熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ) 熱工篇第4章

1、第一節(jié)第一節(jié) 熱力循環(huán)熱力循環(huán) 可逆循環(huán)可逆循環(huán)可以表示在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖可以表示在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，且為一條上，且為一條封閉的曲線封閉的曲線。 一、正向循環(huán)和熱效率一、正向循環(huán)和熱效率 將將熱能熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能機(jī)械能的循環(huán)稱為正向循環(huán)的循環(huán)稱為正向循環(huán),也稱也稱為為動(dòng)力循環(huán)動(dòng)力循環(huán)或或熱機(jī)循環(huán)熱機(jī)循環(huán) 。1. 正向循環(huán)正向循環(huán) 一切一切熱力發(fā)動(dòng)機(jī)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)都是按正向循環(huán)工作的。都是按正向循環(huán)工作的。 正向循環(huán)在正向循環(huán)在p-v圖上按順時(shí)針方向進(jìn)行圖上按順時(shí)針方向進(jìn)行。設(shè)設(shè)1kg工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行一個(gè)正向循環(huán)工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行一個(gè)正向循環(huán)1234l1-2-3: 膨脹過程膨脹過程,作膨脹功作膨脹

2、功123v3v113-4-1: 壓縮過程，作壓縮功壓縮過程，作壓縮功341v1v33工質(zhì)從高溫?zé)嵩垂べ|(zhì)從高溫?zé)嵩磘1吸熱吸熱q1，向，向t2放熱放熱q2210qqw 循環(huán)凈功循環(huán)凈功w0quw 0u 在正向循環(huán)中，所獲得的機(jī)械能與所付出的熱量在正向循環(huán)中，所獲得的機(jī)械能與所付出的熱量的比值稱為熱效率。的比值稱為熱效率。2. 熱效率熱效率 t1212110t1qqqqqqw二、逆向循環(huán)和工作系數(shù)二、逆向循環(huán)和工作系數(shù) 1. 逆向循環(huán)逆向循環(huán)由于逆向循環(huán)要消耗機(jī)械能，所以由于逆向循環(huán)要消耗機(jī)械能，所以其循環(huán)凈功其循環(huán)凈功w00。 逆向循環(huán)在逆向循環(huán)在p-v圖上按逆時(shí)針方向進(jìn)行圖上按逆時(shí)針方向進(jìn)行。

3、設(shè)設(shè)1kg工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行一個(gè)逆向循環(huán)工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行一個(gè)逆向循環(huán)143211-4-3: 膨脹過程膨脹過程,作膨脹功作膨脹功143v3v113-2-1: 壓縮過程，作壓縮功壓縮過程，作壓縮功321v1v33工質(zhì)從低溫?zé)嵩垂べ|(zhì)從低溫?zé)嵩磘2吸熱吸熱q2，向，向t1放熱放熱q1210qqw或或 消耗凈功消耗凈功w0021wqq 工作系數(shù)是所獲得的收益與所花費(fèi)的代價(jià)之比值，工作系數(shù)是所獲得的收益與所花費(fèi)的代價(jià)之比值，用以衡量逆向循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性用以衡量逆向循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性 。2. 工作系數(shù)工作系數(shù)21202qqqwq21101qqqwq 可能大于、等于或小于可能大于、等于或小于1，而而 總是大于總是大于

4、1。第二節(jié)第二節(jié) 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 自發(fā)過程自發(fā)過程都具有方向性都具有方向性, 且都為且都為不可逆過程不可逆過程。非自發(fā)過程的進(jìn)行需要一定的條件，付出一定的代價(jià)。非自發(fā)過程的進(jìn)行需要一定的條件，付出一定的代價(jià)。 熱力學(xué)第二定律指出了能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中熱力學(xué)第二定律指出了能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中有關(guān)傳遞有關(guān)傳遞方向方向、轉(zhuǎn)化的、轉(zhuǎn)化的條件條件和和限度限度等問題。等問題。 針對不同的熱現(xiàn)象熱力學(xué)第二定律有不同的表述，針對不同的熱現(xiàn)象熱力學(xué)第二定律有不同的表述，但其實(shí)質(zhì)等效但其實(shí)質(zhì)等效。1. 克勞修斯（克勞修斯（clausius）表述）表述 不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其

5、他不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。變化。它是從它是從熱量傳遞過程熱量傳遞過程來表達(dá)熱力學(xué)第二定律的。來表達(dá)熱力學(xué)第二定律的。2.開爾文普朗克（開爾文普朗克（kelvinplank）表述）表述 不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響。生其他影響。它是從它是從熱功轉(zhuǎn)換過程熱功轉(zhuǎn)換過程來表述熱力學(xué)第二定律的。來表述熱力學(xué)第二定律的。它說明，從熱源取得的熱量不能全部變成機(jī)械能，因它說明，從熱源取得的熱量不能全部變成機(jī)械能，因?yàn)檫@是非自發(fā)過程。但若伴隨以自發(fā)過程作為補(bǔ)償，為這是非自發(fā)過程。但若伴隨以自發(fā)過程作為補(bǔ)償，那么

6、熱能變成機(jī)械能的過程就能實(shí)現(xiàn)。那么熱能變成機(jī)械能的過程就能實(shí)現(xiàn)。 第二類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)熱力學(xué)第二定律說明，用于熱功轉(zhuǎn)換的熱機(jī)至熱力學(xué)第二定律說明，用于熱功轉(zhuǎn)換的熱機(jī)至少要有少要有高溫、低溫高溫、低溫兩個(gè)熱源（即要有溫度差）。兩個(gè)熱源（即要有溫度差）。為此，熱力學(xué)第二定律也可以表述為為此，熱力學(xué)第二定律也可以表述為“第二類第二類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)”。如如: :一個(gè)熱機(jī)工作在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g，一個(gè)熱機(jī)工作在高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g，它從高溫?zé)嵩次諢崃克鼜母邷責(zé)嵩次諢崃縬l，將其中的一部分轉(zhuǎn)變，將其中的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣楣0，剩余的熱量，剩余的熱量q2= ql- -w0排向

7、低溫?zé)嵩?。排向低溫?zé)嵩?。如果可以把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引如果可以把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化（違反第一種說法），則起其他變化（違反第一種說法），則q2可以自動(dòng)可以自動(dòng)地不付代價(jià)地回到高溫?zé)嵩?。整個(gè)熱力系運(yùn)行的地不付代價(jià)地回到高溫?zé)嵩?。整個(gè)熱力系運(yùn)行的結(jié)果是高溫?zé)嵩捶懦鰺崃拷Y(jié)果是高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬l q2，并全部轉(zhuǎn)變?yōu)?，并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣0，低溫?zé)嵩磩t沒有改變。在實(shí)質(zhì)上，這就等，低溫?zé)嵩磩t沒有改變。在實(shí)質(zhì)上，這就等于從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)于從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響，這就違反了第二種說法。生其他影響，這就違反了第二種說法。 能量

8、不僅具有數(shù)量，而且還有能量不僅具有數(shù)量，而且還有品質(zhì)上的區(qū)別品質(zhì)上的區(qū)別，熱功轉(zhuǎn)換過，熱功轉(zhuǎn)換過程以及傳熱過程的方向性，反映了不同的能量有著質(zhì)的區(qū)程以及傳熱過程的方向性，反映了不同的能量有著質(zhì)的區(qū)別。別。能量能量品質(zhì)的高低品質(zhì)的高低，體現(xiàn)在它的，體現(xiàn)在它的轉(zhuǎn)換能力轉(zhuǎn)換能力上。機(jī)械能和電能上。機(jī)械能和電能可以不付代價(jià)的完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鵁崮軈s不能無償?shù)霓D(zhuǎn)可以不付代價(jià)的完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而熱能卻不能無償?shù)霓D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或電能。這說明機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換能力大于變?yōu)闄C(jī)械能或電能。這說明機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換能力大于熱能。也就是說，它們是一些更有價(jià)值的品質(zhì)較高的能量熱能。也就是說，它們是一些更有價(jià)值的品質(zhì)較高的

9、能量形式（我們通常將機(jī)械能和電能稱為形式（我們通常將機(jī)械能和電能稱為高級能高級能，熱能稱為，熱能稱為低低級能級能）。當(dāng)機(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軙r(shí)，能量的數(shù)值并沒）。當(dāng)機(jī)械能或電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軙r(shí)，能量的數(shù)值并沒有變化，但能的品質(zhì)下降了，或者說能量貶值了。有變化，但能的品質(zhì)下降了，或者說能量貶值了。此外，即使同為熱能，當(dāng)它們此外，即使同為熱能，當(dāng)它們儲(chǔ)存的熱源溫度儲(chǔ)存的熱源溫度不同時(shí)不同時(shí)，它們的品質(zhì)也是不同的。，它們的品質(zhì)也是不同的。儲(chǔ)存于高溫水儲(chǔ)存于高溫水平熱源的熱能品質(zhì)較高平熱源的熱能品質(zhì)較高。當(dāng)熱由高溫物體自動(dòng)的。當(dāng)熱由高溫物體自動(dòng)的傳向低溫物體時(shí)，同樣也使能的品質(zhì)下降了。傳向低溫物體時(shí)，同樣

10、也使能的品質(zhì)下降了。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的的實(shí)質(zhì)是能量貶值原理實(shí)質(zhì)是能量貶值原理，即，即在在能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，能量的品質(zhì)只能降低能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，能量的品質(zhì)只能降低不能增高不能增高。它是一個(gè)非守恒定律。它是一個(gè)非守恒定律。第三節(jié)第三節(jié) 卡諾循環(huán)與卡諾定律卡諾循環(huán)與卡諾定律 卡諾循環(huán)解決了在確定的工作條件下熱機(jī)卡諾循環(huán)解決了在確定的工作條件下熱機(jī)的工作效率可能達(dá)到的極限問題。的工作效率可能達(dá)到的極限問題?？ㄖZ循環(huán)在卡諾循環(huán)在p-v圖圖和和t-s圖上的表示圖上的表示:a-b: 定溫可逆吸熱膨脹過程定溫可逆吸熱膨脹過程, 工質(zhì)從工質(zhì)從t1吸熱吸熱q1, 在在t1下由下由a 膨脹至

11、膨脹至b,并對外界作膨功；并對外界作膨功；對對1kg工質(zhì)工質(zhì):b-c: 絕熱可逆膨脹過程絕熱可逆膨脹過程, 工質(zhì)由工質(zhì)由b膨脹至膨脹至c,由由t1 降至降至t2，并對外界作膨脹功；，并對外界作膨脹功；c-d: 定溫可逆放熱壓縮過程定溫可逆放熱壓縮過程, 工質(zhì)由工質(zhì)由c在在t2下向下向t2 放熱放熱q2被壓縮為被壓縮為d，外界對工質(zhì)作壓縮功；，外界對工質(zhì)作壓縮功；d-a: 絕熱可逆壓縮過程絕熱可逆壓縮過程，工質(zhì)由，工質(zhì)由d經(jīng)可逆絕熱壓縮經(jīng)可逆絕熱壓縮 回到回到a，由，由t2升至升至t1，外界對工質(zhì)作壓縮功。，外界對工質(zhì)作壓縮功。由由t-s圖圖由正向循環(huán)熱效率由正向循環(huán)熱效率ab11sstqdc2

12、2sstq2t11qq ab1dc212c11sstsstqq過程過程b-c、d-a為定熵過程，故為定熵過程，故dcabssss12c1tt12c1tt0c二、逆卡諾循環(huán)二、逆卡諾循環(huán)112ttt 卡諾循環(huán)沿相反方向進(jìn)行，即為卡諾循環(huán)沿相反方向進(jìn)行，即為逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)。 逆卡諾循環(huán)的效果與卡諾循環(huán)的效果正好相反，逆卡諾循環(huán)的效果與卡諾循環(huán)的效果正好相反，工質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰峁べ|(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰醧2，向高溫?zé)嵩捶艧嵯蚋邷責(zé)嵩捶艧醧1，并，并接受接受外界作功外界作功w0。 制冷系數(shù)制冷系數(shù)2c12ttt逆卡諾循環(huán)在逆卡諾循環(huán)在p-v圖圖和和t-s圖上的表示圖上的表示逆卡諾循環(huán)是逆卡諾循環(huán)是制冷循

13、環(huán)制冷循環(huán)和和熱泵循環(huán)熱泵循環(huán)的理想循環(huán)的理想循環(huán) 制冷系數(shù)制冷系數(shù):212dc2ab1dc2212c)()()(tttsstsstsstqqq211dc2ab1ab1211c)()()(tttsstsstsstqqq2c12ttt112ttt （1）逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)只取決于高溫?zé)幔┠婵ㄖZ循環(huán)的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)只取決于高溫?zé)嵩礈囟仍礈囟萾1和低溫?zé)嵩礈囟群偷蜏責(zé)嵩礈囟萾2。且隨高溫?zé)嵩礈囟?。且隨高溫?zé)嵩礈囟萾1的降低的降低或低溫?zé)嵩礈囟然虻蜏責(zé)嵩礈囟萾2的提高而增大。的提高而增大。 （2）逆卡諾循環(huán)的制熱系數(shù)總是大于逆卡諾循環(huán)的制熱系數(shù)總是大于1，而其制冷系，而其制冷系數(shù)可以大

14、于數(shù)可以大于l、等于、等于1或小于或小于l。在一般情況下，由于。在一般情況下，由于t2（t1-t2），所以），所以制冷系數(shù)也是大于制冷系數(shù)也是大于1的的。三、卡諾定律三、卡諾定律 卡諾定律可表述為：卡諾定律可表述為： （1）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的一切熱機(jī)，可逆熱機(jī)的熱效率最高。一切熱機(jī)，可逆熱機(jī)的熱效率最高。 （2）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，其熱效率相等。一切可逆熱機(jī)，其熱效率相等。 卡諾循環(huán)與卡諾定理在熱力學(xué)研究中的卡諾循環(huán)與卡諾定理在熱力學(xué)研究中的重要意義重要意

15、義: 它解決了熱機(jī)熱效率的極限問題，指出了提高熱效率它解決了熱機(jī)熱效率的極限問題，指出了提高熱效率的途徑。雖然卡諾循環(huán)在實(shí)際工程中無法實(shí)現(xiàn)，但它給實(shí)的途徑。雖然卡諾循環(huán)在實(shí)際工程中無法實(shí)現(xiàn)，但它給實(shí)際熱機(jī)的循環(huán)提供了改進(jìn)方法和比較標(biāo)準(zhǔn)。際熱機(jī)的循環(huán)提供了改進(jìn)方法和比較標(biāo)準(zhǔn)。 例例4-1 某熱機(jī)在高溫?zé)嵩茨碂釞C(jī)在高溫?zé)嵩?000k1000k和低溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?00k300k之間工作。之間工作。問能否實(shí)現(xiàn)對外作功問能否實(shí)現(xiàn)對外作功1000kj1000kj，向低溫?zé)嵩捶艧?，向低溫?zé)嵩捶艧?00kj200kj。 解：解：計(jì)算該熱機(jī)從高溫?zé)嵩次鼰崃坑?jì)算該熱機(jī)從高溫?zé)嵩次鼰崃?q1 q2 w0 200

16、1000 1200（kj） 該熱機(jī)的熱效率該熱機(jī)的熱效率 在相同條件下工作的可逆熱機(jī)的熱效率在相同條件下工作的可逆熱機(jī)的熱效率 ，顯然這一結(jié)果違反了卡諾定理，因此不能實(shí)現(xiàn)。，顯然這一結(jié)果違反了卡諾定理，因此不能實(shí)現(xiàn)。833. 01200100010tqw7 . 010003001112ctttc 例例4-2 利用以逆卡諾循環(huán)工作的熱泵作為一住宅的采暖設(shè)備。利用以逆卡諾循環(huán)工作的熱泵作為一住宅的采暖設(shè)備。已知室外環(huán)境溫度為已知室外環(huán)境溫度為-10，為使住宅內(nèi)溫度保持，為使住宅內(nèi)溫度保持20，每小時(shí)需供，每小時(shí)需供給給105kj的熱量。試求（的熱量。試求（1）該熱泵每小時(shí)從室外吸取的熱量；（）該熱

17、泵每小時(shí)從室外吸取的熱量；（2）熱泵所需功率；（熱泵所需功率；（3）若直接用電爐取暖，電爐的功率應(yīng)為多少？）若直接用電爐取暖，電爐的功率應(yīng)為多少？ 解解:（1）該熱泵的制熱系數(shù)為又由于 故熱泵每小時(shí)從室外的吸熱量為 （2）熱泵所需功率為 p=q1-q2=（105-89765）=10235（kj/h）=2.84kw （3）電爐采暖所需功率為 p1=q1=105（kj/h）=27.78 kw77. 9)10273()20273(20273211tttc211211cqqqqqq55121c101089765(/ )9.77qqqkj h第四節(jié)第四節(jié) 熵與熵增原理熵與熵增原理 熵熵s是是的狀態(tài)參數(shù)。

18、的狀態(tài)參數(shù)。熵的微分定義式為熵的微分定義式為tqsrd適用于任何熱力系的適用于任何熱力系的任何熱力過程任何熱力過程可逆過程中可逆過程中1、2兩平衡態(tài)的熵差為兩平衡態(tài)的熵差為21r12tqss關(guān)于熵的幾點(diǎn)說明：關(guān)于熵的幾點(diǎn)說明： （1）熵是狀態(tài)參數(shù)熵是狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)熱力系平衡態(tài)確定后，熵就完全確定了，當(dāng)熱力系平衡態(tài)確定后，熵就完全確定了，與通過什么路徑（過程）到達(dá)這一平衡態(tài)無關(guān)。與通過什么路徑（過程）到達(dá)這一平衡態(tài)無關(guān)。 （2）無論過程是否可逆）無論過程是否可逆, 計(jì)算兩個(gè)狀態(tài)的熵差時(shí)，可計(jì)算兩個(gè)狀態(tài)的熵差時(shí)，可選任一連接兩選任一連接兩狀態(tài)的可逆過程狀態(tài)的可逆過程進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算。 （3）熵具有可加性熵具有可加性, 熱力系的熵等于熱力系內(nèi)各個(gè)部分熵的總和。熱力系的熵等于熱力系內(nèi)各個(gè)部分熵的總和。 （4）從微觀上看，熵與熱力系內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的混亂程度有關(guān)。）從微觀上看，熵與熱力系內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的混亂程度有關(guān)。熵熵是熱力系內(nèi)部分子混亂程度的量度。是熱力系內(nèi)部分子混亂程度的量度。熵值較小的狀態(tài)對應(yīng)于較為有序熵值較小的狀態(tài)對應(yīng)于較為有序的狀態(tài)，熵值較大的狀態(tài)，對應(yīng)于較為無序的狀態(tài)。的狀態(tài)，熵值較大的狀態(tài)