上海交大 高等工程热力学 童钧耕 第2章 基本定律和能量可用性下

1§2-6能量的转换的特性z各种不同形式的能量对人类的有用程度不同z能量的转换过程具有方向性与不可逆性工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。一、能量转换的限度X热量转变为功的限度max0t1wTqTη==−0max1TwqT⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠或循环过程中从热源吸取的热量q不能全部转换为功，其最大值为。maxw2X热力学能转换为有用功的限度闭口系统绝热过程，系统由初态1变化到终态2，热力学能转化为功:21uuw−=初态一定时，其终态2不能随意给出:12ss≥max10012()wuupvv=−−−相反，任意数量有用功可以通过耗散全部转换为热力学能。绝热系统热力学转换为有用功最大值为能量转换的非对称性——机械能和电能可以不受限制地转换为热力学能；但即使是可逆过程热力学能和热量不能全部转换为功。这里0不是环境态与热力学能不矛盾3二、能量转换的规律X能量转换程度作为准则1、无限转换能2、有限转换能3、非转换能X一切形式的能量由和　组成，是能量的属性。能量可转换为任何其他形式能量的部分—能量中无法转变为的部分—　在给定的环境介质下能量=+　，其中每一组成部分可分别为零。X根据和　，热力学第二定律也可表述为：（1）一切不可逆过程中，必有转化为　。（2）由　转化为的过程是不可能的。（3）孤立系统的只减不增。4X一切过程都是不可逆的，转变　是无法改变的，无限转换能（）的储存会不断地减少，所以人类活动不能建立在无节制向自然界的索取上。X环境参数对能量转换的影响☻环境介质作为一个无限蓄热系统，认为它永远处于平衡状态，而参与一切热力过程，即它能吸收热量或放出热量而不改变其强度参数T0及p0。☻环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约为m=1.42×1021kg，如海水温度降低3.36×10–6K，其热力学能减小量相当于20世纪80年代中期全球一年用电量。☻系统与环境平衡的状态称为“死态”，在死态系统的热力学能完全丧失转变为机械能的能力。因此，各种形式能量中可转变为功的部分的计算都以环境状态为基点。5三、系统能量分析方法X目的：确定系统各部位的能量损失的性质、大小，提高系统或装置对能量利用的效率。X方法：第一定律分析法和第二定律分析法‹依据—能量在数量上守恒；‹方法—计算各部位能量转换、传递、利用和损失的数量，确定该系统的能量利用或转换效率；‹特征—能量数量上的平衡，考虑了能量数量利用程度，反映能量数量的“外部损失”。如蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排烟和不完全燃烧损失、汽轮机和管道等的散热损失及冷凝器的热损失；‹标志—装置的热效率。☻第一定律分析法6☻第二定律分析法‹依据—综合第一定律、第二定律；‹方法—从能量的数量和质量来分析系统各部位揭示出能量中的转换、传递、利用和损失情况；‹特征—抓住不可逆过程中转变为　、　不可能转变为，揭示系统内部能量“质”的贬值和损耗；‹标志—系统效率7X两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同设备能量损失占输入能量的比（%）损失占输入量的比（%）锅炉：燃烧过程传热过程烟道损失其他损失汽轮机冷凝器加热器其他合计9≈047≈03594929.714.90.683.7241.51.05.561某蒸汽动力装置两种分析结果8系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。§2-7一、热量和冷量X热量0x,01QTeqqTsTΔ⎛⎞=−=−⎜⎟⎝⎠X热量　sTTTqanΔ==00X冷量X冷量　x,'021'()nQaqeTss′=−=−a012cqTsqΔ=−9二、闭口系统工质的热力学能x,U000000000000()()()()()()eupvTsuupvvTssuupvvTss=−Δ−Δ+Δ=−−−+−=−+−−−闭口系统工质的　为：,U,U00000()()nxaueupvvTss=−=−−+−闭口系统由状态1变化到状态2时的最大可用功12x,Ux,U1010120202()()eeupvTsupvTs−=+−−+−)()()(21021021ssTvvpuu−−−+−=10三、稳流开口系统工质的焓x,H0000000()()()()ehhTsshTshTs=−+−=−−−开口系统工质　,H,H000()nxahehTss=−=+−当开口系统从初态1变化到终态2时，工质所能做的最大有用功就是初态与终态焓之差12x,Hx,H101202()()eehTshTs−=−−−11熵图四、熵图和焓图12焓图—正丁烷压力：105Pa13§2-8损失和平衡方程一、不可逆过程的损失和减原理孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均造成机械能损失，任何不可逆过程均是ΔSiso0，所以熵产与损失存在必然联系。例11HqsTΔ=−a)热能机械能2LqsTΔ=2netw热源：失q1冷源：得q20sΔ=热机：输出141212isoHLHL00qqqqsTTTTΔ=−++=−+≥rev“=”irrev“”1t,revt,irrevnet,revnet,irrevqwwηη⎯⎯⎯→同样不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（）减少若可逆循环，循环净功及放热中的02x,rev12210102LL()1TqeqqqqTqTsTTΔ⎛⎞=−+−=+=−⎜⎟⎝⎠若不可逆循环，循环净功及放热中的02x,irrev12210102LL()1TqeqqqqTqTsTTΔ⎛⎞′′′′=−+−=+=−⎜⎟⎝⎠x,revx,irrev1021020220g()()IeeqTsqTsTssTsΔΔΔΔ′′=−=−−−=−=15b)热量：高温→低温AAqsTΔ=−iso110BAsqTT⎛⎞Δ=−≥⎜⎟⎝⎠rev“=”irrev“”若不可逆，TATB，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大意味损失。损失值为从A传出热量中含的与从B传出热量中含之差。BBqsTΔ=A：失qB：得q0011ABTTIqqTT⎛⎞⎛⎞=−−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠00g11BAqTTsTT⎛⎞=−=⎜⎟⎝⎠16c)机械功（或电能）转化为热能输入WsQ（=Ws），气体由T1上升到T2，v1=v2。工质熵变221rev1δln0VTQSmcTTΔ==∫工质热能不可能100%转变成机械能，故ΔSiso0还是意味损失。iso0SSSS外界ΔS外=0Δ=Δ+Δ=Δ外工质工质sx,s00[]UIWEWUTSpV=−Δ=−Δ−Δ+Δ工质损失等于输入轴功与气体热力学能的增量差由于容器体积不变，散热不计，输入轴功等与热力学能增量，气体熵增即为过程熵产00ITSTS=Δ=g工质17d)有压差的膨胀（如自由膨胀）2g1ln0vsRvΔ=iso0ssΔ=Δ2g01lnvQRTv=iso0sΔ=孤立系熵增（即熵增）意味损失，0=WQW=2g1lnvsRvΔ=2g01lnvQsRTv−Δ==−外界0sΔ=外界20g0g1lnvIWTSTRv===0gITS=18一切自发过程都不可逆——转变为　无法改变，任何不可逆过程必引起损失，因此实际过程中不守恒。X孤立系统的减少原理：——孤立系统中一切实际的或不可逆的过程都使系统的减少，其极限（所有过程都可逆）使系统的保持不变。任何使孤立系统的增加的过程是不可能发生的。X系统或过程平衡方程：输入系统的—输出系统的—损失=系统的变化19二、封闭系统的平衡方程21x,x,losx,x,QuUUEWEEE−−=−x,losx,ux,QUEEWE=−−Δ或损失系统输出的有用功机械功热量20x,1r1δQTEQT⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠∫热力学能差21x,x,x,21021021()()UUUEEEUUpVVTSSΔ=−=−+−−−x,u12021()WEWWpVV−==−−20X损失和熵产能量平衡：热源熵变量：环境熵变量：封闭系统不可逆过程的损失，等于该系统及其外界组成的孤立系统熵增（或过程熵产）与环境温度的乘积。000QSTΔ=−()x,los021r00iso0gETSSSSTSTS=−+Δ+Δ⎡⎤⎣⎦=Δ=021021u[()]0QQUUpVVW+−−+−+=2r1rδQST−Δ=∫20x,losux,1r221021021u01r1δδ()()UTEQWETQQUUpVVTSSWTT⎛⎞=−−−Δ⎜⎟⎝⎠=−+−−+−−−∫∫21三、稳定流动系统平衡方程系统能量平衡：熵方程222021021f2f1u0g1r11δ()()2TQHHTSSmccWTST⎛⎞−=−−−+−++⎜⎟⎝⎠∫20021g1rδ()QQTSSST⎡⎤=−+−⎢⎥⎣⎦∫2021g1r0δQQSSSTT−=++∫22021f2f1u()2mQQHHccW+=−+−[phone]f2f1u0g1r11δ()()2TQHHTSSmccWTST⎛⎞−=−−−+−++⎜⎟⎝⎠∫22010010f11r220020f2u0g1δ()()2()()2TmQHHTSScTmHHTSScWTS⎛⎞−+−−−+⎜⎟⎝⎠=−−−+++∫1222x,x,f1x,f2x,0g22QHHWmmEEcEcETS++=+++2122x,x,x,f2f1x,0g()()2QHHWmEEEccETS=−+−++20x,x2x1ux,los1r1δQTQEEEWET⎛⎞−==−++⎜⎟⎝⎠∫2xx,f12HEEc=+物流移项例2-7.ppt下一章230a1H1TqqT⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠a1012qqTs因T0基本恒定，故qun∝s12Δ−=−01un1a10012HHTqqqqqTTsTTΔ−=−===★热量的可用能—热量讨论：1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高分额，称为热量；242）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除减少，称为热量　；3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，但循环中排向低温热源的热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是废热（　）。4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上讲不是状态参数。★冷量的作功能力冷量—低于环境温度传递的热量。25a0δ1δTqqT⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠0acδ1δTqqT⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠20ac11δTqqT⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠∫()ca01δδTqqT⎛⎞=−+⎜⎟⎝⎠2c0c1qTqTδ=−∫a012cqTsqΔ−=−a012cqTsqΔ−=−—冷量可用能a1012qqTsΔ−=−—热量可用能：26讨论：1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号；2）物体吸热，热量中可用能使物体作功能力增大；但物体吸冷，使物体的作功能力下降，即“热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。”3）热（冷）量可用能与T的关系。27x,12341112561QEQ=≤面积面积cx,c12341,,112651QEQ==面积面积28★定质量物系的作功能力（热力学能）工质的作功能力——工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。29气体从初态（p，T）（p0，T0）据u,10δδdδδddquwwquwqupvΔ=+=−=−−微卡诺机()0net0δδ1δδTqwqTqTT⎛⎞=−−=−⎜⎟⎝⎠uu,1netδδδ=+00δδddδqqupvTqT=−−+−00ddduTspv=−+−()()umax00000wuuTsspvv=−−−+−30讨论：1）相对于p0，T0，wu，max是状态参数，称之为热力学能，用Ex,U（ex,U）表示。2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。()()12u,max,12x,x,12012012UUweeuuTsspvv−=−=−−−+−3）pp0，TT0时物系的作功能力4）因是最大有用功，所以一切过程必须可逆；最终向环境排热。如：真空系统作功能力=p0v5）可用