Chapt.5-熱力循環(huán)-熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用

1、Chapt.5Chapt.5 熱力循環(huán)熱力循環(huán)熱力學(xué)熱力學(xué)第二定律第二定律&應(yīng)用應(yīng)用曲阜師范大學(xué)曲阜師范大學(xué).化學(xué)與化工學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院2 5.1 熱力學(xué)第二定律 5.2 熵&熵增原理熱力學(xué)第二定律用于閉系熱力學(xué)第二定律用于閉系熵流熵流&熵產(chǎn)熵產(chǎn)熵平衡熵平衡 5.3 熱力學(xué)圖表&應(yīng)用 5.4 蒸汽動(dòng)力循環(huán) 5.5 制冷&制熱3 第二定律幾種等價(jià)的表述熱傳導(dǎo)過程不可逆熱傳導(dǎo)過程不可逆功轉(zhuǎn)化為熱過程功轉(zhuǎn)化為熱過程不可逆不可逆4孤立體系熱力學(xué)第二定律的表述式：u表述實(shí)質(zhì)表述實(shí)質(zhì) 熱力學(xué)過程有一定方向熱力學(xué)過程有一定方向&限度限度 自發(fā)過程不可逆自發(fā)過

2、程不可逆體系與環(huán)境構(gòu)成孤立體系。孤立體系熱力學(xué)第二定律的另一種表述式：5熱源： 即可取出熱量，也可投入熱量 取出或投入熱量，熱源溫度不變。 熱源里進(jìn)行的過程是可逆過程 地球周圍的大氣及天然水源可視為熱源。功源： 即做出功，也可接受功 功源與外界只有功交換而無熱量或質(zhì)量交換 熱源里進(jìn)行的過程是絕熱可逆過程，因此功源里無熵變6 熱機(jī)效率 卡諾定律過程中獲得的功過程中獲得的功W除以投入此過程的熱量除以投入此過程的熱量QsTWQ(5-4)(5-4)按熱力學(xué)第一定律按熱力學(xué)第一定律(H=Q-Ws),),系統(tǒng)從熱源吸收的熱只能部分轉(zhuǎn)化系統(tǒng)從熱源吸收的熱只能部分轉(zhuǎn)化為功為功, ,故熱機(jī)實(shí)際效率故熱機(jī)實(shí)際效率

3、 1 1，而只有卡諾，而只有卡諾(Carnot)(Carnot)循環(huán)效率最高循環(huán)效率最高. .(1)(1)所有工作于同溫?zé)嵩?、同溫冷源之間熱機(jī)所有工作于同溫?zé)嵩?、同溫冷源之間熱機(jī), ,可逆熱機(jī)效率最高可逆熱機(jī)效率最高; ;(2)(2)所有工作于同溫?zé)嵩?、同溫冷源之間可逆熱機(jī)所有工作于同溫?zé)嵩础⑼瑴乩湓粗g可逆熱機(jī), ,效率相等效率相等, ,并與并與 工作介質(zhì)無關(guān)工作介質(zhì)無關(guān). .卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)(i.e.(i.e.可逆熱機(jī)可逆熱機(jī)) )熱效率熱效率 1LCT RHTT (5-5)(5-5)7 熵可逆熱溫商rQdSTa)對可逆等溫過程：積分上式2211rQSSST.rrQSorQT ST對可逆汽

4、化過程：vapHSTb)對可逆絕熱過程：0S等熵過程c)對非可逆過程：S狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)來計(jì)算8 熵增原理 孤立體系(or.隔離物系)中,熵永不減少,平衡態(tài)時(shí)熵值最大.0tS(5-1)(5-1)數(shù)學(xué)表達(dá)式：孤立體系中：熵的微觀物理意義：系統(tǒng)混亂程度大小的度量,單位J.K-10 不可逆or自發(fā)=0 可逆or平衡0tsyssurSSS (5-3)(5-3)孤立體系總熵變孤立體系總熵變熵增原理提供了一種利用總熵變(而非體系熵變)判斷過程進(jìn)行方向和限度的判據(jù).9 封閉體系熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式將式(5-3)寫成微分式,得0syssurdSdS而而sursyssursursurdSdSdSQQdSTT

5、熱源功源熱源0功源與外界有功功源與外界有功/無熱交換無熱交換; 功源功源絕熱可逆絕熱可逆, ,無熵變無熵變式中, 外界環(huán)境熱源與體系所交換的熱; 體系與外界環(huán)境熱源所交換的熱,兩者相差一負(fù)號; 外界環(huán)境熱源溫度.surQsurTsysQ10將上述幾式代入式(4-3),得syssyssurQdSTsysQdST上式通常寫成：(5-6)(5-6)閉系熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式,or.克勞修斯不等式.對于可逆過程：取“”,可逆?zhèn)鳠?，熱源與閉系溫度相等,T既是熱源溫度又是閉系溫度;對不可逆過程：取“”，T熱源溫度.NB: Q為過程函數(shù)為過程函數(shù),對于相同的狀態(tài)變化對于相同的狀態(tài)變化,可逆過程熱溫商可逆過

6、程熱溫商 與不可逆過程熱溫商與不可逆過程熱溫商 不相等不相等.QTrQT11 熵流閉系經(jīng)歷一可逆過程,從環(huán)境熱源吸熱 ,熵變?yōu)镽QRsysQdST體系接受時(shí),環(huán)境熱源則失去 ,其熵變?yōu)镽QRQRsurQdSTRfQdST隨 熱流產(chǎn)生的熵定義熵流：RQ(5-7)(5-7)NB:a) 符號由 決定;b)功傳遞不會(huì)引起熵流：fdSRQ12 有序能量（e.g.機(jī)械能、電能etc.）耗散為無序熱能, 并被體系吸收,必然導(dǎo)致體系熵的增加熵產(chǎn)生.熵產(chǎn)熵產(chǎn)不可逆過程：不可逆過程：13 熵產(chǎn)熵產(chǎn)不是不是體系性質(zhì)體系性質(zhì),僅與過程不可逆程度相聯(lián)系僅與過程不可逆程度相聯(lián)系, 不可逆不可逆程度程度 ,熵產(chǎn)生量熵產(chǎn)生量

7、 ，而對于可逆過程無熵產(chǎn)生，而對于可逆過程無熵產(chǎn)生.gSgS00gS=0=0gS0 0不可逆過程不可逆過程可逆過程可逆過程不可能過程不可能過程14 以熱力學(xué)第一定律為指導(dǎo)的能量衡算對解決工程問題十分重要。 它從能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系評價(jià)過程和裝置在能量利用上的完善性； 然而它對于揭示過程不可逆引起的能量損耗，則毫無辦法。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量的傳遞和轉(zhuǎn)化須加上些限制，熵就是用以計(jì)算這些限制的，而熵平衡就是用來檢驗(yàn)過程中熵的變化，它可以精確地衡量過程的能量利用是否合理.151. 封閉體系的熵平衡式 對于不可逆過程，為方便工程計(jì)算，常常將熵產(chǎn)生量dSg引入式(4-6) 的右邊，將不等式變?yōu)榈仁?，?

8、TQdSsyssysgQdSdST(5-8)(5-8) 式(5-8)&(5-9)封閉體系的熵平衡式；封閉體系既可是靜止的，又可是流動(dòng)的。由上二式可看出，對不可逆過程，體系的熵變?nèi)Q于熵流 以及熵產(chǎn)生 ，故不能由體系吸熱(+)或放熱(-)來簡單判斷體系熵變 的正負(fù)0QsysgQSSTTQdSfgdSsysdS(5-9)(5-9)寫成積分式：寫成積分式： 16syssurgSSS . 孤立體系熵平衡式 將 引入式(4-3) ，則可建立起孤立體系的熵平衡式，即:gS0sursystSSStgSS (45-10)(45-10)(5-11)(5-11)i.e. 熵產(chǎn)量等于孤立體系總熵變，熵產(chǎn)量等

9、于孤立體系總熵變， 應(yīng)包括封閉應(yīng)包括封閉體系體系與與外界環(huán)境熱外界環(huán)境熱源源兩部分產(chǎn)生的熵。如果環(huán)境熱源中進(jìn)行的是可逆過程，則外界兩部分產(chǎn)生的熵。如果環(huán)境熱源中進(jìn)行的是可逆過程，則外界環(huán)境熱源的熵產(chǎn)生量為零，即環(huán)境熱源的熵產(chǎn)生量為零，即 只有封閉體系內(nèi)部產(chǎn)生的熵只有封閉體系內(nèi)部產(chǎn)生的熵gSgS173. 開系熵平衡式 敞開體系熵變除與熵流和熵產(chǎn)有關(guān)外，還與進(jìn)出體系物流熵有關(guān) 如圖所示，對有多股物流出入的敞開體系，其熵變 為:開系開系jjoutjm siiniismTQSf熵流熵流圖圖4-3 開系熵平衡示意圖開系熵平衡示意圖gSdtdSopsysopsysfgiijjinoutijdSSSm sm

10、 sdt (5-12)(5-12)180kQkfkQSTkfkkQSTa)a)If. If. 有有k k股股變溫?zé)崃髯儨責(zé)崃髋c開系交換，則開系與外界由于與開系交換，則開系與外界由于傳遞熱量引起的熵流為傳遞熱量引起的熵流為b)If. b)If. 有有k k股股恒溫?zé)崃骱銣責(zé)崃髋c開系交換則上式可寫為與開系交換則上式可寫為c)c)上面兩式需注意：開系放熱，上面兩式需注意：開系放熱，Q Qk k為負(fù)；開系吸熱，為負(fù)；開系吸熱，Q Qk k為為 正；正；T Tk k是與開系換熱熱源的絕對溫度。是與開系換熱熱源的絕對溫度。其中其中式式(4-12)(4-12)開系熵平衡式開系熵平衡式，其中，其中m mi i

11、與與m mj j分別為進(jìn)入、流出開分別為進(jìn)入、流出開系的物料的質(zhì)量流率（系的物料的質(zhì)量流率（kgkgs s-1-1),s),si i,s,sj j為比熵（為比熵（i.e.i.e.單位質(zhì)量單位質(zhì)量流體的熵，流體的熵，kJkJkgkg-1-1K K-1-1）(5-13)(5-13)(5-14)(5-14)19(1) 穩(wěn)定流動(dòng)過程 由于體系本身狀態(tài)不隨時(shí)間變化 ， ，式(4-12)變?yōu)?0dtdSopsysgjjiifinoutjiSm sm sS gS(2)(2)絕熱穩(wěn)流過程絕熱穩(wěn)流過程0fS絕熱gjjiiinoutjiSm sm s式（式（4-154-15）變?yōu)椋海┳優(yōu)椋?5-15)(5-15)

12、(5-16)(5-16)開系穩(wěn)流過程熵平衡式開系穩(wěn)流過程熵平衡式。工程上常用其計(jì)算過程熵產(chǎn)生。工程上常用其計(jì)算過程熵產(chǎn)生20e.g. 要求流體流經(jīng)節(jié)流閥產(chǎn)生的熵 ，可按上式來求。 只有一股流體，mi=mj=m，因而有：gSgjiSm ssm s式中式中, , 為流體經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)熵的變化?？梢姙榱黧w經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)熵的變化?？梢? ,節(jié)流過程節(jié)流過程 為不可逆過程，節(jié)流時(shí)壓力降為不可逆過程，節(jié)流時(shí)壓力降 ， ，不可逆程度，不可逆程度gSS0gS（a a）不可逆絕熱過程，）不可逆絕熱過程， ，由式（，由式（4-164-16）有：）有：0gSjji iinoutjim sms（b b）可逆絕熱過程，）可

13、逆絕熱過程， ，有：，有：0gSIf.If.只有一股物流進(jìn)出，此時(shí)只有一股物流進(jìn)出，此時(shí)m mj j=m=mi i，則有，則有s sj=j=s si i 可逆又絕熱的穩(wěn)流過程等熵過程可逆又絕熱的穩(wěn)流過程等熵過程。e.g.e.g.流體經(jīng)透平機(jī)時(shí)若流體經(jīng)透平機(jī)時(shí)若進(jìn)行可逆、絕熱膨脹，則進(jìn)出口流體熵相等進(jìn)行可逆、絕熱膨脹，則進(jìn)出口流體熵相等jjiiinoutjim sm s2122gjjiifinoutjiSm sm sS (5-15)(5-15)fgSSmS 只有一股物流：只有一股物流：將數(shù)據(jù)代人上式得：將數(shù)據(jù)代人上式得：2324例題（陳鐘秀.第二版P113）有人聲稱發(fā)明了一種絕熱操作，不需要外功

14、的穩(wěn)定流動(dòng)裝置能將P=0.4MPa, 298k的空氣分離成質(zhì)量相等的兩股流體（見下圖），一股是PA=0.1013MPa, 273K,另一股PB=0.1013MPa, 323K. 試問這樣的裝置可行嗎？（假設(shè)空氣為i.g，其恒壓熱熔Cp=29.3kj/kmol.K解：解：分析該裝置可行性，從熱力學(xué)角度必須滿足三個(gè)原理：分析該裝置可行性，從熱力學(xué)角度必須滿足三個(gè)原理： 質(zhì)量守恒原理，能量守恒原理，和熵增原理質(zhì)量守恒原理，能量守恒原理，和熵增原理PA=0.1013MPa,TA=273KmA=1/2mPB=0.1013MPa,TB=323KmB=1/2m體體 系系P=0.4MPa,T=298Km（1）

15、對穩(wěn)流裝置進(jìn)行質(zhì)量衡算 （mA+mB）-m=(1/2m+1/2m)-m=0 由此可知，質(zhì)量守恒。25ShqwSWQH000sQWH按題意，則， 即212shgzuqwi.e.m1122m1/ 22731/ 23232980ApABpBppABpHC Tm C TmC TmCTTTC 可見，該裝置能量平衡亦滿足可見，該裝置能量平衡亦滿足.000000mApABpBpApABpBABpApABpBpHm cTTm cTTmcTTm cTTm cTTmmcTTC Tm C TmC T00選定同一基點(diǎn)(T ,P )后，26（3）最后由式（4-16）計(jì)算該裝置熵產(chǎn)生2222211lnlnlnln221l

16、nln21273 3230.4129.3ln8.314ln22980.1013290.390/0gAABBAABBABAABBABPPABABpABSm Sm SmSm Sm SmmSmSSmSSTTPPm CRm CRTPTPT TPm CRTP Pmm kJ K根據(jù)上述三方面計(jì)算可知，根據(jù)熱力學(xué)原理建立一個(gè)如上發(fā)明者所聲稱的裝置是可行的。27u 物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)可以以三種形式表示：方程式、圖和表。 幾種方法各有優(yōu)缺： 方程式可以用分析法進(jìn)行微分，其結(jié)果較圖解法精確，但很費(fèi)時(shí)間，而且許多狀態(tài)方程式其中變數(shù)分離難以辦到； 表格能給出確定點(diǎn)的精確值，但要使用內(nèi)插法比較麻煩，而 圖示法容易內(nèi)插求出中

17、間數(shù)據(jù)，對問題形象化也有幫助, 但缺點(diǎn)是精確度不高，其變量數(shù)目受到限制。 熱力學(xué)性質(zhì)圖使用十分方便，且容易看出其變化趨勢，因此進(jìn)行過程熱力學(xué)分析一般都使用熱力學(xué)性質(zhì)圖。u常用熱力學(xué)性質(zhì)圖：常用熱力學(xué)性質(zhì)圖：溫熵圖（溫熵圖（T-ST-S圖）、焓熵圖（圖）、焓熵圖（h-Sh-S圖）、圖）、 壓焓圖（壓焓圖（lnP-HlnP-H圖）圖）11-9-2128氨的溫熵圖氨的溫熵圖29s lsglslABD等等干干度度C 1. T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)u單相區(qū)(g、v、l、s)和兩相區(qū)(s/l、v/l、s/v);uC點(diǎn)臨界點(diǎn)；uCA飽和液體線；uCB飽和蒸汽線，uAC和BC所圍區(qū)域汽液共存區(qū)；u相同溫度下汽相的

18、熵總是較液相為大，因此飽和蒸汽線在熵值大的那半邊。30s lsglslABD等等干干度度C 1. T-S圖的構(gòu)成和性質(zhì)u兩相區(qū)內(nèi)水平線與飽和汽、液相線的交點(diǎn)互成汽液平衡，溫度和壓力均相等；u水平線的長度為相變化的熵變，其與絕對溫度的乘積為汽化熱。u溫度升高，汽化熱降低，直到臨界點(diǎn)，汽化熱為零。u線段BAD汽-液-固三相平衡線；31u汽液共存區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)都是汽液混合物，即 濕蒸汽，u其摩爾性質(zhì)M (M=V,U,H,S,A,G,CV,CP) 可以從相應(yīng)飽和蒸汽性質(zhì)MSV與飽和液體性質(zhì)Msl計(jì)算得到： M= Msl(1-x) + MSVx u其中，x是飽和蒸汽在濕蒸汽中所占重量百分比干度(或品質(zhì))。s

19、 lsglslABD等等干干度度C32例如：例如：33（5）-圖中的等變量線(a)(a)飽和曲線飽和曲線BCBC飽和液體線飽和液體線CDCD飽和蒸汽線飽和蒸汽線(b)(b)等壓線，以表示等壓線，以表示(c)(c)等焓線，以等焓線，以H H表示表示(d)(d)等容線，以等容線，以V V表示，虛線表示，虛線(e)(e)等干度線，以等干度線，以x x表示，虛線表示，虛線(f)(f)等線，平行于橫坐標(biāo)等線，平行于橫坐標(biāo)(g)(g)等線，平行于縱坐標(biāo)等線，平行于縱坐標(biāo)34 等壓線變化規(guī)律一系列從左下角往右上角偏斜近乎平行的曲線一系列從左下角往右上角偏斜近乎平行的曲線壓力與熵的關(guān)系用數(shù)學(xué)表示為：壓力與熵的

20、關(guān)系用數(shù)學(xué)表示為： TPS由由MaxwellMaxwell關(guān)系式知：關(guān)系式知： TPSPTVSTP P一定一定 PTV00T V T V T VT V 亦即：亦即： TPS0 H1H2IF等焓線左等焓線左下往右上下往右上則則H值小的值小的在上在上H 36 在等T下，由Maxwell式知: lVTTPVS對任何氣體，在對任何氣體，在V V一定時(shí)，一定時(shí)，TT， PP；在在T T一定時(shí)，隨一定時(shí)，隨VV，SS；較大的等比容線位于熵值較大的一較大的等比容線位于熵值較大的一 邊邊。飽和蒸汽的比容比飽和液體的大，飽和蒸汽的比容比飽和液體的大， 兩相區(qū)內(nèi)等比容線從右上往左下傾兩相區(qū)內(nèi)等比容線從右上往左下傾

21、 斜斜. .ST 等比容線變化規(guī)律V 等干度線：終止于臨界點(diǎn)C的一束曲線。 在m點(diǎn)氣液比，可由杠桿規(guī)則來求Cm2323mm汽液i.e.37uT-ST-S圖給出了物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，狀態(tài)一旦確定，圖給出了物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，狀態(tài)一旦確定，則則P P、T T、H H和和S S等均為定值；等均為定值；u無論過程可逆與否，無論過程可逆與否，只要告訴了物系變化途徑和初始狀態(tài)，只要告訴了物系變化途徑和初始狀態(tài)，其過程均可用其過程均可用T-ST-S圖來描述，同時(shí)這些狀態(tài)函數(shù)的變化值也可圖來描述，同時(shí)這些狀態(tài)函數(shù)的變化值也可直接從直接從T-ST-S圖上求得。圖上求得。（a）等壓加熱和冷卻）等壓加熱

22、和冷卻教材教材P129, 圖圖5-8某物系在某物系在P1由由T1 T2，此過程在等壓線上，此過程在等壓線上由線段由線段12表示（表示（等壓冷卻則由等壓冷卻則由21）此時(shí)，物系與外界所交換的熱量為：此時(shí)，物系與外界所交換的熱量為：（6）-圖上的典型過程21SSPTdSHQ 可用可用12341所圍面積表示所圍面積表示dHVdpTdSP1TS3412S1S2圖圖5-8 等壓加熱等壓加熱38（b）節(jié)流膨脹教材P129, 圖5-9等焓，節(jié)流過程可在等焓線上表示。狀態(tài)1（P1,T1）的高壓氣體沿等焓線節(jié)流至低壓P2時(shí)與P2等壓線相交，過程如線段12表示，膨脹后T2可由縱坐標(biāo)直接讀出。gjjiiinoutj

23、iSm sm s由圖還可直接得到節(jié)流膨脹過程的熵產(chǎn)生，由于節(jié)流與外界無熱、無功交換， 由式（5-16）： 0surS 由圖可見，節(jié)流膨脹后由圖可見，節(jié)流膨脹后S2S1， 節(jié)流不可逆節(jié)流不可逆12SSSSSsystg得：得：P1P2645S123T圖圖5-9 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹394654汽液u若膨脹前物流溫度較低若膨脹前物流溫度較低(3(3點(diǎn)點(diǎn)),),等焓膨脹后等焓膨脹后(4(4點(diǎn)點(diǎn)),),進(jìn)入兩相區(qū)進(jìn)入兩相區(qū), ,這時(shí)它就自動(dòng)分為汽液兩相；這時(shí)它就自動(dòng)分為汽液兩相；u汽液比可按杠桿規(guī)則求得汽液比可按杠桿規(guī)則求得, ,即即: :P1P2645S123T圖圖5-9 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹40（c）等熵膨

24、脹或壓縮 可逆、絕熱膨脹等熵膨脹。物系由狀態(tài)1(T1, P1)等熵膨脹至P2，終點(diǎn)即為垂直橫坐標(biāo)的線段與P2等壓線交點(diǎn)，終態(tài)T2可直接續(xù)出。據(jù)開系穩(wěn)流過程能量平衡式(4-16)，體系與外界有大量的熱和軸功交換時(shí)，式中動(dòng)能、位能項(xiàng)可忽略，即得到式（4-23）SWQH 1212s RSS RWHHHwh shh 可逆絕熱可逆絕熱膨脹功膨脹功 (等熵等熵)Q=0圖圖5-10 等熵膨脹等熵膨脹2P11P22T2T2S41但是：但是：對于對于不可逆、絕熱膨脹不可逆、絕熱膨脹，過，過程具有不確定性，膨脹路徑在程具有不確定性，膨脹路徑在T-ST-S圖上難以精確表示，而一般情況下圖上難以精確表示，而一般情況下

25、膨脹后的溫度又是未知的，使得不膨脹后的溫度又是未知的，使得不可逆絕熱膨脹的終點(diǎn)在可逆絕熱膨脹的終點(diǎn)在T-ST-S圖上難圖上難以確定，因而以確定，因而由于過程的不確定性由于過程的不確定性絕熱（不可逆）膨脹終點(diǎn)所對應(yīng)的絕熱（不可逆）膨脹終點(diǎn)所對應(yīng)的h h2 2無法直接求出。無法直接求出。圖圖5-10 等熵膨脹等熵膨脹2P11P22T2T2Su對于對于不可逆絕熱膨脹功不可逆絕熱膨脹功， 通常用等熵膨脹效率通常用等熵膨脹效率 求，求， 值可由實(shí)驗(yàn)測定，值可由實(shí)驗(yàn)測定，通常在通常在0.6-0.8之間之間SS1212.ssWHHor whh42 1212SSS Rhhwwhh做功 .SSSS RS Rww

26、or WWS 只要已知只要已知W WS(R)S(R)和和 就可求出就可求出W WS S。由于不可逆絕熱膨脹一部。由于不可逆絕熱膨脹一部分機(jī)械功耗散為熱并被流體本身吸收，膨脹后流體溫度分機(jī)械功耗散為熱并被流體本身吸收，膨脹后流體溫度T T2 2比比可逆絕熱膨脹（等熵膨脹）的終態(tài)溫度可逆絕熱膨脹（等熵膨脹）的終態(tài)溫度T T2 2為高，而且流體的為高，而且流體的S S2 2也大于也大于S S2 2，即，即不可逆絕熱膨脹過程內(nèi)部有熵產(chǎn)生不可逆絕熱膨脹過程內(nèi)部有熵產(chǎn)生。S 11221212SsS RHHHWWHHH做功(5-19)or.(5-19a)43注意： 1）找準(zhǔn)節(jié)流膨脹、等熵膨脹（壓縮）的起點(diǎn)及

27、終點(diǎn)！ （e.g. “飽和蒸汽”、“飽和液體”、由P1 膨脹/壓縮至P2） 2）等壓線、等焓線、等比容線的變化規(guī)律飽和蒸汽飽和蒸汽u等熵壓縮同樣也可用等熵線表示如圖5-11所示12為飽和蒸汽可逆絕熱壓縮過程（等熵壓縮）：12為不可逆絕熱壓縮（有熵產(chǎn)生）。壓縮過程的等熵效率為 1212S RSSwhhwhh耗功圖圖5-11 等熵壓縮等熵壓縮P222P1T2T21S(5-20)u T-S圖應(yīng)用：圖應(yīng)用：例例5-4 教材教材P130443. H-S圖莫理耳圖（Mollier圖）45 飽和曲線（飽和液體及飽和蒸汽曲線）、等溫線、等壓線、其中等溫線和等壓線在兩相區(qū)內(nèi)是傾斜的（而在T-S圖上是水平的），這

28、是因?yàn)镠-S圖縱坐標(biāo)為焓，而飽和蒸汽壓焓大于飽和液體焓。 H-S圖包括的數(shù)據(jù)也是工程計(jì)算、分析最常用的，從它查得的焓的數(shù)據(jù)較T-S圖更為準(zhǔn)確，尤其對于等熵過程和等焓過程，應(yīng)用H-S圖最為方便，因此它對噴管、擴(kuò)壓管、壓縮機(jī)、透平機(jī)以及換熱器設(shè)備的計(jì)算分析都很實(shí)用。462. p-H圖一般形式（1）p-H圖中重要的等變量線，如等溫線，等熵線等。（2）p-H圖對于制冷循環(huán)很有用，因?yàn)橹评溲h(huán)中各個(gè)理想過程均可以用線段表示。液相區(qū)內(nèi)等溫線幾乎垂直，過熱蒸汽區(qū)等 溫線陡峭下降，低溫區(qū)又接近垂直，皆是因?yàn)閴毫σ后w或稀薄蒸汽的焓影響較小。47汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐1. 卡諾循環(huán)（Carnot 循環(huán)）,S Tu

29、rW,S PumpWHQLQ卡諾熱機(jī)卡諾熱機(jī)1Q2QW低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碩2高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碩1圖圖5-14 簡單的蒸汽動(dòng)力裝置簡單的蒸汽動(dòng)力裝置48汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐1. 卡諾循環(huán)（Carnot 循環(huán)）,S TurW,S PumpWHQLQ09-10-22圖圖5-14 簡單的蒸汽動(dòng)力裝置簡單的蒸汽動(dòng)力裝置u飽和液態(tài)水在鍋爐中等飽和液態(tài)水在鍋爐中等溫吸熱，產(chǎn)生高壓蒸汽溫吸熱，產(chǎn)生高壓蒸汽u高壓蒸汽在透平中進(jìn)行高壓蒸汽在透平中進(jìn)行幾乎絕熱的可逆膨脹，對幾乎絕熱的可逆膨脹，對外產(chǎn)功外產(chǎn)功Ws,Tur ，(等熵過程等熵過程)u透平排出的乏汽經(jīng)冷凝透平排出的乏汽經(jīng)冷凝器冷凝為飽和液態(tài)水，等器冷凝為飽和

30、液態(tài)水，等溫排熱過程溫排熱過程u冷凝水由泵送回鍋爐，冷凝水由泵送回鍋爐，屬可逆絕熱過程屬可逆絕熱過程(等熵過等熵過程程)。491P-V圖上圖上Carnot循環(huán)循環(huán)1-2 等溫等溫可逆膨脹可逆膨脹（鍋爐內(nèi)（鍋爐內(nèi))2-3 絕熱絕熱可逆膨脹可逆膨脹(等熵等熵) (透平透平)3-4 等溫等溫可逆壓縮可逆壓縮 (冷凝器冷凝器)4-1 絕熱絕熱可逆壓縮可逆壓縮(等熵等熵) (泵泵)Vop2TW1T12341p2p4p3p1V4V2V3V21TT T-S圖上圖上Carnot循環(huán)循環(huán)12Q34Q卡諾卡諾循環(huán)由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫等溫過過程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱絕熱過程組成過程組成 5051

31、525354u 卡諾循環(huán)熱效率：卡諾熱機(jī)卡諾熱機(jī)是可逆操作的、效率最高的可逆熱機(jī)，其是可逆操作的、效率最高的可逆熱機(jī)，其效率與循效率與循環(huán)工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)環(huán)工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，只與吸熱溫度（高溫?zé)嵩粗慌c吸熱溫度（高溫?zé)嵩碩 TH H）和放熱溫度有）和放熱溫度有關(guān)（低溫?zé)嵩搓P(guān)（低溫?zé)嵩碩 TL L）有關(guān)，兩熱源溫差越大，效率越高）有關(guān)，兩熱源溫差越大，效率越高?？ㄖZ循環(huán)是一種理想的不能實(shí)現(xiàn)的熱機(jī)：卡諾循環(huán)是一種理想的不能實(shí)現(xiàn)的熱機(jī)：1)T-S1)T-S圖上，點(diǎn)圖上，點(diǎn)3 3，透平出口，乏汽中含水過多，易發(fā)生浸蝕；透平出口，乏汽中含水過多，易發(fā)生浸蝕；2)2)點(diǎn)點(diǎn)4 4，水泵入口，水泵入口，兩相區(qū)，汽液混合

32、物不能泵送鍋爐。兩相區(qū)，汽液混合物不能泵送鍋爐。123411112561NHLLLCHHHHWQQQTQQQT 所圍面積所圍面積T-S圖上圖上(5-5)“+”“+”吸熱吸熱“-”放熱放熱552.2.朗肯循環(huán)（朗肯循環(huán)（RankineRankine循環(huán)）循環(huán)）u亦由四部分組成，亦由四部分組成， 與與Carnot循環(huán)區(qū)別有兩點(diǎn)：循環(huán)區(qū)別有兩點(diǎn)：加熱步驟加熱步驟12，水在汽化，水在汽化后繼續(xù)加熱，使之成為后繼續(xù)加熱，使之成為過熱過熱蒸汽蒸汽，這樣在進(jìn)入透平膨脹，這樣在進(jìn)入透平膨脹后不致于產(chǎn)生過多飽和水；后不致于產(chǎn)生過多飽和水；冷凝按冷凝按34，進(jìn)行完全冷，進(jìn)行完全冷凝，以使進(jìn)入水泵時(shí)全部是凝，以使進(jìn)

33、入水泵時(shí)全部是飽和液體水飽和液體水。恒溫恒壓下汽化恒溫恒壓下汽化恒溫、恒壓下汽化恒溫、恒壓下汽化5612，水在鍋爐中恒壓加熱：水加熱至沸點(diǎn)，恒溫恒壓下汽化，最后再將飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽。23，過熱蒸汽，過熱蒸汽在透平機(jī)中進(jìn)行在透平機(jī)中進(jìn)行可逆絕熱膨脹至冷凝壓力?？赡娼^熱膨脹至冷凝壓力。由由于于1212步驟已進(jìn)行了過熱處理，步驟已進(jìn)行了過熱處理，故膨脹過程的垂直線相對于卡故膨脹過程的垂直線相對于卡諾循環(huán)中諾循環(huán)中“2 23”3”右移，使右移，使膨脹后濕膨脹后濕乏汽乏汽含水量不致太多。含水量不致太多。34，乏汽在冷凝器中進(jìn)行恒壓、乏汽在冷凝器中進(jìn)行恒壓、 恒溫冷凝，工質(zhì)成為飽和液恒溫冷凝，工質(zhì)成

34、為飽和液 體（對應(yīng)于點(diǎn)體（對應(yīng)于點(diǎn)4）做完功的蒸汽，做完功的蒸汽，or. 透平透平排出的低壓蒸汽排出的低壓蒸汽5741，冷凝水在水泵中進(jìn)冷凝水在水泵中進(jìn)行可逆、絕熱壓縮至鍋爐行可逆、絕熱壓縮至鍋爐操作壓力。操作壓力。T-S圖上表示圖上表示該過程的垂直線段實(shí)際上該過程的垂直線段實(shí)際上很短很短(圖中已夸大圖中已夸大)，這是，這是由液態(tài)水不可壓縮性所致，由液態(tài)水不可壓縮性所致，i.e. 壓力增加很多而溫度壓力增加很多而溫度上升甚微。上升甚微。u 朗肯循環(huán)提供凈功WN可用圖中12341所圍面積表示；58u 上述介紹為理想朗肯循環(huán)，實(shí)際動(dòng)力循環(huán)：產(chǎn)功(23)和耗功(41)步驟不可逆，熵產(chǎn)生導(dǎo)致這兩步驟對應(yīng)線段不是垂直線而是向熵增大方向傾斜。 （圖中23，41所示）實(shí)際動(dòng)力循環(huán)實(shí)際動(dòng)力循環(huán): 1234131TS3142T-S圖上朗肯循環(huán)圖上朗肯循環(huán)594141HHHQH 233 2HHHQL2323HHHQL1212HHHws1212)(HHHwRS 2121)(HHHHWWRSSs )(RSsSWW 6034HHHwp34ppvpvvdpwp HsspHpsQwwwHHHHHHQw