭口绝热系返回返回88PPT课件熵的问答题89PPT课件哪个参数才能正确评价能的价值 热量？max293110050041.4WkJmax2931100100070.7WkJ57 火用参数的基本概念热量火用火用参数的基本概念热量火用90PPT课件哪个参数才能正确评价能的价值 焓？91PPT课件哪个参数才能正确评价能的价值 内能？92PPT课件三种不同品质的能量 93PPT课件一一、能量的可转换性、火用和火无能量的可转换性、火用和火无 火用火用火用火用火用火用火无火无火无火无94PPT课件nxAEE95PPT课件二、二、 热量火
34、用和冷量火用热量火用和冷量火用因因T0基本恒定，故基本恒定，故qun s1201un1a10012mhmhTqqqqqTTsTTa1012qqTs热源传出的热量中理论上可转化为热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功最大有用功的热量。的热量。0a1mh1TqqT1、热量火用、热量火用96PPT课件讨论：讨论： 1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高份额，称为份额，称为热量火用热量火用； 2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是热能的一种是热能的一种属性属性，环境条件和热源确定后，环境条件和
35、热源确定后不能消除和不能消除和减少减少，称为，称为热量火无热量火无； 3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，因）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，因此循环中排向环境的热量未必是废热，而环境介质中的此循环中排向环境的热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是内热能全部是废热废热。 4）qa与热源放热过程特征有关，因此与热源放热过程特征有关，因此 qa从严格意义上从严格意义上讲不是状态参数。讲不是状态参数。97PPT课件 2、冷量火用、冷量火用 冷量冷量低于环境温度传递的热量。低于环境温度传递的热量。 01aTqqT01 acTqqT2011 acTqqT01caTqqT201cc
36、qTqTcaqsTq120整理整理98PPT课件讨论：讨论： 1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号,即即 “热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。” 2）热（冷）量可用能与）热（冷）量可用能与T的关系。的关系。1201sTqqacaqsTq120热量可用能热量可用能冷量可用能冷量可用能99PPT课件x,12341112561QEQ面积面积cx,c12341, , 112651QEQ 面积面积100PPT课件冷量火用的说明冷量火用的说明STAQsTEQnQx0,00,00101PPT课件QTTWEQTTWE
37、BBBQxAAAQx)1 ()1 (0)max()(,0)max()(,三、孤立系统熵增与火用损失，能量贬值原理三、孤立系统熵增与火用损失，能量贬值原理TAT0TBQQwmaxQ0Q0WmaxQTTTEEIABBQxAQx)11(0)(,)(,损失为：不可逆过程的熵增大为：0ABABisoTQTQSSSgisoSTSTI00102PPT课件热量Q由A传到B，热量的数量并未减少，但Q中的热量火用减少了，热量的品质降低了，即能量贬值了103PPT课件热二律讨论热二律讨论 热二律表述热二律表述“功可以全部转换为热功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功而热不能全部转换为功” 温度界限相同的一切可逆机
38、的效率都相等? 一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?理想 T (1)体积膨胀,对外界有影响 (2)不能连续不断地转换为功104PPT课件一、闭口系工质的热力学能火用一、闭口系工质的热力学能火用 工质的作功能力工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。5-8 工质火用及系统火用平衡方程工质火用及系统火用平衡方程105PPT课件气体从初态（气体从初态（p，T）（p0，T0）据据u,10dddquww
39、quwqupv 微卡诺机微卡诺机0net01TqwqTqTTuu,1netwww00ddqqupvTqT00ddduT spv u,max00000wuuTsspvv106PPT课件讨论：讨论： 1）相对于）相对于p0，T0， wu,max是状态参数，称之是状态参数，称之为为热力学能热力学能 火用火用，用，用Ex,U（ex,U）表示。表示。 2）从状态）从状态1状态状态2，闭口系的最大有用功。，闭口系的最大有用功。12u,max,1 2x,x,12012012UUweeuuTsspvv3）pp0, TT0时物系的作功能力时物系的作功能力4）因为是最大有用功，）因为是最大有用功，所以必须一切过程
40、可逆；所以必须一切过程可逆；最终向环境排热。最终向环境排热。 如：真空系统作功能力如：真空系统作功能力= p0Vu,max00000wuuTsspvv107PPT课件闭口系统内能的Ex与An的说明maxu1u212012012wexexuuT sspvvu10010010exuuTsspvv108PPT课件二、稳定流动工质的焓火用二、稳定流动工质的焓火用tqhw u,maxc01001swwwqhhqTss01swqhqhh 0cc,net1iTwwqT0000111iTqq T ssT u,max10012whhTss0109PPT课件2）从状态从状态12，稳流工质可作出的最大有用功，稳流工
41、质可作出的最大有用功3）若考虑动能，则称之为若考虑动能，则称之为物流火用物流火用，用，用Ex（ex）表示表示2u,maxx10010f112wehhTssc讨论讨论： 1）对于）对于 p0 、T0，wu,max仅取决于状态，称之为仅取决于状态，称之为焓焓火用火用，用，用Ex,H（ex,H）表示。表示。12u,max,1 2x,x,12021HHweehhTss12u,max10012whhTss0110PPT课件4）焓火用在）焓火用在T-s图上表示图上表示x,10010HehhTss,100111p fqTssaomnf 面积111PPT课件* 5）焓火用）焓火用在在h-s图上表示图上表示dd
42、dqT shv p000,tgp ThTsdddhT sv pphTs001tgbaobTss0100111ssThhbaba112PPT课件注：点在点注：点在点1左侧同样左侧同样113PPT课件三、熵产与系统作功能力（火用）损失三、熵产与系统作功能力（火用）损失 1.两个特例两个特例 1)热源温度降低热源温度降低据热力学第一定律：面积据热力学第一定律：面积129101 =面积面积348103qAa=面积面积17621qAun=面积面积691076=T0(s1s2)qBa=面积面积45734qBun=面积面积581075=T0(s4s3) BunBAunABaAaqqqqqqI21340ssT
43、qqAunBun0iso0 gTsT s114PPT课件循环循环123 41比循环比循环12341少输出的净功少输出的净功即为不可逆绝热即为不可逆绝热膨胀过程膨胀过程2-3造成造成的作功能力损失。的作功能力损失。0230iso0 gITsTsT s2)不可逆绝热膨胀过程不可逆绝热膨胀过程115PPT课件2.闭口系作功能力（火用闭口系作功能力（火用 ）损失）损失可逆微元过程中可逆微元过程中,max00ddduwupvT s 不可逆微元过程中不可逆微元过程中0dduwqupv,maxuuIww0dT sq00dqTsT0f0gdTssT s0 gIT s116PPT课件3.稳流开系作功能力（火用）
44、损失稳流开系作功能力（火用）损失u,max0ddwhT s 微元不可逆过程：微元不可逆过程：utdwqhqhw u,maxuIww0 gIT s归纳：归纳：0g0isoIT STS微元可逆过程：微元可逆过程：000ddqT sqTsT0f0gdTssT s117PPT课件注意：做功能力损失不等于少做的功注意：做功能力损失不等于少做的功losIW可逆等温可逆等温2g 11lnvwR Tv不可逆绝热不可逆绝热2gg10lnwvssRv 20g1lnvIT RvloswwwI118PPT课件 刚性绝热容器用隔板分成两部分，刚性绝热容器用隔板分成两部分，VB=3VA。A 侧有侧有1 kg 空空气，气，
45、p1=1 MPa，T1=330 K，B侧为真空。抽去隔板，系统恢复平侧为真空。抽去隔板，系统恢复平衡后，求过程作功能力损失。（衡后，求过程作功能力损失。（T0 = 293 K，p0 = 0.1MPa）解：解：21330 KTTg 13110.094 71 m /kgR Tvp1221 12121MPa0.25 MPa4Vvp vp vppvV左左22g11lnln0.287 kJ/(kg K) ln40.397 9 kJ/(kg K)VTvscRTv A4402551119PPT课件fg00.3979kJ/(kg K)sss 0 g293 K0.397 9 kJ/(kg K)116.57 kJ
46、/kgIT s2102102121max,vvpssTuuwu自由膨胀中没有输出功，为什么自由膨胀中没有输出功，为什么21max,uwI210120vvpssT12TT 23293 K0.397 9 kJ/(kg K)0.1 10 kPa3 0.09471 m /kg113.7 kJ/kg ? 思考：思考：返回返回120PPT课件 某人提出了一个利用温度为某人提出了一个利用温度为600 ，压力为，压力为0.1 MPa 的的废气资源发电的方案，称若废气流量为每小时废气资源发电的方案，称若废气流量为每小时200 kg，可发电可发电14.59 kW，问方案是否可行。已知，问方案是否可行。已知 p0
47、= 0.1 MPa，t0 = 20 ，废气定压比热容，废气定压比热容cp = 1.01 kJ/(kgK)解：解： 分析：为充分利用废气的热分析：为充分利用废气的热能，设废气定压放热到环境温度。能，设废气定压放热到环境温度。在废气和环境大气之间放置在废气和环境大气之间放置可逆热机，其可能的最佳循环为可逆热机，其可能的最佳循环为图示。图示。1到到2为热机可逆等压吸热为热机可逆等压吸热(废气放热为废气放热为 2到到1)，3到到1为热机为热机等温放热。等温放热。 A4402552121PPT课件1221112pppqcTTcTT s废气热量：废气热量：200 kg/h 1.01 kJ/(kg K) 5
48、80 K117 160 kJ/h=53.54 kJ/sQmpqq cT因实际过程必存在不可逆性，所以此方案不可能实现因实际过程必存在不可逆性，所以此方案不可能实现 22212g111lnlnlnppTpTscRcTpT方法方法1：循环：循环1231是多热源循环，先求是多热源循环，先求1T11260020K531.25 K873 Kln293 KpppccTTsc0t12311293 K110.448 5531.25 KTT t123132.54 kJ/s0.448 514.59 kJ/s14.59 kWQPq122PPT课件isosss 废气大气11g22lnln293 K200 kg/h 1
49、.01 kJ/(kg K)ln220.54 kJ/(K h)873 KmpTpsqcRTp 废气 表明废气最充分利用仅有表明废气最充分利用仅有14.59 kW，若机器全部可逆方案可，若机器全部可逆方案可实现，但由于必存在不可逆性，因此方案不可实现实现，但由于必存在不可逆性，因此方案不可实现方法方法2：取废气和大气为系统：取废气和大气为系统00200 kg/h 1.01 kJ/(kg K) 580 K399.86 kJ/(K h)293 KQmpqq cTsTT大气0iso293 K399.86220.54kJ/(K h)5 2540.76 kJ/h14.59 kWITs123PPT课件方法方法
50、3：根据焓火用的概念废气的焓火用即为可以从废气得到的：根据焓火用的概念废气的焓火用即为可以从废气得到的 最大有用功。最大有用功。由于存在不可逆性实际机器由于存在不可逆性实际机器W Wu,max，故方案不现实。，故方案不现实。u,max12010mPqhhTss11100g00lnlnmppTpqcTTTcRTp200 kg/h 1.01 kJ/(kg K)60020K873 K200 kg/h293 K1.01 kJ/(kg K) ln293 K52542.9kJ/h14.59kW11000lnmpmpTq cTTq T cT p1= p0返回返回124PPT课件A944277闭口系绝热过程，
