热力学二定律PPT课件

1、本章重点本章重点1.1.深入理解热力学第二定律的实质，及其揭深入理解热力学第二定律的实质，及其揭示的规律；示的规律；2.2.深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。及其特什么基础上引出的。怎样引出的。及其特点；点；3.3.系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法；握熵变的计算方法；4 4深入理解熵增原理深入理解熵增原理, ,并掌握其应用；并掌握其应用；5 5深入理解能量的可用性，掌握作功能力损深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法。失的计算方法。第2页/共82页第1页/共82

2、页能量之间能量之间数量数量的关系的关系热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行的过程是否都能自发进行第3页/共82页第2页/共82页自发过程的方向性自发过程的方向性自发过程：自发过程：不需要任何外界作用而自动不需要任何外界作用而自动进行的过程。进行的过程。自然界自发过程都具有方向性。自然界自发过程都具有方向性。F热量由高温物体传向低温物体；热量由高温物体传向低温物体；F摩擦生热；摩擦生热；F水自动地由高处向低处流动；水自动地由高处向低处流动；F电流自动地由高电势流向低电势。电流自动地由高电势流向低

3、电势。第4页/共82页第3页/共82页功功量量自发过程具有方向性、条件、限度。自发过程具有方向性、条件、限度。摩擦生热热量热量100%热量热量发电厂功量功量40%放热放热自发过程的方向性自发过程的方向性第5页/共82页第4页/共82页51 热力学第二定律热力学第二定律一、自发过程的方向性一、自发过程的方向性只要只要Q不大于不大于Q，并不违反第一定律并不违反第一定律QQ?第6页/共82页第5页/共82页重物下落，水温升高重物下落，水温升高; ;水温下降，重物升高水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一水降内能减少，不违反第一定律。定律。电流通过

4、电阻，产生热量电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向对电阻加热，电阻内产生反向电流电流？只要电能不大于加入热能，不只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。违反第一定律。第7页/共82页第6页/共82页归纳：归纳：1）自发过程有）自发过程有方向性方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，）自发过程的反方向过程并非不可进行， 而是而是要有要有附加条件附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的能量转换方向性的实质是实质是能质能质有差异有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能机械能，电能部分可转换能部分可转换能热能热能0

5、TT 不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环境介质的热力学能第8页/共82页第7页/共82页能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。补偿过程，其总效果是总体能质降低。12netqqw代价代价12TT 2q21TT 2qnet12wqq代价代价第9页/共82页第8页/共82页二、第二定律的两种典型表述二、第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述：克劳修斯叙述： 热量不可能热量不可能自发地、不付代价地自发地、不付代价地从低温物体传向从低温物体传向高温物体。高温物体。2.开尔文开尔文-普朗克叙述普朗克叙述： 不可能制造从单一不

6、可能制造从单一热源热源吸热，使之吸热，使之全部全部转化为功转化为功而不留下其他而不留下其他任何变化任何变化的的热力发动机热力发动机。第二类永动机是不存在的。第二类永动机是不存在的。 设想一台机器，从环境大气或海水里吸热不断获设想一台机器，从环境大气或海水里吸热不断获得机械功，这种单一热源下作功的动力机称为第二类得机械功，这种单一热源下作功的动力机称为第二类永动机。其不违反热力学第一定律，但违背热力学第永动机。其不违反热力学第一定律，但违背热力学第二定律。二定律。第10页/共82页第9页/共82页热力学第一定律和第二定律是由无数经验总结的规律热力学第一定律和第二定律是由无数经验总结的规律具有广泛

7、的适用性和高可靠性。具有广泛的适用性和高可靠性。理想气体可逆等温膨胀理想气体可逆等温膨胀TtQWW环境一个热源环境一个热源? ?吸收热量全部转变成功吸收热量全部转变成功? ?T1 失去失去Q1 Q2T2 无得失无得失热机净输出功热机净输出功Wnet= Q1 Q2第11页/共82页第10页/共82页S. 卡诺卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国人，卡诺循环和卡诺定理，热）法国人，卡诺循环和卡诺定理，热二律奠基人。二律奠基人。52 卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理第12页/共82页第11页/共82页一、卡诺循环及其热效率一、卡诺循环及其热效率

8、1. 卡诺循环：包括两个可逆定温和两个可逆绝热过程。卡诺循环：包括两个可逆定温和两个可逆绝热过程。21绝热压缩是是两两个热源的个热源的可逆可逆循环循环32等温吸热43绝热膨胀14等温放热q1q2THTLRcq1q2wnet第13页/共82页第12页/共82页2. 卡诺循环热效率卡诺循环热效率net2t111wqqq 31g2lnHvqR Tvq1q22-3和和4-1过程热量：过程热量：42g1lnLvqR Tv绝热过程绝热过程3-4和和1-2：13443HLTTvTTv12112HLTTvTTv4132vvvv2Lt111HqTqT 第14页/共82页第13页/共82页24 1L14qqqTs

9、s放HL23LcH23H1TTsTTsT 12 3H32qqqTss 吸net12qqqHL23netTTsw第15页/共82页第14页/共82页讨论：讨论：cHL,f T T2）LH0,TT 3）LHc,0TT若第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。 4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆；一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难；气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。输出净功极微。 5）卡诺循环指明了一切热机提高热卡诺循环指明了一

10、切热机提高热 效率的方向。效率的方向。LcH1TT 1）cnet1wqHL,TTc1即即循环净功小于吸热量，必有放热循环净功小于吸热量，必有放热q2。第16页/共82页第15页/共82页二、逆向卡诺循环二、逆向卡诺循环 制冷系数制冷系数：cccnet0cqqwqqc23c0c230cTsTTTsTT1c可大于，小于，或等于TcT- -Tc c第17页/共82页第16页/共82页供暖系数供暖系数：11cnet12qqwqqR41RR041R0TsTTTsTTc1TRTR- -T0 c第18页/共82页第17页/共82页三、概括性卡诺循环三、概括性卡诺循环 1. 回热和极限回热回热和极限回热 2L

11、1212qmnTs面积net122t1111wqqqqqq 2. 概括性卡诺循环及其热效率概括性卡诺循环及其热效率1H34343qopTs面积L12LH34H11TsTTsT c第19页/共82页第18页/共82页四、卡诺定理四、卡诺定理 定理定理1：在在相同温度相同温度的高温热源和相同的低温热源的高温热源和相同的低温热源 之之间工作的间工作的一切可逆循环一切可逆循环，其，其热效率都相等热效率都相等，与可逆循环，与可逆循环的的种类无关种类无关，与采用哪种，与采用哪种 工质也无关工质也无关。 定理定理2：在同为温度在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的冷源的冷源 间间工作的工作的一

12、切不可逆循环一切不可逆循环，其热效率必，其热效率必小于可逆循环热效小于可逆循环热效率率。 理论意义：理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低降低T2； 2）提高热机效率的极限。提高热机效率的极限。第20页/共82页第19页/共82页 在在相同温度相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的高温热源和相同的低温热源之间工作的的一切可逆循环一切可逆循环，其，其热效率都相等热效率都相等，与可逆循环的，与可逆循环的种类种类无关无关，与采用哪种，与采用哪种工质也无关工质也无关。卡诺定理推论一卡诺定理推论一T1T2RARBQ1Q1Q2AQ2BWAWB循环净功

13、：循环净功：WA= Q1 Q2A；WB= Q1 Q2B热效率为：热效率为：A= WA /Q1；B= WB /Q1 求证：求证： tRA = tRB 若若 tRA tRB tRB tRA 只有：只有： tRA = tRB第21页/共82页第20页/共82页tRAtRB令热机令热机B反向成为制冷机，从反向成为制冷机，从T2吸热吸热Q2B，向，向T1排热排热Q1，消耗净功，消耗净功WB，WB由热机由热机A提供，只占提供，只占WA中的中的一部分。一部分。热机热机A和制冷机和制冷机B联合运行结果：联合运行结果： A和和B中工质回复到原状；中工质回复到原状； 高温热源无所得失；高温热源无所得失； 低温热源

14、净失热量低温热源净失热量Q2B Q2A； 联合系统对外输出净功联合系统对外输出净功WA WB。由能量守恒定律：由能量守恒定律：假设假设22ABABWWQQ 及 T1T2RARBQ1Q1Q2AQ2BWBWA- WBWA WB= Q2B Q2A将低温热源热量转变为功，违反热力学第二定律开尔文表述，假定将低温热源热量转变为功，违反热力学第二定律开尔文表述，假定tRA tRB不成立。不成立。第22页/共82页第21页/共82页tRBtRA令热机令热机A反向成为制冷机，从反向成为制冷机，从T2吸热吸热Q2A，向，向T1排排热热Q1，消耗净功，消耗净功WA，WA由热机由热机B提供，只占提供，只占WB中中的

15、一部分。的一部分。热机热机B和制冷机和制冷机A联合运行结果：联合运行结果： A和和B中工质回复到原状；中工质回复到原状； 高温热源无所得失；高温热源无所得失； 低温热源净失热量低温热源净失热量Q2A Q2B； 联合系统对外输出净功联合系统对外输出净功WB WA。由能量守恒定律：由能量守恒定律：假设假设22ABABWWQQ 及 T1T2RARBQ1Q1Q2AQ2BWAWB- WAWB WA= Q2A Q2B将低温热源热量转变为功，违反热力学第二定律开尔文表述，假定将低温热源热量转变为功，违反热力学第二定律开尔文表述，假定tRB tRA不成立。不成立。只有：只有： tRA = tRB第23页/共8

16、2页第22页/共82页五、多热源可逆循环五、多热源可逆循环 1. 平均吸（放）热温度平均吸（放）热温度2m211dqT sTss注意：注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义仅在可逆过程中有意义12m2TTT2. 多热源可逆循环多热源可逆循环2t11 21111 21qB mnqA mn 面积面积21m21dT sTssmLLmHH111TTqrmnqopmnoTT 面积面积2)第24页/共82页第23页/共82页循环热效率归纳：循环热效率归纳：net2t111wqqq mm1TT 放吸LH1TT 适用于一切工质，任意循环适用于一切工质，任意循环适用于多热源可逆循环，任意工质适用于多热源可逆循环，

17、任意工质适用于卡诺循环，概括性卡诺循环，适用于卡诺循环，概括性卡诺循环，任意工质任意工质第25页/共82页第24页/共82页53 熵和热力学第二定律的数学表达式熵和热力学第二定律的数学表达式一、熵是状态参数一、熵是状态参数1.证明证明：任意可逆过程可用一组任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程组成的绝热及等温过程组成的 过程替代。过程替代。如图，如图，1-2可用可用1-a，a-b-c及及c-2代替。代替。需证明：需证明： 1-a及及1-a-b-c-2的功和热量的功和热量分别相等。分别相等。BDFAwa1DECw21GECABwcaGFwc2令面积令面积第

18、26页/共82页第25页/共82页1212a caa ccwwww 1212acuu )()(GFGECABAFECFDFECB21wECD12121 212a cquwq 1212aca cuw 又又所以所以第27页/共82页第26页/共82页2. 熵参数的导出熵参数的导出2r2t1r111QTQT 12r1r20QQTT12r1r2QQTT任一卡诺循环任一卡诺循环a-b-f-g-a，a-b为定为定温吸热过程，工质和热源温度温吸热过程，工质和热源温度都为都为Tr1，吸热量，吸热量Q1；f-g为定温为定温放热过程，工质和热源温度都放热过程，工质和热源温度都为为Tr2，吸热量，吸热量Q2；注意：

19、注意： Q2符号为符号为“-”第28页/共82页第27页/共82页全部微元卡诺循环积分：全部微元卡诺循环积分：任意工质经任一可逆循环，任意工质经任一可逆循环，Qrev/T沿循环的积分为零。沿循环的积分为零。12r1r212210ABQQTT 统一写成：统一写成：rr12210revrevABQQTT r00revrevQQTT克劳修斯积分等式克劳修斯积分等式第29页/共82页第28页/共82页或或克劳修斯定义克劳修斯定义熵（熵（entropy）rrevrevQQTTdS rrevrevqqTTds rr2112revrevBBQQTT 因为因为rr12210revrevABQQTT rrr12

20、122211revrevrevrevABQQTTQQTT 从状态从状态1到状态到状态2，无论沿哪条可逆路线，无论沿哪条可逆路线，Qrev/Tr积分积分值均相同。值均相同。2211revQTSdS第30页/共82页第29页/共82页二、克劳修斯积分不等式二、克劳修斯积分不等式用一组等熵线分割循环用一组等熵线分割循环可逆小循环可逆小循环不可逆小循环不可逆小循环可逆小循环部分：可逆小循环部分：0revQT不可逆小循环部分：不可逆小循环部分：2r21r111QTQT r0qT 全部微元循环，即可逆循环和全部微元循环，即可逆循环和不可逆循环求和，积分为：不可逆循环求和，积分为：0revQT克劳修斯积分克

21、劳修斯积分不等式不等式第31页/共82页第30页/共82页可逆循环，可逆循环， “=”不可逆循环，不可逆循环，“s2（可逆达可逆达终态），如：终态），如：22gg11lnlnln2VTvscRRTv gln2sR 0sTqq=03)2211rqssT并不意味着并不意味着IRRss,12,12因为：因为：第35页/共82页第34页/共82页3）由克氏不等式由克氏不等式1 22 1rr0ABIRRqqTT与第二定律表达式相反与第二定律表达式相反！？！？2 12 1rr0ABIRRqqTT2 12 1rrBARIRqqTT122 1rAIRqssT第36页/共82页第35页/共82页四、不可逆绝热过

22、程熵增四、不可逆绝热过程熵增2100dSSS五、相对熵及熵变量计算五、相对熵及熵变量计算,p Tp TqssT,基准点基准点绝对熵绝对熵：以熵值为零的起点计算的熵，称为：以熵值为零的起点计算的熵，称为绝对熵绝对熵。相对熵相对熵：基于给定的某一参照状态（基准点，：基于给定的某一参照状态（基准点，S基准点基准点=0或或S基准点基准点=某一值某一值 ），计算得出），计算得出的熵，称为的熵，称为相对熵相对熵。通常，理想气体选取标准状态熵为零，水和水蒸气取三相点时液态水的熵为零。通常，理想气体选取标准状态熵为零，水和水蒸气取三相点时液态水的熵为零。第37页/共82页第36页/共82页过程熵的计算过程熵的

23、计算1 21 213321442ABssssss 设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。 熵是状态参数，只要熵是状态参数，只要1和和2是平衡状态，无论是平衡状态，无论1到到2经历何种过程，是否可逆，均有确经历何种过程，是否可逆，均有确定的定的S1和和S2。通过选取合适的可逆过程计算熵差。通过选取合适的可逆过程计算熵差。21 21revQsT右图熵差：右图熵差：2,lnlnsp lp vssTTsccTTT 熵具有可加性：熵具有可加性：如温度如温度T1液体定压加热到液体定压加热到

24、T2蒸气，总熵变蒸气，总熵变=液体熵液体熵变变+汽化熵变汽化熵变+蒸气熵变蒸气熵变第38页/共82页第37页/共82页54 熵方程与孤立系统熵增原理熵方程与孤立系统熵增原理一、熵方程一、熵方程1. 熵流和熵产熵流和熵产rdqsT其中其中2f1rqsT吸热吸热 “+ +”放热放热 “”绝热绝热 “0 0”系统与外界系统与外界换热换热造成系造成系统熵的变化统熵的变化。grdqssTfgssfgsss （热）熵流（热）熵流对于任意微元过程：对于任意微元过程：= =：可逆过程：可逆过程 ：不可逆过程：不可逆过程QdST第39页/共82页第38页/共82页s sg g熵产，熵产，非负非负不可逆不可逆 “

25、+ +”可逆可逆 “0 0”系统进行系统进行不可不可逆过程逆过程造成系造成系统熵的增加统熵的增加例例：若若TA = TB，可逆，取可逆，取A为系统为系统21AAARQQSTT 22f11rBBAQQQQSTTTT g0S 第40页/共82页第39页/共82页取取B为系统为系统21BBBRQQSTT若若TATB，不可逆，取不可逆，取A为系统为系统21AAARQQSTT 22f11rAABQQQQSTTTTg0S 22f11rBBQQQSTTT gf110ABBAQQSSSQTTTT 第41页/共82页第40页/共82页 单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若

26、不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。产提供。 任意不可逆过程任意不可逆过程gfdSdSdSfgSSS 0S f0Sg0S可逆过程可逆过程f0SS g0S不可逆绝热过程不可逆绝热过程0Sf0Sg0S可逆绝热过程可逆绝热过程0Sf0Sg0S不易求不易求第42页/共82页第41页/共82页 2. 熵方程熵方程 考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流，熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵流，熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程应为：熵方程应为： 流入流入系统熵系统熵-流出流出系

27、统熵系统熵+熵产熵产=系统系统熵增熵增其中其中流入流入流出流出热迁移热迁移质迁移质迁移造成的造成的热热熵流熵流质质熵流熵流第43页/共82页第42页/共82页r,li ilQm sTgr,dlCVi ijjlQSmsm sSTjjm sgSf,g()iijjlSs msmSSi im sjjm srllQTWdCVS流入流入流出流出熵产熵产熵增熵增,dCVf mf QgSSSS开口系统开口系统熵方程熵方程第44页/共82页第43页/共82页 熵方程核心：熵方程核心： 熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆，所以

28、熵在能量转移发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），过程中自发产生（熵产），因此熵是不守恒的，熵产是因此熵是不守恒的，熵产是熵方程的核心熵方程的核心。闭口系熵方程：闭口系熵方程：fg00ijmmsss 闭口绝热系：闭口绝热系：g00qss 可逆可逆“=”不可逆不可逆“”f,g( )iijjlSs ms mSS闭口系：闭口系：第45页/共82页第44页/共82页绝热稳流开系：绝热稳流开系：f21g00ssss12CVd0mmmS稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流进，一股流出）稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流进，一股流出）稳流开系：稳流开系：12fg0ssmSS2

29、1fgssssf,g( )iijjlSs ms mSS第46页/共82页第45页/共82页二、孤立系统熵增原理二、孤立系统熵增原理fgiijjSs ms mSS因为是孤立系因为是孤立系f0000ijlmmQSisogd0SS可逆取可逆取 “=”不可逆取不可逆取“” 孤立系统熵增原理：孤立系统熵增原理： 孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，极限情况孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，极限情况时，可逆过程系统熵保持不变时，可逆过程系统熵保持不变。由熵方程由熵方程第47页/共82页第46页/共82页讨论：讨论：1）孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为可作为第二定律的第二定律的又

30、一数学表达式，而且是又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式更基本的一种表达式；2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别根据熵增原理判别过程进行的方向过程进行的方向；4）孤立系统中一切过程孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即均不改变其总内部储能，即 任任意过程中意过程中能量守恒能量守恒。但各种不可逆过程均可。但各种不可逆过程均可 造成机械能造成机械能损失，而损失，而任何不可逆过程均是任何不可逆过程均是Siso0， 所以所以熵可反映某熵可反映某种物质的共同属性种物质的共同

31、属性。第48页/共82页第47页/共82页a）单纯传热过程）单纯传热过程AATqsqA失:iso110BAsqTTR “=” IR “” 若不可逆，若不可逆，TATB,，以以A为热源为热源B为冷源，利用为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵孤立系熵增大增大这里也意味着这里也意味着机械能损失机械能损失。BBTqsqB得:第49页/共82页第48页/共82页11QST 热iso12120SSSSQQTT 热冷R “=”IR “”1,net,net,Qt Rt IRRIRww 同样不可逆使不可逆使孤立系熵增大孤立系熵增大造成后果是造成后果是机械能

32、（功）减少。机械能（功）减少。22QST冷0Sb）热转化为功）热转化为功热源失热源失Q1:冷源得冷源得Q2:热机输出功热机输出功Wnet:第50页/共82页第49页/共82页c) 机械功（或电能）转化为热能机械功（或电能）转化为热能输入输入WsQ（=Ws），），气体由气体由T1 上升到上升到T2，v1=v2。工质熵变工质熵变2211ln0VRTQSmcTT工质外界外界 S外外=0 由于热能不可能由于热能不可能100%转变成机械能而不留任何转变成机械能而不留任何影响，故这里影响，故这里Siso0还是意味还是意味机械能损失机械能损失。iso0SSSS 外工质工质第51页/共82页第50页/共82页

33、d) 有压差的膨胀（如自由膨胀）有压差的膨胀（如自由膨胀）2g1ln0vsRv iso0ss 2g01lnvQR Tviso0s孤立系熵增意味机械能损失孤立系熵增意味机械能损失0外界s0W12lnvvRsg120lnvvRTQsg外界QW 第52页/共82页第51页/共82页55 系统的作功能力（系统的作功能力（ ，Exergy）及）及熵产与作功能力损失熵产与作功能力损失 系统与外界有系统与外界有不平衡不平衡存在，即具备作功能力，作存在，即具备作功能力，作功能力也可称为功能力也可称为有效能，可用能有效能，可用能等。等。一、一、 （Exergy）及）及 Anergy Exergy：从任意状态可逆

34、地变化到与环境相平衡的状：从任意状态可逆地变化到与环境相平衡的状态时，作出的最大有用功，称为态时，作出的最大有用功，称为Exergy；Anergy：在环境条件下，不可能转化为有用功的那部：在环境条件下，不可能转化为有用功的那部分能量，称为分能量，称为Anergy。xnEEA 无限转换能量，如机械能、电能，无限转换能量，如机械能、电能，An=0，Ex=E; 不能转换能量，如环境热能，不能转换能量，如环境热能，An=E，Ex=0; 部分转换能量，如热能，部分转换能量，如热能，AnE，ExT0）所提供的热量）所提供的热量中可转换为有用功的最大值，称为中可转换为有用功的最大值，称为热量热量Exergy

35、，记为，记为Ex,Q。0,1x QTEQT热量热量Anergy：0,n Qx QTAQEQT热量热量Exergy：220,0111x QTQEQQTTTAB145236TsEx,QEx,QT0An,QSdS热量热量Exergy和热量和热量Anergy图图第54页/共82页第53页/共82页因为过程可逆，因为过程可逆，QdST因而因而,0 x QEQTS热量热量Anergy为为,0n Qx QAQETS若系统以恒温若系统以恒温T供热，相应的热量供热，相应的热量Exergy和热量和热量Anergy为：为：0,0,001x Qn QTEQQTSTQATTST第55页/共82页第54页/共82页讨论讨

36、论： 1）Ex,Q是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高分额份额，称为高分额份额，称为热量热量Exergy ； 2）An,Q是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，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，称为少，称为热量热量Anergy ； 3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，）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中的内热能全

37、部是废热废热。 4）Ex,Q与热源放热过程特征有关，因此与热源放热过程特征有关，因此Ex,Q 从严格意从严格意义上讲不是状态参数。义上讲不是状态参数。第56页/共82页第55页/共82页 三、冷量的作功能力三、冷量的作功能力冷量冷量Exergy 在低于环境温度在低于环境温度T0的条件下，系统（的条件下，系统（TT0）吸入的热量）吸入的热量中可转换为有用功的最大值，称为中可转换为有用功的最大值，称为冷量冷量Exergy，记为，记为Ex,Q0。AB326415TsTT0Q0SEx,Q0T0AB326415TsTT0SEx,Q0Q0T0冷量冷量Exergy和冷量和冷量Anergy图图（a）恒温系统）

38、恒温系统（b）变温系统）变温系统第57页/共82页第56页/共82页0,01x QTEQT00,0001x QTEQTSQT 0,0n QATS整理得：整理得：在环境热源和系统冷源之间，设有一可逆卡诺机，从环在环境热源和系统冷源之间，设有一可逆卡诺机，从环境吸热境吸热Q，向冷源放热。系统冷源吸入热量，向冷源放热。系统冷源吸入热量Q0中可转换中可转换为有用功的最大值，即为为有用功的最大值，即为冷量冷量Ex,Q0。由能量守恒：由能量守恒：0,0 x QQEQ冷量冷量Anergy为：为：第58页/共82页第57页/共82页若为若为TT0的变温的变温系统相同方法，导出系统相同方法，导出冷量冷量Exer

39、gy。020,011x QTEQT热量热量Exergy冷量冷量Exergy0,01x QTEQQTST00,0001x QTEQTSQT 1）热量）热量Exergy和冷量和冷量Exergy计算式差一负号；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）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，即力下降，即“热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。”讨论：讨论：第59页/共82页第58页/共82页热（冷）量热（冷）量Exergy与与T的关系的关系:,0,x QEQT=T0时，时，热

40、量热量Exergy为零；为零；, x QEQTT0时，时，随随T增加而增大；增加而增大；,1,x QEQT时，时，但永远小于但永远小于1；, x QEQTT0时，时，随随T增加而减小；增加而减小；,1,x QEQ1/2T0TT0时，时，冷量冷量Exergy数值上小于冷量；数值上小于冷量；,1,x QEQT1/2T0时，时，冷量冷量Exergy数值上大于冷量。数值上大于冷量。第60页/共82页第59页/共82页x,12341112561QEQ面积面积cx,c12341, , 112651QEQ 面积面积第61页/共82页第60页/共82页 四、闭口系工质的热力学能四、闭口系工质的热力学能Exer

41、gy 工质的作功能力工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备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到与环境平衡状态作出的最大有用功，称热力学能最大有用功，称热力学能Exergy，记为，记为Ex,U。第62页/共82页第61页/共82页气体从初态（气体从初态（p，T）（p0，T0）据据u,10dddquwwquwqupv 微卡诺机微卡诺机0net01TqwqTqTTuu,1net0000dd dddqwwwqupvTqTuT spv ,u,max00000,u,max00000 x Ux

42、 UewuuTsspvvEWUUTSSpVV第63页/共82页第62页/共82页讨论：讨论： 1）wu,max是状态参数，称之为是状态参数，称之为 热力学能热力学能 Exergy，用，用Ex,U（ex,U）表示。表示。 2）从状态）从状态1状态状态2，闭口系的最大有用功。，闭口系的最大有用功。12u,max,1 2x,x,12012012UUweeuuTsspvv3）pp0，TTB，以以A为热源，环为热源，环境为冷源。可逆境为冷源。可逆机吸热机吸热Q做出循做出循环净功环净功Wmax(A)。体系体系B从热源吸从热源吸热热Q,做出最大功做出最大功Wmax(B)。, ( ), ( )011()x Q

43、 Ax Q BBAIEETQTT损失为：损失为：恒温体系：恒温体系：第70页/共82页第69页/共82页不可逆过程的熵增大不可逆过程的熵增大为：为：0ABABisoTQTQSSS00isogITST S孤立系统的熵增等于熵产：孤立系统的熵增等于熵产：G-SG-S公式公式 用于孤立系统、开口用于孤立系统、开口系统和闭口系统不可系统和闭口系统不可逆逆ExergyExergy损计算。损计算。056AAQST 065BBQST6556550isoBASSS 上述上述T-s图上：图上：Exergy损失损失I为：为：0033 5 53isogITST S 面积第71页/共82页第70页/共82页据热力学第

44、一定律：面积据热力学第一定律：面积1-2-9-10-1 =面积面积3-4-8-10-3Ex,Q(A)=面积面积1-2-6-7-1An,Q(A)=面积面积6-9-10-7-6=T0(s2s1)Ex,Q(B) =面积面积3-4-5-7-3An,Q(B)=面积面积5-8-10-7-5=T0(s4s3) ,(),(),(),(),(),()034120iso0 g 58965x Q Ax Q BAn Q ABn Q Bn Q Bn Q AIEEQAQAAATssTsT s 面积变温体系：变温体系：第72页/共82页第71页/共82页循环循环123 41比循环比循环12341少输出的净少输出的净功即为不

45、可逆绝热功即为不可逆绝热膨胀过程膨胀过程2-3 造成造成的作功能力损失。的作功能力损失。0230iso0 gITsTsT s第73页/共82页第72页/共82页2. 闭口系统作功能力闭口系统作功能力Exergy损失损失可逆微元过程中可逆微元过程中,max00ddduwupvT s 不可逆微元过程中不可逆微元过程中0dduwqupv,maxuuIww0dT sq00dqTsT0f0gdTssT s0 gIT s第74页/共82页第73页/共82页3.稳流开系作功能力（稳流开系作功能力（Exergy ）损失）损失u,max0ddwhT s 微元不可逆过程：微元不可逆过程：utdwqhqhw u,maxuIww0 gIT s归纳：归纳：0g0isoIT STS微元可逆过程：微元可逆过程：000ddqT sqTsT0f0gdTssT s第75页/共82页第74页/共82页注意：注意：losIW可逆等温可逆等温2g 11lnvwR Tv不可逆绝热不可逆绝热2gg10lnwvssRv 20g1lnvIT RvloswwwI第76页/共82页第75页/共82页56 平衡方程及平衡方程及Exer