第5章-熱力學(xué)循環(huán)-熱力學(xué)第二定律-3

1第5章熱力學(xué)循環(huán)-熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用25.1熱力學(xué)第二定律5.2熵.5.3熱力學(xué)圖表及其應(yīng)用5.4蒸汽動力循環(huán)5.5制冷5.6熱泵基本概念能量不僅有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。功的品位高于熱。高級能量：能夠完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如機(jī)械能、電能、水力能和風(fēng)能等；低級能量：不能完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如熱能、焓等。高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高。化工過程的熱力學(xué)分析1、能量衡算。2、分析能量品位的變化?；み^程總是伴隨著能量品位的降低。一個效率較高的過程應(yīng)該是能量品位降低較少的過程。找出品位降低最多的薄弱環(huán)節(jié)，指出改造的方向。化工熱力學(xué)的任務(wù)§熱功轉(zhuǎn)換的不等價性熱功轉(zhuǎn)換的不等價性功可以100%轉(zhuǎn)變?yōu)闊釤岵豢赡?00%轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。熱、功的不等價性正是熱力學(xué)第二定律所表述的一個基本內(nèi)容。§5.1熱力學(xué)第二定律克勞修斯（Clausius）的說法：“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化?！遍_爾文（Kelvin）的說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣Γ话l(fā)生其它的變化。”不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化§熱機(jī)工作原理熱機(jī)工作原理：工質(zhì)從高溫T1熱源吸收Q1的熱量，一部分通過熱機(jī)用來對外做功W，另一部分Q2

的熱量放給低溫T2

熱源。U=Q+W

∵循環(huán)過程U=0∴W=Q1-Q2熱機(jī)示意圖§熱機(jī)效率熱機(jī)效率：將熱機(jī)所作的功W與所吸的熱Q1之比稱為熱機(jī)效率,用η表示。熱機(jī)效率大小與過程的可逆程度有關(guān)?？ㄖZ定理：所有工作于同溫?zé)嵩春屯瑴乩湓粗g的熱機(jī)，其效率都不能超過可逆機(jī)，即可逆機(jī)的效率最大?！?.4.1卡諾循環(huán)（Carnotcycle）①等溫可逆膨脹②絕熱可逆膨脹③等溫可逆壓縮④絕熱可逆壓縮TS①等溫可逆膨脹②絕熱可逆膨脹③等溫可逆壓縮④絕熱可逆壓縮§5.4.1卡諾循環(huán)（Carnotcycle）卡諾定理推論和意義卡諾定理推論：所有工作于同溫?zé)嵩磁c同溫冷源之間的可逆機(jī)，其熱機(jī)效率都相等，即與熱機(jī)的工作物質(zhì)無關(guān)。卡諾定理的意義：解決了熱機(jī)效率的極限值問題?！炜赡鏅C(jī)的效率可逆機(jī)的效率：Tl——高溫?zé)嵩吹臏囟?，K。最高限為鍋爐的使用極限，約450oC

T2——低溫?zé)嵩吹臏囟龋琄。最低限為環(huán)境溫度。廣州夏天30oC，北極-50oC廣州夏天ηmax

=58%；北極ηmax

=79%?！?.2熵§

熵的定義及應(yīng)用§

熵增原理§

熵變的計算§熵產(chǎn)生和熵平衡熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)與熵的概念凡是自發(fā)的過程都是不可逆的，而一切不可逆過程都可以歸結(jié)為熱轉(zhuǎn)換為功的不可逆性。一切不可逆過程都是向混亂度增加的方向進(jìn)行，而熵函數(shù)可以作為體系混亂度的一種量度。§5.2熵的定義及應(yīng)用1、熵S的定義pVABC(可逆)D(可逆)F(不可逆)任意可逆過程的熱溫商的值決定于始終狀態(tài)，而與可逆途徑無關(guān)，這個熱溫商具有狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)。2、不可逆過程的熵變

由于S是狀態(tài)函數(shù)，體系不可逆過程的熵變，與可逆過程的熵變相等3、Clausius不等式PVABC(可逆)D(可逆)F(不可逆)§5.2熵的定義及應(yīng)用總結(jié)(1)、(2)式得(3)式“>”號為不可逆過程；“=”號為可逆過程Clausius不等式4、對于孤立體系：δQ=0熵增原理：一個孤立體系的熵永不減少?！?.2熵的定義及應(yīng)用“>”號為自發(fā)過程，“=”號為可逆過程任何一個體系與它的環(huán)境捆綁在一起均可看作一個孤立體系!!!注意：判斷孤立體系是否自發(fā)過程的依據(jù)是總熵變大于0，而不是體系的熵變大于0。環(huán)境孤立體系體系§5.2熵的定義及應(yīng)用§5.2熵的定義及應(yīng)用5、對于絕熱體系（δQ體系=0；δQ環(huán)境=0

）1）絕熱可逆過程絕熱體系δQ體系=0環(huán)境δQ環(huán)境=0例1：某一鑄鋼（Cp=0.5kJ/kgK），重量為40Kg，溫度為4500C，用150Kg，250C的油（Cp=2.5kJ/kgK）冷卻。假使沒有熱損失，則以下各項熵的變化為多少？1）鑄鋼；2）油；3）兩者一起考慮。并判斷過程是否自發(fā)的。解：鑄鋼散失的熱為Q1=40*0.5（T-450）；油獲取的熱為Q2=150*2.5（T-25）。Q1=-Q2

解得T=46.520C

答：該過程是自發(fā)過程?！祆氐亩x及應(yīng)用§熵增原理熵增原理指出：一切自發(fā)的過程只能向總熵值增加的方向舉行，它提供了判斷過程方向的準(zhǔn)則。當(dāng)總熵值達(dá)到最大，也即體系達(dá)到了平衡。應(yīng)用熵增原理時應(yīng)注意：孤立體系總熵變§5.2.1熵變的計算 僅有PVT變化的熵變 有相變過程的熵變 環(huán)境的熵變1、有pVT變化的熵變熵變的計算2、有相變過程的熵變等溫等壓可逆相變（若是不可逆相變，應(yīng)設(shè)計可逆過程）理想氣體有pVT變化的熵變(1)理想氣體等溫變化(2)物質(zhì)的量一定的等容變溫過程(3)物質(zhì)的量一定的等壓變溫過程(4)物質(zhì)的量一定從 到 的過程。這種情況一步無法計算，要分兩步計算，有三種分步方法：理想氣體有pVT變化的熵變2)先等溫后等壓3)先等壓后等容1)先等溫后等容熵變的計算(1)體系可逆變化時環(huán)境的熵變(2)體系是不可逆變化時，但由于環(huán)境很大，可將體系與環(huán)境交換的熱量設(shè)計成另一個可逆過程交換的熱量。3、環(huán)境的熵變相變過程的熵變例題例2：求1mol過冷水在1atm，-10oC的凝固為冰的熵差。已知H2O在1atm、0oC的凝固熱為-6020J/mol，Cp冰=37.6J/mol.K；Cp水=75.3J/mol.K。解:相變過程的熵變例題該過程是自發(fā)進(jìn)行的！相變過程的熵變例題解:例3：求1）水在1atm，100oC的相變熵變,2)水汽在20oC的相變熵變。已知H2O在100oC的汽化熱為40.62kJ/molR）（（體系）TQS=相變過程的熵變例題2)水汽在20oC的相變熵變。已知H2O在100oC的汽化熱為40.62kJ/mol。解:不可逆相變，可以設(shè)計可逆相變求△S

值。熵及熵增原理小結(jié)過程ΔS總ΔS體系ΔS環(huán)境總則0，+0，+，-0，+，-可逆0不可逆+絕熱可逆000絕熱不可逆++0可逆循環(huán)000不可逆循環(huán)+0+熵產(chǎn)生§6.3.4熵平衡例4：有人有一發(fā)明如下，請判斷它的可行性T=450K環(huán)境1T=273K環(huán)境2高溫儲熱器冷卻水§6.3.4熵平衡解題思路：是否同時符合熱力學(xué)第一、第二定律（能量守恒、總熵變≥0）答：不可行§6.4理想功和損失功1、理想功Wid：指體系的狀態(tài)變化以完全可逆過程實現(xiàn)時，理論上可能產(chǎn)生的最大功或者必須消耗的最小功。完全可逆是指：

(1)體系內(nèi)所有的變化過程必須是可逆的．

(2)體系與溫度為T0的環(huán)境進(jìn)行熱交換是可逆的。理想功是一個理論的極限值，是實際功的比較標(biāo)準(zhǔn)。理想功（1）非流動過程U=Q+W∵過程完全可逆，而且體系所處環(huán)境構(gòu)成了一個溫度為T0的恒溫?zé)嵩础＠硐牍Αa(chǎn)生最大功；消耗最小功理想功（2）穩(wěn)定流動過程環(huán)境的溫度理想功（3）說明理想功Wid僅與體系狀態(tài)有關(guān)，與具體的變化途徑無關(guān)。理想功Wid與環(huán)境的溫度T0有關(guān)。§5.4理想功和損失功P(MPa)T(0C)H(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.3蒸汽1.0179.912778.16.5865-819.90.00816925(水)104.890.3674例5：有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過程變成250C的水，求Wid(T0=298K)結(jié)論：1）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)。

2）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽來加熱最恰當(dāng)。損失功2、損失功WL：由于實際過程的不可逆性，將導(dǎo)致作功能力的損失。損失功——體系在給定狀態(tài)變化過程中該過程實際Wac與所計算的理想功Wid的差值：損失功損失功：與1）環(huán)境溫度T0;2）總熵變有關(guān)過程的不可逆性越大，△S總越大，WL就越大，因此應(yīng)盡可能降低過程的不可逆性。熱力學(xué)效率η實際過程的能量利用情況可通過熱力學(xué)效率η加以評定§5.4理想功和損失功例6：流動水由900C變?yōu)?00C，CP=1Cal/g.K，忽略壓差，求WL(T0=298K)

?；靖拍钅芰坎粌H有數(shù)量，而且有質(zhì)量（品位）。功的品位高于熱。1度電=1KWhr=3600KJ=860Kcal但860Kcal熱不能變成1度電。熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ男蕿?0%。高壓蒸汽的做功能力高于低壓蒸汽。高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位比低溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱的品位高。大氣中的能量全部不能做功。§

火用的計算1、穩(wěn)定流動體系的Ex注意：（1）Ex與理想功的區(qū)別：理想功是任意兩個狀態(tài)的變化，而E的末態(tài)是體系的基準(zhǔn)態(tài)(P0，T0)，該態(tài)的Ex為0（2）Ex是狀態(tài)函數(shù)穩(wěn)定流動體系的Ex比較：Ex與理想功的區(qū)別P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.002852772.15.8133-1044.31044.3蒸汽1.0179.92778.16.5865-819.9819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.36740例7：1)有一股壓力分別是7.0MPa和1.0MPa蒸汽用于作功，經(jīng)穩(wěn)流過程均變成0.1013MPa，250C的水，求Wid和Ex(T0=298K).Ex與理想功的區(qū)別例8：2)7.0MPa蒸汽作功后變成1.0MPa蒸汽,求此過程的Wid和作功前后蒸汽具有的的有效能Ex(T0=298K）P,MPaT,0CH(KJ/Kg)S(KJ/Kg.K)Wid(KJ/Kg)Ex(KJ/Kg)蒸汽7.00285H1=2772.1S1=5.8133-224.411044.3蒸汽1.0179.9H2=2778.1S2=6.5865819.90.1013MPa25(水)H0=104.89S0=0.367401、物理Ex：濃度、組成不變，T，PT0，P0引起的

Ex變化。2、化學(xué)Ex：

T0，P0T0，P0，但濃度、組成變化引起的Ex變化。3、功的Ex即是功4、動能、位能對Ex的貢獻(xiàn)可忽略擴(kuò)散：濃度變化化學(xué)反應(yīng)：組成變化熱的ExExQ壓力ExExPEx2）壓力EXPP,MPaT,KS(KJ/Kg.K)H(KJ/Kg)H0-H(KJ/Kg)EX(KJ/Kg)水0.10132980.3674104.890飽和蒸汽1.0134536.5822772.12670812.5過熱蒸汽1.0135737.1330532948934飽和蒸汽6.868557.25.826277526701043飽和蒸汽8.6115735.787278326781092分析：1）壓力相同（1.013MPa），過熱蒸汽的Ex比飽和蒸汽大，所以其做功本領(lǐng)也大。2）溫度相同（573K）高壓蒸汽的作功本領(lǐng)比低壓蒸汽強(qiáng)。3）溫度相同（573K）高壓蒸汽的加熱能力比低壓蒸汽弱，因此用低壓蒸汽作為工藝加熱最恰當(dāng)，并可減少設(shè)備費(fèi)用。4）放出的熱相同（557.5K和453K的飽和蒸汽），高溫高壓蒸汽的Ex比低溫低壓蒸汽的高28.13%。結(jié)論：1）一般供熱用0.5~1.0MPa（150~1800C）的飽和蒸汽。2）高壓蒸汽（10MPa）用來做功。溫度在3500C以上的高溫?zé)崮埽ㄈ鐭煹罋猓?，用來產(chǎn)生高壓蒸汽，以獲得動力能源。Ex2Ex1δQWRS1、Ex衡算一切不可逆過程伴隨著Ex的損失①

可逆過程§Ex的衡算及Ex效率進(jìn)入過程或設(shè)備的Ex總和離開過程或設(shè)備的Ex總和②不可逆過程：2、Ex效率§Ex的衡算及Ex效率1)總Ex效率注意區(qū)別Ex

2)目的Ex效率----最常用

§Ex的衡算及Ex效率降低資源消耗減少環(huán)境破壞2003年，創(chuàng)造了11.67萬億的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP），增長率達(dá)9.1%，但投入就有5.7萬億。

2003年，中國消耗了全球總產(chǎn)量30%的主要能源和原材料，創(chuàng)造的GDP僅占世界的4%。如果按每1美元生產(chǎn)總值能耗，我國比發(fā)達(dá)國家能耗高4~5倍。目前，美國每萬美元耗水為514M3，日本208M3，中國5045M3，是發(fā)達(dá)國家的8~20倍。中國很多地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長速度是靠高投資、高能耗、高污染換來的。中央提出的“科學(xué)發(fā)展觀”——堅持以人為本，全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展。第五章總結(jié)U=Q+W封閉體系H=Q+Ws

穩(wěn)定流動體系1、熱力學(xué)第一定律4、熱功轉(zhuǎn)換的不等價性3、最常用的能量平衡方程5、熱力學(xué)第二定律2、穩(wěn)流體系能量平衡方程及其各種簡化第五章總結(jié)