第五章 熱力循環(huán)——熱力學(xué)第二定律

1、化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)Chemical Engineering Thermodynamics華北科技學(xué)院華北科技學(xué)院第五章第五章 熱力循環(huán)熱力循環(huán) 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律1. 三種表述三種表述5.1 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律(1) 有關(guān)熱流方向的表述有關(guān)熱流方向的表述 ：1850年克勞休斯：年克勞休斯： 熱不可能自動(dòng)的從低溫物體傳熱不可能自動(dòng)的從低溫物體傳給高溫物體。給高溫物體。 (2) 有關(guān)循環(huán)過(guò)程的表述有關(guān)循環(huán)過(guò)程的表述 ：1851年開(kāi)爾文：年開(kāi)爾文： 不可能從單一熱源吸熱使之完全不可能從單一熱源吸熱使之完全變成有用功，而不引起其他變化。變成有用功，而不引起其他變化。 (3) 有關(guān)

2、熵的表述：有關(guān)熵的表述：孤立體系的熵只能增加，或達(dá)到極限時(shí)保持恒定。孤立體系的熵只能增加，或達(dá)到極限時(shí)保持恒定。St0不可逆不可逆 可逆可逆 孤立體系熱力學(xué)第二定律另一種表達(dá)式：孤立體系熱力學(xué)第二定律另一種表達(dá)式：St=Ssys+Ssur0熵增原理熵增原理5.1 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律2. 四個(gè)概念四個(gè)概念 熱源熱源 是一個(gè)具有很大熱容量的物系。取出是一個(gè)具有很大熱容量的物系。取出或接受熱量，溫度不變，熱源里的過(guò)程為或接受熱量，溫度不變，熱源里的過(guò)程為可逆過(guò)程可逆過(guò)程。 功源功源 是一種可以做功或接受功的裝置。功源是一種可以做功或接受功的裝置。功源里的過(guò)程是絕熱可逆過(guò)程，即里的過(guò)程是絕熱

3、可逆過(guò)程，即等熵過(guò)程等熵過(guò)程。絕熱絕熱Ssur=0St=S功源功源=0，功源沒(méi)有熵變。，功源沒(méi)有熵變。5.1 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 熱機(jī)熱機(jī) 是一種是一種產(chǎn)生功產(chǎn)生功并將高溫?zé)嵩吹臒崃總鞑⒏邷責(zé)嵩吹臒崃總鬟f給低溫?zé)嵩吹囊环N機(jī)械裝置。遞給低溫?zé)嵩吹囊环N機(jī)械裝置。 熱功率熱功率 熱轉(zhuǎn)化為功的效率。獲得的功熱轉(zhuǎn)化為功的效率。獲得的功/投入投入的熱。的熱。 T=Ws /Q5.2 熵熵熵熵S與微觀(guān)狀態(tài)數(shù)與微觀(guān)狀態(tài)數(shù) 1878年，年，L.Boltzmann提出了熵與微觀(guān)狀態(tài)數(shù)提出了熵與微觀(guān)狀態(tài)數(shù)的關(guān)系：的關(guān)系： S=kln12311Amol106.022KmolJ314.8NRk123-KJ10

4、3806.1 粒子的活動(dòng)范圍愈大，粒子的數(shù)目愈多，系粒子的活動(dòng)范圍愈大，粒子的數(shù)目愈多，系統(tǒng)的微觀(guān)狀態(tài)數(shù)統(tǒng)的微觀(guān)狀態(tài)數(shù)愈多，系統(tǒng)的混亂度愈大。愈多，系統(tǒng)的混亂度愈大。5.2 熵熵?zé)釞C(jī)熱機(jī)低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碙T高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碒THQLQ功源功源)(RSW可逆熱機(jī)循環(huán)可逆熱機(jī)循環(huán)示意圖示意圖由穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡式可得：由穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡式可得： )(RSWQH LHRSQQW )(由熱力學(xué)第二定律：由熱力學(xué)第二定律： 可逆過(guò)程：可逆過(guò)程： 0)( sursysSS熱機(jī)為系統(tǒng)熱機(jī)為系統(tǒng) 循環(huán)過(guò)程：循環(huán)過(guò)程： 0 sysS則：則： 0 功源低溫源SSSSsur高高溫溫源源0 HHHTQS 高溫源LL

5、TQS 低溫源可逆：可逆： 0 LLHHsurTQTQS可逆熱機(jī)效率：可逆熱機(jī)效率： HRSRTQW)()( HLHQQQ HLQQ 1HLTT 1即使在可逆熱機(jī)中做了最大功即使在可逆熱機(jī)中做了最大功(可逆功可逆功)，也，也不可能將熱全部轉(zhuǎn)化為功，不可能將熱全部轉(zhuǎn)化為功，T0，說(shuō)明體系做功，說(shuō)明體系做功能力損失了，而損失做功能力大小與能力損失了，而損失做功能力大小與St成正比。成正比。循環(huán)循環(huán)裝置裝置熱源熱源LT熱源熱源HTHQLQ兩個(gè)熱源之間兩個(gè)熱源之間的傳熱的傳熱5.2 熵熵由穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡式可得：由穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡式可得： )(RSWQH 0)( RSW則，則，Q=QH+QL=0，

6、即，即，QH= - QL 0)( sursysSS 循環(huán)過(guò)程：循環(huán)過(guò)程： 0 H LHLLHHsurTTQTQTQS11101 LHLHTTHTQa. THTL，成立，自發(fā)從高溫?zé)嵩磦飨虻蜏責(zé)嵩?，成立，自發(fā)從高溫?zé)嵩磦飨虻蜏責(zé)嵩碽. 傳熱溫差傳熱溫差T，熵增，熵增，即不可逆程度越小，即不可逆程度越小，導(dǎo)致傳熱過(guò)程緩慢。增加傳熱面積，設(shè)備費(fèi)用導(dǎo)致傳熱過(guò)程緩慢。增加傳熱面積，設(shè)備費(fèi)用。1. 閉系熱力學(xué)第二定律閉系熱力學(xué)第二定律5.2 熵熵Ssys+Ssur0微分形式微分形式dSsys+dSsur0dSsur=dS熱源熱源+dS功源功源dS功源功源=0dSsur=dS熱源熱源=Qsur/T= -Qs

7、ys/TdSsysQsys/T通常形式通常形式dSsysQ/T不可逆不可逆 可逆可逆 閉系熱力學(xué)閉系熱力學(xué)第二定律第二定律5.2 熵熵 熵流熵流dSf可逆過(guò)程：可逆過(guò)程：TQdSRsys 我們稱(chēng)我們稱(chēng)TQR 為隨為隨RQ 熱流產(chǎn)生的熱流產(chǎn)生的熵流熵流。 熵流定義熵流定義： /TQdSRf 功源熵變?yōu)榱?，因此功的傳遞不會(huì)引起熵的流動(dòng)。功源熵變?yōu)榱悖虼斯Φ膫鬟f不會(huì)引起熵的流動(dòng)。 由于傳熱由于傳熱QR而引而引起體系熵的變化起體系熵的變化(2) 熵產(chǎn)熵產(chǎn)dSggRsysdSTQdS gdS熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生，由于過(guò)程的不可逆性引起的熵變。由于過(guò)程的不可逆性引起的熵變。gQsysSTQS 0 dSsysQ/

8、T等式等式 積分積分 過(guò)程的不可逆程度越大，熵產(chǎn)生量也越大；熵產(chǎn)生永遠(yuǎn)過(guò)程的不可逆程度越大，熵產(chǎn)生量也越大；熵產(chǎn)生永遠(yuǎn)不會(huì)小于零。不會(huì)小于零。 Sg0，不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程 Sg=0，可逆過(guò)程可逆過(guò)程 Sg0ggfSTQSSSS A outjjjiniiigfAopsyssmsmSSSdtdS gtSSS AP125，例題，例題5-2，3 概述概述5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表用于純物質(zhì)用于純物質(zhì)使用方便：使用方便：T-S，H-S，lnp-H查熱力學(xué)數(shù)據(jù)查熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析熱力學(xué)過(guò)程分析熱力學(xué)過(guò)程 T-S圖圖5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表CT(1)構(gòu)成構(gòu)成 TSC 臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)T-S 示意圖示意圖 (

9、1)飽和蒸汽曲線(xiàn)飽和蒸汽曲線(xiàn)汽液共存區(qū)汽液共存區(qū)A飽和液體曲線(xiàn)飽和液體曲線(xiàn)B液相區(qū)液相區(qū)蒸汽區(qū)蒸汽區(qū)氣相區(qū)氣相區(qū)5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表等焓線(xiàn)等焓線(xiàn)TSCBA3pp2p1p1H3H2HT-S 示意圖示意圖 (2)等壓線(xiàn)等壓線(xiàn)x等干度線(xiàn)等干度線(xiàn) 濕蒸汽中所含飽濕蒸汽中所含飽和蒸汽的質(zhì)量百和蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為干度分?jǐn)?shù)稱(chēng)為干度x 等容線(xiàn)等容線(xiàn)規(guī)律規(guī)律5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表(2)使用使用 單相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：f = 2 兩相區(qū)：兩相區(qū)：f = 1 用相律分析用相律分析 如：如： xhxhhlgm 1 xSxSSlgm 1 xVxVVlgm 1 已知某物系在兩相區(qū)的位置，可由已知某物系在兩相區(qū)的

10、位置，可由T-S圖求出圖求出汽液相對(duì)量，汽液混合物系的熱力學(xué)性質(zhì)可通過(guò)汽汽液相對(duì)量，汽液混合物系的熱力學(xué)性質(zhì)可通過(guò)汽液性質(zhì)及干度求出。液性質(zhì)及干度求出。 5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表a. 等壓過(guò)程等壓過(guò)程無(wú)相變無(wú)相變TCBA1p加熱加熱),( 212pT),(111pTppHQ 外界所交換的熱：外界所交換的熱： 12hh 21ssTdSSS1S25.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表有相變：有相變：TS=S2 S112hhHQp 外界所交換的熱：外界所交換的熱： ),( 111pT),( 212pTCBAp1H=粉線(xiàn)區(qū)域的面積粉線(xiàn)區(qū)域的面積S1S2S5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表b. 節(jié)流膨脹過(guò)程節(jié)流膨脹

11、過(guò)程TS1p2p3p1H),( 111pT),( 222pT無(wú)相變：無(wú)相變：S=Sg =S2 S1有相變：有相變：5446液液汽汽),( 313pT),( 424pT655.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表c. 等熵膨脹過(guò)程等熵膨脹過(guò)程TS2p可逆絕熱過(guò)程可逆絕熱過(guò)程 2T等熵過(guò)程的焓變：等熵過(guò)程的焓變： 12-HHWHRS 2T1p),( 111pT),(222pT實(shí)際過(guò)程實(shí)際過(guò)程對(duì)外實(shí)際做的軸功：對(duì)外實(shí)際做的軸功： 12HHWS 或或 12hhws 等等熵熵過(guò)過(guò)程程2未知未知2121)(hhhhWWRssS 等熵膨脹效率等熵膨脹效率實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)測(cè)得8060.s T2T2，S2 S2S2S2P130

12、，例題，例題5-4，焓熵圖，壓焓圖，焓熵圖，壓焓圖5.3 熱力學(xué)圖表熱力學(xué)圖表熱力學(xué)性質(zhì)圖的共性熱力學(xué)性質(zhì)圖的共性1. 制作原理及步驟相同，僅適用于特定物質(zhì)。制作原理及步驟相同，僅適用于特定物質(zhì)。2. 圖形中內(nèi)容基本相同，圖形中內(nèi)容基本相同，p,V,T,H,S都有。都有。熱力學(xué)圖表與普遍化熱力學(xué)圖表的區(qū)別熱力學(xué)圖表與普遍化熱力學(xué)圖表的區(qū)別l制作原理不同制作原理不同l應(yīng)用范圍不同應(yīng)用范圍不同熱：以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)熱：以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)普：以對(duì)比參數(shù)作為獨(dú)立變量作出的普：以對(duì)比參數(shù)作為獨(dú)立變量作出的熱：只適應(yīng)于特定的物質(zhì)熱：只適應(yīng)于特定的物質(zhì)普：對(duì)物質(zhì)沒(méi)限制，適用于任一物質(zhì)普：對(duì)物質(zhì)沒(méi)限制，適用于任一

13、物質(zhì)1. 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)5.4 水蒸氣動(dòng)力循環(huán)水蒸氣動(dòng)力循環(huán)HRSRTQW)()(HLHQQQ HLQQ 1HLTT 1以水蒸氣為工質(zhì)的卡諾循環(huán)示意圖：以水蒸氣為工質(zhì)的卡諾循環(huán)示意圖：LT5HT鍋鍋爐爐冷凝冷凝器器透透平平THQ水泵水泵PumpSW,LQ6S圖圖1 簡(jiǎn)單的蒸汽動(dòng)力裝置簡(jiǎn)單的蒸汽動(dòng)力裝置圖圖2 TS圖上的卡諾循環(huán)圖上的卡諾循環(huán)43412312TurSW,卡諾循環(huán)各步驟的能量平衡和熵平衡式卡諾循環(huán)各步驟的能量平衡和熵平衡式2. 問(wèn)題問(wèn)題5.4 水蒸氣動(dòng)力循環(huán)水蒸氣動(dòng)力循環(huán)第一個(gè)具有實(shí)際意義的蒸汽動(dòng)力循環(huán)是第一個(gè)具有實(shí)際意義的蒸汽動(dòng)力循環(huán)是郎肯循環(huán)郎肯循環(huán)。 （1）濕蒸汽對(duì)透平和水

14、泵有浸蝕作用，透平帶水）濕蒸汽對(duì)透平和水泵有浸蝕作用，透平帶水量不得超過(guò)量不得超過(guò)10%，水泵不能帶入蒸汽進(jìn)泵；，水泵不能帶入蒸汽進(jìn)泵；（2）絕熱可逆過(guò)程實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。）絕熱可逆過(guò)程實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。 5.4 水蒸氣動(dòng)力循環(huán)水蒸氣動(dòng)力循環(huán)TS1432312：高溫吸熱：高溫吸熱21 HQH23：等熵膨脹做功：等熵膨脹做功要求：濕蒸氣干度要求：濕蒸氣干度90%32)( HWRS實(shí)際軸功：實(shí)際軸功：32, HWTurS透平產(chǎn)功：透平產(chǎn)功： )(,RSsTurSWW 34：低溫放熱：低溫放熱43 HQLTS143235.4 水蒸氣動(dòng)力循環(huán)水蒸氣動(dòng)力循環(huán)P135，例題，例題5-541：水泵輸送：水泵輸送

15、14),( HWpumpRS水不可壓縮：水不可壓縮：)(41),(2ppVWOHpumpRS 循環(huán)過(guò)程：循環(huán)過(guò)程：SpumpSTurNWWW 實(shí)際功：實(shí)際功：41,/ )(2sOHpumpSppVW LHQQQ 循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率：T = WN / QH思考：郎肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的不同思考：郎肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的不同3. 朗肯循環(huán)的改進(jìn)朗肯循環(huán)的改進(jìn)提高熱效率提高熱效率5.4 水蒸氣動(dòng)力循環(huán)水蒸氣動(dòng)力循環(huán)HLHscTTQW 1 12HHQQQWLHHN 對(duì)卡諾循環(huán)：對(duì)卡諾循環(huán)：對(duì)郎肯循環(huán)：對(duì)郎肯循環(huán)：(3) 采用再熱循環(huán)采用再熱循環(huán) (1) 提高水蒸氣的過(guò)熱溫度提高水蒸氣的過(guò)熱溫度(2) 提高

16、水蒸汽的壓力提高水蒸汽的壓力總結(jié)總結(jié)原因，原因，P138，例題，例題5-6制冷定義與方法制冷定義與方法5.5 制冷制冷l 使物系溫度小于環(huán)境溫度的操作稱(chēng)為使物系溫度小于環(huán)境溫度的操作稱(chēng)為制冷制冷。l 當(dāng)冷凍溫度大于當(dāng)冷凍溫度大于-100 ，稱(chēng)普通冷凍。，稱(chēng)普通冷凍。l 小于小于-100 稱(chēng)深度冷凍。稱(chēng)深度冷凍。制冷循環(huán)為逆向卡諾循環(huán)制冷循環(huán)為逆向卡諾循環(huán) 正向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度大于工質(zhì)放熱溫度。正向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度大于工質(zhì)放熱溫度。逆向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度小于工質(zhì)放熱溫度。逆向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度小于工質(zhì)放熱溫度。 工業(yè)上制冷循環(huán)工業(yè)上制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷蒸汽壓縮制冷 蒸汽噴射制

17、冷（拉法爾噴嘴）蒸汽噴射制冷（拉法爾噴嘴） 吸收式制冷吸收式制冷 5.5 制冷制冷1. 制冷原理與逆卡諾循環(huán)制冷原理與逆卡諾循環(huán)工質(zhì)在低溫下不斷吸熱工質(zhì)在低溫下不斷吸熱 形成的蒸汽可逆絕熱壓縮形成的蒸汽可逆絕熱壓縮 高壓液體絕熱可逆膨脹高壓液體絕熱可逆膨脹 在高溫下放熱在高溫下放熱4312T工質(zhì)吸熱蒸發(fā)工質(zhì)吸熱蒸發(fā)壓縮升溫壓縮升溫放熱冷凝放熱冷凝恒熵膨脹恒熵膨脹S5.5 制冷制冷對(duì)于工質(zhì)完成一個(gè)循環(huán)：對(duì)于工質(zhì)完成一個(gè)循環(huán)： NWQH 0衡量制冷機(jī)效能的參數(shù)為衡量制冷機(jī)效能的參數(shù)為制冷系數(shù)制冷系數(shù)，用，用表示；其定義為：表示；其定義為： 消消耗耗的的凈凈功功在在低低溫溫下下吸吸的的熱熱 4141

18、SSTTSSTLHL NLWQ LHLQQQ 413241SSTSSTSSTLHL LHLTTT 4321,SSSS 意義：意義：每消耗單位量的外功所獲得的每消耗單位量的外功所獲得的制冷量制冷量(QL) 。 (1) LHTTf制冷系數(shù)僅是工作溫度的函數(shù)，與工質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)。制冷系數(shù)僅是工作溫度的函數(shù)，與工質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)。結(jié)論：結(jié)論：(2)在在TH和和TL兩個(gè)溫度之間操作的任何循環(huán)，逆卡諾循兩個(gè)溫度之間操作的任何循環(huán)，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大。環(huán)的制冷系數(shù)最大。(3)提高提高，必須提高，必須提高TL或降低或降低TH，而，而TH為環(huán)境溫度，一為環(huán)境溫度，一般不變，所以提高低溫?zé)嵩礈囟劝悴蛔?，所以提高低溫?zé)?/p>

19、源溫度TL，提高提高(很有使用價(jià)值，很有使用價(jià)值，TL提高，可少消耗功提高，可少消耗功)5.5 制冷制冷2. 蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)要實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)有兩個(gè)困難：要實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)有兩個(gè)困難： (1)飽和蒸汽膨脹產(chǎn)生液體，透平難以承受飽和蒸汽膨脹產(chǎn)生液體，透平難以承受。 (2)實(shí)現(xiàn)絕熱可逆壓縮有困難，壓縮機(jī)不能承受。實(shí)現(xiàn)絕熱可逆壓縮有困難，壓縮機(jī)不能承受。 蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)為克服以上兩個(gè)困難而提出。為克服以上兩個(gè)困難而提出。 絕熱壓縮過(guò)程：絕熱壓縮過(guò)程：12(可逆可逆) 或或12(不可逆不可逆)冷凝過(guò)程：冷凝過(guò)程：23 節(jié)流膨脹過(guò)程：節(jié)流膨脹過(guò)程：34 蒸發(fā)過(guò)程：蒸發(fā)過(guò)程

20、：415.5 制冷制冷蒸發(fā)器蒸發(fā)器冷凝器冷凝器節(jié)流減壓閥節(jié)流減壓閥壓縮機(jī)壓縮機(jī)HQLQSW4321TS32214實(shí)際循環(huán)制冷系數(shù)：實(shí)際循環(huán)制冷系數(shù)： SLwq 1241hhhh 若已知制冷量若已知制冷量QL ，制冷劑的循環(huán)流量：，制冷劑的循環(huán)流量：LLsqQm 41hhQL P141，例題，例題5-7提高提高的措施的措施(1)降低冷凝溫度降低冷凝溫度TH，消耗功減少，制冷量增加，消耗功減少，制冷量增加，升高；升高； (2)提高提高TL，即提高蒸發(fā)溫度，制冷量增加，所以，即提高蒸發(fā)溫度，制冷量增加，所以升高；升高； (3)使飽和液體過(guò)冷，使之節(jié)流膨脹。制冷量加大，使飽和液體過(guò)冷，使之節(jié)流膨脹。制冷量加大，提高。提高。5.5 制冷制冷3. 吸收式制冷循環(huán)吸收式制冷循環(huán) 吸收制冷吸收制冷是是不用機(jī)械功不用機(jī)械功，通過(guò)吸收和精餾裝置，通過(guò)吸收和精餾裝置來(lái)完成循環(huán)過(guò)程。以溶液為工質(zhì)來(lái)完成循環(huán)過(guò)程。以溶液為工質(zhì)(例如，氨例如，氨)。 吸收式制冷裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成為吸收式制冷裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成為熱力系數(shù)熱力系數(shù)，定義：定義： QL為吸收的熱量為吸收的熱量(制冷量制冷量)，Q為外界提供的熱量為外界提供的熱量。=QL /Q優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 可以利用低溫?zé)崮?，尤其是利用工業(yè)余熱可以利用低溫?zé)崮?，尤其是利用工業(yè)余熱或廢熱；耗電量少。或廢熱；耗電量少。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 較低一般為較低