工程热力学

课程小结贾涛1108140411030一．热力学第二定律及熵1.1热力学第二定律热力学第一定律揭示了能量在转换与传递过程中数量守恒的客观规律，自然界的能量在数量中是守恒的。热力学第二定律揭示了实际热力过程的方向性和不可逆性的普遍规律，对能量质的变化加以限制。这是由于不同类型的或不同状态下的能量具有质的差别。能量品质的高低，体现在它的转换能力上。自然界总能量是守恒的，但高质能是逐渐减少的，能量是贬值的。热力学第二定律的两种经典表述：⑴kelvin-plank表述不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不引起其他变化。即第二类永动机是不可能制成的。开尔文表述实质上反映功转变为热的不可逆性，也就是反映能量的耗散特性。⑵clausius表述不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。克劳修斯表述反映热传导过程的不可逆性，由于一般来说高温物体所具有热能利用效率高，低温物体所具有的热能效率低，所以克劳修斯表述同样反映能量的耗散特征。两种表述只是形式上不同，实质上是一样的，即自发过程具有方向性和不可逆性。1.2熵的定义及特点作为一个物理概念，熵最早是在热力学中由克劳修斯引入的。在热力学中熵是作为热力学系统演化过程中不可逆性的一个量度。在演化过程中，两个状态之间的熵变化的具体数值，由联系两个状态之间可逆等温过程中系统吸收的热量被温度除后的熵值表示：TQS,这里的分析对于理解简单巨系统的熵概念并无直接意义，而只是帮助我们认识熵概念的起源和最初定义下的性质。熵的外文原名意义是转变，指热量可以转变功的程度，熵小则转变程度高，熵大则转变程度低。熵的特点：⑴系统的熵和热力学能一样是态函数，可以用来描写或规定系统的状态，熵是一个状态函数，与过程无关。当系统达到平衡态后，熵就完全确定了，与通过什么路径到达这一平衡态无关⑵熵是一个广延量，系统的熵等于系统各部分熵的总和⑶系统熵的变化可以形式地分成两部分，一部分由体系和外界环境间得相互作用引起的，即由物质或能量的流进或流出的过程引起的，可以把这部分熵的变化叫熵流；另一部分由体系内部不可逆过程，把这部分熵的变化叫熵产。⑷只有孤立系统理想的可逆过程才是等熵过程。dQ=0⇔dS=0。⑸熵值可包含一个任意常数。因为克劳修斯熵只定义了熵的差值，所以熵常数可以任意选择。在许多实际问题中，为方便起见，常选定一个参考态的熵值为零，从而定出其它态的熵值。熵流表明传热过程的方向，熵产是由不可逆因素引起的，熵产永远为正，熵产是一切不可逆过程的基本属性，它即可判断过程是否可逆，也可用来过程的不可逆程度，是熵的物理意义之一。二．孤立系统熵增原理孤立系统指系统与外界不存在任何能量传递与物质交换的系统。其表达式0iso，表明孤立系统的熵不能减少。在最理想的可逆情况下，也只能实现使孤立系统熵保持不变得过程，而实际的过程或多或少的都存在不可逆因素，故实际过程总是朝着使孤立系统熵增加的方向进行，这就是孤立系统所阐明热过程的方向性和不可逆性。因此，孤立系统熵增原理表达式可以看作热力学第二定律的一种更为普遍的表述方式。应用孤立系熵增原理时需要注意以下几点：⑴孤立系整体总熵只增不减，但对于孤立系统内的某一部分物体的熵可能会随着物质或热量的迁移而出现熵减少的现象。⑵从表面上看，熵增原理只适用于孤立系而不适用于非孤立系，似乎其应用受到限制，其实这正是他的普遍适用性所在。因为只要把物体都包括进来而构成一个足够大的孤立系，就可以用了。⑶熵增原理的应用局限性，只有在有限空间才具有普适性。换句话说，不能把这一原理推广到无限大的宇宙中去。孤立系统是一种理想化模型，严格的孤立系统是不存在的。为了分析问题方便，可以将分析的系统和它周围的环境构成孤立系统，表示为sursysisoss，由于周围环境可以视为无穷大，因此，可以认为环境温度保持不变，为环境温度T0。如某种过程进行的结果，是孤立系统的熵增大，（如机械能变为热能的过程，热从高温向低温的过程），则它可以不需要其他补偿条件而能够自发进行。如某种过程进行的结果将是孤立系统的熵减少（如热能变为机械能的过程，热从低温向高温的过程），则不可能单独进行，为非自发过程。要使这过程得以实现，必须同时进行一个熵增加补偿的过程，从而使两过程相伴进行的结果仍然是使孤立系统的熵增加，或至少维持不变。最好的情况下，使孤立系统熵等于零。如热机循环中向冷源放热的过程以及制冷循环中消耗外界功转化为热的过程，就是补偿过程的例子。孤立系统内部所发生的自发过程总是沿着无序性增大的方向性进行，也就是有序到无序的能量转化是不可逆过程。在能量转化过程中一部分能量不在做功，其实质是孤立系统内发生的自发过程必然导致能量的退化，任何不可逆过程，总伴随着“可用能量”被退化为“不可用能量”的现象发生。熵就是能量不可用程度的量度，能源危机就是熵的危机。三．做功能力损失谈论任何做功的可能性，总是针对给环境的。所谓系统的做功能力，是只指在给定的环境条件下，系统达到与环境处于热平衡时可能做出的最大有用功。任何实际过程都存在不可逆因素，都是不可逆过程，不可逆过程会造成做功能损失。不可逆损失的功ISOOlossTW，其中sursysisoss，T0为环境温度，它的能量是没有利用价值的，所以才称为不可逆损失。自然界一切自发过程都是不可逆过程，任何实际过程都是不可逆过程，一切不可逆过程都是向着熵增加的方向进行，也就是向着能的“贬值”的方向进行。不可逆过程总是和做功能力损失联系在一起，不可逆过程损失的能量是无法有效利用的，不可逆损失的功最综变为环境的热量。研究热力过程的不可逆程度，对于改善过程进行的不可逆完善度，从而对实现节约能源具有重大的意义。分析一般不可逆损失的一般方法，选取孤立系统，计算所有参与变化物系的熵变，将其累加后即得绝热系的熵变，最后根据SOOlossWTWi计算不可逆损失。计算系统熵变时，关键是确定具有平衡状态特征的过程的初状态，这是因为熵是状态参数，而只有平衡状态的系统才有确定的状态参数。下面是几种典型的不可逆过程：⑴绝热节流气体（或蒸汽）流经阀门或孔板等狭窄通道时，流通截面突然收缩，产生很大的阻力，而是气体压力突然下降，此种现象为节流，由于速度快，气体和外界来不及换热，作为绝热节流处理。在计算绝热节流不可逆损失时，应将进出口截面取在节流孔较远处，认为气体流经该处处于平衡状态。图如下图一：由热力学第一定律：)2/(2chdwqnet其中，0q0netw0)2/(2cd∴h2=h1如果是理想气体，焓仅是温度的函数，则12TT对理想气体热容为定值时有：)/ln()/ln(1212PPRTTcsp如果是绝热节流，得：0)/ln(21PPRsssursysiso（这里0surs）绝热节流不可逆损失：)/ln(210PPRTWloss气体流经平直管道时，截面突然出现变化，但因流阻关系，气体的压力也将下降，此时可设想为所有流阻集中于某一处，当作突变截面的绝热节流看待，以进出口压力带入上式，也可求得平面管道流阻的不可逆损失。对于绝热节流，只要进出口的压力即可，即可求出不可逆损失。⑵自由膨胀（a）体积为V的绝热容器，一半充有初始状态为p1、T1的气体，另一半为真空，抽去隔板后，气体将向真空膨胀，此种膨胀无阻力，称为自由膨胀。自由膨胀是不可逆过程，因此有不可逆损失。图如下：由热力学第一定律：WUQ其中：0Q0W∴12UU对理想气体热容为定值时有：)/ln()/ln(1212VVRTTcsv应用自由膨胀中：122VV2ln)/ln(12RVVRssys不可逆损失：2ln0RTwloss（b）如果容器两侧各充温度、压力相同的A、B两种不同气体，抽出隔板后，两气体将自发混合，气体的混合是不可逆过程，也伴随着不可逆损失。如果两种气体均看做理想气体，因理想气体分子不占体积，相互间无作用力，两种气体的行为互不干扰，因此混合过程的不可逆损失就可以作为两种自由膨胀处理，此时混合的不可逆损失将是两种气体自由膨胀的不可逆损失之和。此时不可逆损失：2ln2ln00TRTRwBAloss（注：0T都为环境温度)计算不可逆损失的主要工作是算出孤立系各物系的熵变量，而关键在于如何确定物系经历不可逆过程后的终态。归纳上面的一些例子可以看到，物系的终态一般总要给出其中的某一参数，如绝热节流的终压、自由膨胀的终容积等，这些参数都和过程的不可逆程度有关，余下的任务是找出确定终态所需的其他参数，如是气体，所差的一个参数可根据各种不可逆过程的特点，应用热力学第一定律求得。四，本节习题分析两种热机从热源吸热相同，即Q1=Q1',所以WRWIR,于是做功能力损失为IRRWW,证明：isoST0证明：选取热源T、T0、两个热机为孤立循环对于可逆循环：)1(011TTQQwRR对于不可逆循环：∵存在不可逆因素，可等效为热源T将同样的热量Q1用温差传热方式传给另一热源T'，然后在T'与冷源T0之间进行卡诺循环。此时：)'1('011TTQQwIRIR∴做工能力损失为：)1'1()'1()1(100101TTQTTTQTTQwwIRR孤立系统的熵增;)0''(002111TQTQTQTQsssIRRisoTQTQ11')1'1(1TTQ∴soisT0也可以从另一角度考虑孤立系统熵的变化，孤立系统中只有一个不等温传热过程为不可逆过程，所以孤立系统熵增：)/1'/1('//111TTQTQTQsiso也能得到soisT0关于低碳的一些问题一．关于低碳、节能的一些概念低碳：就是以较低（更低）的温室气体（CO2为主）排放。节能：应用技术上现实可靠、经济上可行合理、环境和社会都可以接受的方法，有效地利用能源，提高用能设备或工艺的能量利用效率。低碳社会，就是通过创建低碳生活，发展低碳经济，培养可持续发展、绿色环保、文明的低碳文化理念，形成具有低碳消费意识的“橄榄形”公平社会。低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济包括低碳能源系统、低碳技术和低碳产业体系。低碳能源系统是指低碳能源是一种含碳分子量少或没有碳分子结构的能源。通过发展清洁能源,包括风能、太阳能、核能、地热能和生物质能等替代煤、石油等化石能源以减少二氧化碳排放。低碳技术包括清洁煤技术(IGCC)和二氧化碳捕捉及储存技术(CCS)等等低碳产业体系包括火电减排、新能源汽车、节能建筑、工业节能与减排、循环经济、资源回收、环保设备、节能材料等等。当今，低碳经济、低碳社会的认知度明显高于低碳能源和低碳技术。其实前者皆由后者发展、延伸而来。由低碳能源与技术演变为低碳经济以致低碳社会，反映了经济社会与科学技术的互动机制及其发展规律。就二者关系来说，低碳能源无疑是构建低碳经济的核心组成，而低碳技术则是发展低碳能源的关键要素二．对于低碳问题，我国的发展现状高碳燃料大规模使用过程中产生的巨量CO2排放，导致大气中CO2浓度快速增加，全球气温升高，危及人类生存环境、健康安全。而高碳燃料主要指化石能源，由于我们在生产生活中使用了大量的化石燃料，引起大气中二氧化碳浓度急剧升高所致，所以应对气候变化问题也就技术性的落实到了二氧化碳减排问题之上。化石能源主要指煤炭、石油和天然气，化石能源的大量消耗是导致空气中CO2浓度增加的主要原因，亦是全球气候变暖的主要诱因。利用MESSAGE模型知我国一次能源需求总量2020年将达到44.6亿t标准煤，2030年将达到50.9亿t标准煤，2050年为59.0亿t标准煤。煤炭是我国的主要能源，占已探明的化石能源总资源的94.3％，占一次能源生产量的76％，占一次能源消费量的70％。中国能源赋存特点决定了能源消费结构以煤为主。对于如何实现能源的低碳化，存在两种观点：一种是