第5章-热力学第二定律PPT课件

1、5-1 热力学第二定律热力学第一定律 说明能量在传递和转化时的数量关系。热力学第二定律 说明能量在传递和转化时的方向、条件和限度。注意：必须同时满足热力学第一定律和热力学第二定律的过程才能进行。第1页/共108页1、自然过程的方向性（1）功转化热功可以自动地转化为热（摩擦生热）。热不可以自动地转化为功。功转化为热是不可逆过程。耗散效应是造成过程不可逆的原因。（2）有限温差传热热量可以自动地从高温物体传向低温物体。热量不可以自动地从低温物体传向高温物体。有限温差传热是不可逆过程。存在有限温差是造成过程不可逆的原因。第2页/共108页（3）自由膨胀 刚性绝热容器一侧充有气体，另一侧为真空。抽去隔板

2、，气体会自动地向另一侧膨胀。气体不可以自动压缩、返回原侧。自由膨胀是不可逆过程。存在有限压差是造成过程不可逆的原因。第3页/共108页（4）混合过程 容器两侧分别装有两种不同的气体。 抽去隔板，两侧的气体会自动地混合。 混合气体不可以自动地分离。混合过程是不可逆过程。存在浓度差是造成过程不可逆的原因。第4页/共108页自发过程和非自发过程自发过程 能够独立地、无条件地自动进行的过程。非自发过程 不能独立地自动进行、而需要补充条件的过程。自发过程属于不可逆过程，即自发过程的反向过程是非自发过程。第5页/共108页2、热力学第二定律(second law of thermodynamics)克劳修

3、斯说法从热量传递的方向性的角度提出： 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。热泵循环可以将热量从低温物体传至高温物体，但付出了代价：外界消耗功、机械能转化为热能。非自发过程的进行必须有自发过程（补偿过程）作为补充条件。第6页/共108页开尔文说法从热功转换的角度提出： 不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。即第二类永动机(perpetual-motion engine of the second kind)是不存在的。从热源吸收的热量不可能全部转化为功，即有一部分要排向冷源，这也说明非自发过程的进行必须有自发过程作为补充条件。“不留下其他任何

4、变化”是指系统和外界都没有留下变化。第7页/共108页理想气体等温膨胀，从单一热源吸热、且热量全部转化为功，但气体的状态发生了变化（压力降低、体积增大）。第8页/共108页两种说法之间的关系 两种说法是等效的。 采用反证法证明。即证明“违反说法A，则必然违反说法B” 或“违反说法B，则必然违反说法A”。第9页/共108页（1）假设开尔文说法不成立、而克劳修斯说法成立。克劳修斯说法成立 热量 从冷源传给热源，付出的代价是外界耗功 。开尔文说法不成立 从热源吸收热量 ，全部转化为功 。总效果：热量 不付代价地从冷源传向了热源，违背了克劳修斯说法。结论：如果开尔文说法不成立，则克劳修斯说法也不成立。

5、 2Q1WQ1Q2QW第10页/共108页（2）假设克劳修斯说法不成立、而开尔文说法成立。开尔文说法成立 从热源吸收热量 ，一部分转化为功 ，另一部分 排向冷源克劳修斯说法不成立 热量 不付代价地从冷源传向热源。总效果：从热源吸收热量（ ），全部转化为功，违背了开尔文说法。结论：如果克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立。1Q12WQQ2Q2Q12QQ第11页/共108页3、能量的品位及转换的方向性 能量按品位（质量）可以分为三种：无限可转换能 可以全部转换为任何其他形式能量，如机械能和电能。无限可转换能的品位最高。有限可转换能 可以部分地转换为机械能，如温度不同于环境温度的热源所具有的热能

6、。热源的温度越高，可转换为机械能的份额越大，热能的品位越高。第12页/共108页不可转换能 不可能转换为机械能，如环境温度下的热源所具有的热能。不可转换能的品位最低，为废热。热力学第二定律的实质是能量转换有明显的方向性：能量品位降低的过程可以自发进行；而能量品位升高的过程不能自发进行，必须有能量品位降低的过程作为补充条件，其总效果是能量品位降低。（高温物体热能的品位比低温物体高，因此热量可以自动地从高温物体传向低温物体，反之则不行。）（机械能的品位比热能高，因此机械能可以自动地转换为热能，反之则不行。）第13页/共108页5-2 卡诺循环和多热源可逆循环分析1、卡诺循环(Carnot cycl

7、e) 卡诺循环的提出 有限温差传热是不可逆过程。为了避免不可逆损失，理想的情况是实现无温差传热，即工质在热源温度下从热源定温吸热、在冷源温度下向冷源定温放热第14页/共108页卡诺循环的组成 卡诺循环是工作在热源 和冷源 之间的正向循环，由两个定温过程和两个定熵过程组成。 定温吸热ab绝热膨胀bc定温放热cd绝热压缩da。1T2T第15页/共108页卡诺循环的热效率吸热量： 放热量： 2211111netcwqTqqT 11lnbgavqR Tv22lncgdvqR Tv112/(/)kbccbTTTTvvcbdavvvv定熵过程：112/(/)kaddaTTTTvv热效率：注意：计算热效率时

8、，热量取绝对值。第16页/共108页卡诺循环的热效率只与热源温度 和冷源温度 有关。提高 或降低 （使温差增大）,可以提高热效率。（吸热前绝热压缩升温、放热前绝热膨胀降温）卡诺循环的热效率只能小于1，而不可能等于1或大于1。（如果热效率等于1，要求 或者 ，这是不可能实现的，这说明循环中热量不可能全部转化为功。) 当 时，卡诺循环的热效率等于0，这说明第二类永动机是不存在的，即：热源之间只有存在温差才能产生动力。1T2T1T 2T20T 12TT1T第17页/共108页卡诺循环难以实现的原因在p-v图上，最高压力和最大比体积过大，设备制造困难，且定温线和定熵线的斜率相差不大，导致循环净功不大。

9、气体的定温吸热和定温放热难以实现。第18页/共108页2、概括性卡诺循环概括性卡诺循环的组成 概括性卡诺循环是工作在热源 和冷源 之间的极限回热循环，由两个定温过程和两个多变指数相同的其他可逆过程组成。注意：概括性卡诺循环可以有无数个。回热(regeneration)：利用工质放出的热量来加热工质本身。 借助温度在热源和冷源之间连续变化的蓄热器，使两个可逆过程实现无温差传热。bc过程的放热量正好等于da过程的吸热量。经过循环，蓄热器没有变化。1T2T第19页/共108页第20页/共108页概括性卡诺循环的热效率吸热量： 放热量： 221111tcqTqT 11abqT s22dcqTs/abd

10、cbcadss 热效率： 即在相同温度的热源和冷源之间工作时，概括性卡诺循环的热效率等于卡诺循环的热效率。第21页/共108页3、逆向卡诺循环逆向卡诺循环的组成 逆向卡诺循环是由两个定温过程和两个定熵过程组成的逆向循环。 定温吸热dc绝热压缩cb定温放热ba绝热膨胀ad。第22页/共108页逆向卡诺循环的经济性指标吸热量： 放热量：2221212cnetqqTwqqTT22dcqTs11abqT sdcabss 1111212cnetqqTwqqTT1T2T制冷系数：降低 或提高 （使温差减小）,可以提高制冷系数和热泵系数。热泵系数：第23页/共108页4、多热源的可逆循环多热源可逆循环的组成

11、 有无穷多个热源和冷源，使吸热过程和放热过程都实现无温差传热。 循环的最高温度为 ，最低温度为 。 多热源可逆循环的热效率1T2T11qT s22qTs1T2T吸热量： 放热量： 、 分别是平均吸热温度和平均放热温度。第24页/共108页热效率：221111tqTTq 211cTT 1122,tcTT TT卡诺循环的热效率： 即在相同温度的热源和冷源之间工作时，多热源可逆循环的热效率低于卡诺循环的热效率。第25页/共108页5-3 卡诺定理1、定理一 在相同温度的热源和冷源之间工作的一切可逆循环的热效率都相等（等于卡诺循环的热效率），而与循环的种类和工质无关。第26页/共108页 采用反证法。

12、 A是理想气体的卡诺循环，B是实际气体的其他可逆循环。两者都是在热源 和冷源 之间工作的正向循环，吸热量都为 。 循环净功：热效率：1T2T1Q12AAWQQ12BBWQQ1/AAWQ1/BBWQ1T2T1Q1QAWBW2BQ2AQ第27页/共108页（1）假设 A仍为正向循环，B改为逆向循环，消耗的净功 由A提供。 经过循环，工质恢复到原来的状态，热源没有变化，冷源失去热量 ，对外界作功 。 即相当于冷源失去的热量全部转化为功，而不留下其他任何变化。这违反了热力学第二定律的开尔文说法，所以假设不成立。22BAQQAB22,ABABABWW QQ1T2T1Q1QABWWBW2BQ2AQABWW

13、22BAABQQWWBW第28页/共108页（2）假设 B仍为正向循环，A改为逆向循环，消耗的净功 由B提供。 经过循环，也相当于冷源失去的热量全部转化为功，而不留下其他任何变化。这违反了热力学第二定律的开尔文说法，所以假设也不成立。 因此，只有 ，定理一得证。AB1T2T1Q1QBAWWAW2BQ2AQ22,ABABABWW QQABAW第29页/共108页2、定理二 在相同温度的热源和冷源之间工作的一切不可逆循环的热效率都小于可逆循环的热效率。 同样用反证法。A为不可逆循环，B为可逆循环。（1）假设 A为正向循环，B为逆向循环，消耗的净功由A提供。 经过循环，相当于冷源失去的热量全部转化为

14、功，而不留下其他任何变化。这违反了热力学第二定律的开尔文说法，所以假设不成立。 AB1T2T1Q1QABWWBW2BQ2AQ第30页/共108页（2）假设 A为正向循环，B为逆向循环，消耗的净功由A提供。 经过循环，工质、热源和冷源全部恢复原状，没有留下其他任何变化。这与A为不可逆循环矛盾（不可逆过程必然会留下变化），所以假设也不成立。 因此，只有 ，定理二得证。ABAB1T2T1Q1QAW2BQ2AQBW第31页/共108页3、卡诺定理的意义(Carnot principles)说明一切能量转换过程都受到热力学第二定律的制约。提出了热效率的极限：指明了提高热效率的途径：尽量使过程接近于可逆；

15、尽可能地提高吸热温度、降低放热温度。211/cTT 第32页/共108页解：（1）理想情况为可逆循环，3001170%1000LcHTT 10.7 10070kJnetcWQ1800KT 2400KT 214001150%800tcTT 10.5 10050kJnettWQ1T2T（2）吸热温度： ，放热温度： ，属于有限温差传热的不可逆循环。假设在工质和热源（冷源)之间存在中间热源 （ ），就可以实现无温差传热，使不可逆循环变为在两个中间热源 、 之间工作的内可逆循环。1T2T例5-1：设工质在 的恒温热源和 的恒温冷源间按热力循环工作，已知吸热量为100kJ，求循环热效率和净功。（1）理想

16、情况无任何不可逆损失；（2）吸热时有200K温差，放热时有100K温差。1000KHT 300KLT 第33页/共108页5-4 熵、热力学第二定律的数学表达式1、状态参数熵的导出克劳修斯积分等式 任一可逆循环1A2B1用定熵线分成许多个微元循环，每个微元循环近似为卡诺循环。对于任一微元卡诺循环：2212111211rcrrrQTQQQTTT 12120rrQQTT热量由绝对值改为代数值， 第34页/共108页对所有微元卡诺循环求和： 上式称为克劳修斯积分等式(Clausius equality)，说明在可逆循环中，热量与热源温度的比值沿循环的积分（称为克劳修斯积分）等于0。熵的定义 可以表示

17、为某个状态参数的全微分： 1212211200revABrrrQQQTTT /revrQTrevrevrQQdSTT0dS 第35页/共108页可逆过程的熵变 即可逆过程的熵变等于热量与热源温度比值的积分。222111revrevrQQSdSTT第36页/共108页2、热力学第二定律的数学表达式克劳修斯积分不等式 任一不可逆循环1A2B1用定熵线分成许多个微元循环。对于任一微元可逆循环：12120rrQQTT2212111211rtcrrrQTQQQTTT 对于任一微元不可逆循环：热量由绝对值改为代数值， 12120rrQQTT第37页/共108页对所有微元循环求和： 上式称为克劳修斯积分不等

18、式(Clausiusinequality) ，说明在不可逆循环中，克劳修斯积分小于0。1212211200ABrrrQQQTTT 第38页/共108页不可逆过程的熵变 1B2为可逆过程，1A2为不可逆过程。当初、终态相同时，可逆过程的熵变与不可逆过程的熵变相等。121221BBBrrQQSTT 12210ABrrQQTT 可逆过程的熵变：不可逆循环（1A2B1）：212121ABrQSST 不可逆过程的熵变： 即不可逆过程的熵变大于热量与热源温度比值的积分。第39页/共108页热力学第二定律的数学表达式10rQT用克劳修斯积分表示： 上式用于判断循环能否实现及是否可逆：取等号为可逆循环，取小于

19、号为不可逆循环，取大于号的循环则不可能实现。注意：（1）热量的正负根据工质来确定；（2）可逆循环时，热源温度才等于工质温度。第40页/共108页热力学第二定律的数学表达式221rQST 用熵变表示： 上式用于判断过程能否实现及是否可逆：取等号为可逆过程，取大于号为不可逆过程，取小于号的过程则不可能实现。注意：热量的正负根据工质来确定。第41页/共108页3、绝热过程的熵变可逆绝热过程（定熵过程）不可逆绝热过程（熵增大）00adQS 210adSSS210adSSS第42页/共108页4、绝对熵、相对熵及熵变的计算绝对熵规定0K时的熵为0，以此为起点的熵称为绝对熵。相对熵 人为规定一个基准点的熵

20、为0，以此为起点的熵称为相对熵。 基准点不同，则相对熵不同，但熵变相同。,p Tp TqssssT 基准基准基准第43页/共108页基准点的选择理想气体 取标准状态（ ， ）为基准点。水和水蒸汽 取三相点为基准点，规定液态水的熵为0。熵变的计算 可以借助可逆过程来计算：0101325Pap 0273.15KT 21revQST 第44页/共108页相变过程的熵变 过冷液体（ ）定压加热，变为过热蒸汽（ ）。 分段计算，再求和。,ll vvssss 1T2T,1lnslp lTscT,/l vssT2,lnvp vsTscT预热过程：汽化过程：过热过程：总熵变：第45页/共108页解：（1）热机

21、的放热量：1100742.5357.5kJLHnetQQW1100357.50.275kJ/K01200300HLrHLQQQTTT 例5-2：有人设计一台热泵装置，它在393K和300K两个热源之间工作，热泵消耗的功由一台热机装置供给。已知热机在温度为1200K和300K的两个恒温热源之间工作，吸热量 ，循环净功 。问：（1）热机循环是否可行？是否可逆？（2）若热泵设计供热量 ，问该热泵循环是否可行？是否可逆？（3）求热泵循环理论最大的供热量 。1100kJHQ742.5kJnetW12400kJQ 1,maxQ循环判据： 因此，热机循环可以实现，是不可逆循环。 第46页/共108页（2）热

22、泵的吸热量：212400742.51675.5kJnetQQW121224001675.50.5819kJ / K0393300rQQQTTT 1,max1,max1,max1,max1,max21212742.50393300netrQQQWQQQQTTTTT1,max3137.7kJQ 循环判据： 因此，热泵循环可以实现，是不可逆循环。（3）理想情况是热泵循环为可逆循环：第47页/共108页解：（1）绝热过程判据：1.005kJ /(kg K)pc 2211lnln0.0722kJ/(kg K) 0pgTPscRTP 例5-3：初态为0.1MPa、288K的空气在压缩机中被绝热压缩到0.5

23、MPa，终温为（1）423K；（2）490K，问过程是否可行？是否可逆？设空气的气体常数 ，比热容按定值计算， 。0.287kJ /(kg K)gR 因此，该过程不可行。（2）绝热过程判据： 因此，该过程可行，是不可逆绝热过程。2211lnln0.0756kJ /(kg K) 0gf Qsss 1= 800KrT22257.26.049kJ/(kg K)373.15rqsT ,12257.22.8215kJ /(kg K)800f QrqsT,6.0492.82153.2275kJ/(kg K) 0gf Qsss 验证了有限温差传热过程为不可逆过程。（3）热源温度： ,说明：（1）初、终状态相

24、同，熵变也相同，与热源温度无关。（2）热源温度越高，传热温差越大，则不可逆损失越大，熵产越大。2= 373.15KrTT第55页/共108页解：取容器内的空间为控制体积，属于开口系统。开口系统能量方程式： 不对外作功， 。只有充气， 。充气量等于质量增加量， 。 。CVoutoutininiQdUhmhmW0iW0outminmdmCVinQdUh dm221 1021200220 00()inQUhmm umuh mmm uh mm p vp V 10m 例5-6：体积为V的刚性容器，初态为真空，打开阀门，大气环境中参数为 、 的空气充入。设容器壁具有良好的传热性能，充气过程中容器内空气保持

25、和环境温度相同，最后达到热力平衡，即 、 。试证明非稳态定温充气过程是不可逆过程0p0T20pp20TT第56页/共108页熵方程：00210/()CVinoutggSQ TSSSQ Tmm sS02102 21 102102 002 0000/()/()/0gCVSSQ Tmm sm sm sQ Tmm sm sQ Tm sQ Tp V T 因此，定温充气过程是不可逆过程。第57页/共108页5-6 孤立系统熵增原理1、孤立系熵增原理(principle of entropy increase)l孤立系熵增原理0isogSS注意：（1）孤立系统的总熵变等于各个子系统（工质、热源、冷源）熵变的

26、代数和；（2）计算熵变时，热量的正负是根据系统来确定的；（3）熵增原理只适用于孤立系统（或闭口绝热系统）。对于非孤立系统或孤立系统的子系统，熵可以增大、不变或减小。 即孤立系统中发生可逆过程时，熵不变；发生不可逆过程时，熵增大；使熵减少的过程不可能出现。 第58页/共108页例一 传热过程 物体A和B组成孤立系统。有限温差传热（ ） 物体A放热，物体B吸热。无温差传热（ ） 即：有限温差传热是不可逆过程，熵增大；无温差传热是可逆过程，熵不变。ABTT0isoABABQQSSSTT ABTT0isoABQQSTT AB第59页/共108页例二 热转化为功 热源、冷源和工质组成孤立系统。热源的熵变

27、 热源放热，冷源的熵变 冷源吸热，工质的熵变 经过一个循环，孤立系统的熵变12122112210isoTTQQQQSSSSTTTT 1T2T1QW2Q111/TSQ T 222/TSQT0SdS第60页/共108页可逆循环22121112110cisoQTQQSQTTT 22121112110tcisoQTQQSQTTT 不可逆循环 即：可逆循环时熵不变，不可逆循环时熵增大。第61页/共108页例三 功转化为热耗散热 ：功耗散成的热量孤立系统的熵变 gQ/0isogSQT 即：若孤立系统存在耗散效应，则熵增大。第62页/共108页2、熵增原理的实质 熵增原理的实质就是热力学第二定律。阐明了热力

28、过程进行的方向 孤立系统中，实际过程是不可逆的，所以总是朝着熵增大的方向进行。阐明了热力过程进行的条件 孤立系统中，熵减小的过程不能单独进行，但如果同时有熵增大的过程作为补充，使系统的总熵增大或保持不变，则就是可行的。阐明了热力过程进行的限度 孤立系统中，随着过程的进行，熵不断增大，当熵达到最大值时，过程停止，系统达到新的平衡。第63页/共108页3、热力学第二定律的各种表达式及适用范围0isogSS0rQT0adgSS21rQST 循环： 过程： 闭口绝热系统： 孤立系统： 熵产： 热效率： 0gS tc第64页/共108页解：（1）取装置内的空间为控制体积，属于稳定流动开口系统。 ， ，稳

29、定流动开口系统能量方程式：= 320.15KaT= 258.15KbT= 333.15KcT,()1435.7kJ / hQtbcap mn bbn ccn aaqHWHHHHCq Tq Tq T 例5-7：有一台能同时产生冷、热空气的设备，参数如图所示。设各股空气均按稳定情况流动，且不计入口、出口处动能差和位能差。已知空气的摩尔定压热容 ，环境温度 。（1）推断此装置中进行的过程能否实现？（2）若两股流出气流的温度分别为 和 ，求流入气流的最低温度。,29.3J/(mol K)p mC0= 273.15KT15bt 60ct ,nmnp mHq Hq CT第65页/共108页稳定流动开口系统

30、熵方程：,outinf QgSSSS,2(lnlnlnln)ln5.1406kJ/(K h)outinn bm abn cm acbbccn bp mp maaaabcn bp maSSqSqSTpTpqCRCRTpTpT Tq CT ,01435.75.2561kJ/(K h)273.15Qf QqST ,5.1406( 5.2561)0.1155kJ/(K h)0goutinf QSSSS 因此，该过程可以实现，是不可逆过程。把空气看为两股，对每一股分别求熵差：第66页/共108页（2）理想情况下为可逆过程，,2,minlnbcoutinn bp maT TSSq CT,0Qf QqST,

31、min()Qp mn bbn ccn aaqCq Tq Tq T,0goutinf QSSSS,min361.3KaTo,min43.15 Cat第67页/共108页解：气缸内的气体与环境组成孤立系统。对于气体： 因此，气体放热，环境吸热。对于环境： 因此，该过程能够实现，是不可逆过程。isosursss 45kJ/kg/120/3000.4kJ/(kg K)sursursursqT0.2890.40.111kJ/(kg K) 0isosursss 例5-8：气体在气缸中被压缩，其熵和热力学能的变化分别为 和 ，外界对气体作功 。过程中气体只与环境大气交换热量，环境温度为300K，问该过程是否

32、能够实现？0.289kJ/(kg K)165kJ/kg45 165120kJ/kgquw 第68页/共108页例5-9：利用稳定供应的0.69MPa、26.8的空气源和-196的冷源，生产0.138MPa、-162.1的空气流，质量流量 。求：（1）冷却器每秒的放热量 ；（2）整个系统的熵增，判断该方案能否实现。假设低温空气流最终返回空气源。已知空气的气体常数 ，比定压热容绝热指数 。20kg/smq Qq0.287kJ/(kg K)gR 1.004kJ/(kg K)pc 1.4k 第69页/共108页解： ，1= 26.8+273.15 = 299.95KT3= 162.1+273.15 =

33、111.05KT= 196+273.15 = 77.15KrT2121299.95KhhTT32()3973.11kJ/sQmmpqqhq c TT （1）节流前后焓值相等，对于冷却器，放热量等于焓降： （2）空气源、冷源和控制体积（包括节流阀、冷却器和管道）组成孤立系统。331 311(lnln)10.714kJ/(K s)mmpgTpSqsqcRTp /49.165kJ/(K s)rQrSqT 0CVS1 310.71449.165038.45kJ/(K s) 0isorCVSSSS 对于空气源：对于冷源（吸热）：对于控制体积：属于稳定流动， 因此，该过程能够实现，是不可逆过程。第70页/

34、共108页5-7 火用参数的基本概念、热量火用1、火用 （exergy）和火无 ( anergy)能量的火用 在环境条件下，能量中可以转化为最大有用功的部分称为能量的火用，不可以转化为有用功的部分称为能量的火无。工质的火用 热力系统只与环境相互作用时，工质可逆地变化到与环境平衡的状态时，作出的最大有用功称为工质的火用。如闭口系统的工质具有热力学能火用，稳定流动开口系统的工质具有焓火用。xEnA第71页/共108页机械能和电能 可以全部转化为有用功，全部为火用。温度与环境温度不同的热源具有的热能 可以部分转化为有用功，部分为火用，部分为火无环境热源具有的热能 全部不能转化为有用功，全部为火无。0

35、nA xEE0 xE nEAxnEEA第72页/共108页2、热量火用和冷量火用热量火用热量火用的定义 环境温度为 ，系统温度为 （ ）两者组成正向循环。系统放出热量 ，其中可转化为最大有用功的部分称为热量火用 ，排向环境的部分称为热量火无 。注意：（1）热量火用是以环境温度为基准的；（2）热量火用和热量火无为过程量。 0TT0TT, x QE,n QAQ,x Qn QQEAT0TQ, x QE,n QA系统环境第73页/共108页热量火用的计算0,0(1)x QTEQQTST,0n Qx QAQETST0TQ, x QE,n QA系统环境热量火用在T-s图上的表示Q, x QE,n QA ：

36、过程线与横轴包含的面积 ：等温线 与横轴包含的面积0T ：两者之差第74页/共108页热量火用的性质（1）热量火用与热量正负相同：吸热时得到热量火用放热时失去热量火用。（2）热量火用小于热量。（3）放热量一定时，放热温度越高，热量火用越大、热量火无越小（两者的变化相反），说明系统和环境的温差越大越好。）（4）系统温度等于环境温度时，热量火用为0，即不对外作功。第75页/共108页冷量火用冷量火用的定义 环境温度为 ，系统温度为（ ）两者组成正向循环，系统吸入热量 ，同时作出的最大有用功称为冷量火用 ，环境的放热量称为冷量火无 。0TT0TT0,n QA0Q0, x QE0TT0Q0, x QE

37、0,n QA环境系统注意：冷量火用和冷量火无为过程量。 00,0n Qx QAEQ第76页/共108页冷量火用的计算000,0000(1)x Qn QTEAQTSQQT 0,0n QATS冷量火用在T-s图上的表示 ：过程线与横轴包含的面积 ：等温线 与横轴包含的面积0T ：两者之差0TT0Q0, x QE0,n QA环境系统0Q0,n QA0, x QE第77页/共108页冷量火用的性质（1）冷量火用与热量正负相反：吸热时失去冷量火用放热时得到冷量火用。（2）冷量火用可以大于热量，因此低温系统可以得到 更大的有用功。（低温更“珍贵”）（3）吸热量一定时，吸热温度越低，冷量火用越大，冷量火无也

38、越大（两者变化相同），说明系统和环境的温差越大越好。（4）系统温度与环境温度相同时，冷量火用为0，即不对外作功。第78页/共108页3、孤立系熵增与火用损失、能量贬值原理 孤立系统的熵增（熵产）可以作为不可逆程度的量度。 任何不可逆因素都会导致作功能力损失（即火用损失），如有限温差传热、不可逆循环、功耗散为热。所以火用损失也可以作为不可逆程度的量度。第79页/共108页有限温差传热的熵增与火用损失循环一 以A为热源，环境为冷源。A放出热量 。Q0,()(1)x Q AATEQTABTT0,()(1)x Q BBTEQT0T0Q,()x Q BEQAT0Q,()x Q AEQBTQQ循环二 以B

39、为热源，环境为冷源。 ，热量 先由A传给B，再由B传给工质。第80页/共108页火用损失：,(),()011()x Q Ax Q BBAIEETQTT11()isoABBASSSQTT 00( 0)isogITST S有限温差传热时，A、B组成孤立系统， 上式称为G-S公式，即孤立系统的火用损失与熵增成正比，比值为环境温度。注意：（1）G-S公式适用于任何不可逆因素引起的火用损失；（2）G-S公式适用于任何系统。 火无增：,(),(),(),()n Q Bn Q Ax Q Ax Q BAAEE孤立系统的熵增： 传热温差越大，不可逆程度越大，火用损失越大。第81页/共108页火用损失在T-s图上

40、的表示65ASL125611 2 5 61QSS 65BSL55isoSL33 5 53IS 第82页/共108页4、能量贬值原理(degradation of energy) 热量由高温物体传向低温物体，数量没有减小，但热量火用减小（作功能力减小），能量品位（质量）降低，称为能量贬值。能量贬值原理 即：孤立系统中，可逆过程火用保持不变，不可逆过程火用减小，使火用增大得过程不可能实现。（与熵的变化正好相反。） 火用损失才是真正意义上的损失。节能就是要尽量减小火用损失。,1,2,2,100 xxx isoxxIEEEEE 第83页/共108页解：（1） ， ， ,热量由A传向B。（2） ， ，

41、,热量由A传向B。（3） ，热量由B传向A。693KAT 673KBT 0ABTTT001111()300 () 1001.2865kJ673693isoBAITSTQTT343KAT 323KBT 0ABTTT001111()300 () 1005.4157kJ323343isoBAITSTQTT0ABTTT001111()300 () 10013.636kJ200220isoABITSTQTT例5-10：设 ，环境温度 。求下列三种不可逆传热造成的火用损失：（1） ， ；（2） ， ；（3） ， 。100kJQ 0300KT o420 CAt o400 CBt o70 CAt o50 CB

42、t 200KAT 220KBT 说明：传热温差相同时，低温传热的火用损失更大。第84页/共108页1300KHT 1600KT 1q1qnetw2q2300KT 0288KT 2q例5-11：设热源的 ，冷源即环境大气的 。工质的平均吸热温度 ，平均放热温度 。已知循环发动机E的热效率为工作于 和 的卡诺循环的热效率的80%，即 。若对于每千克工质，热源放热量100kJ，试求：（1）各相应温度下的热量火用和热量火无；（2）各处不可逆因素引起的火用损失，并在T-s图上表示；（3）发动机实际循环净功 ，实际循环少作的功 是否等于热机不可逆引起的火用损失？试分析之。1300KHT 0.8tc0288

43、KT 1600KT 2300KT 1T2Tnetw()cnetww解：1、火用分析法（1）设想在工质和热源、冷源之间存在中间热源 和 。 1T2T第85页/共108页（a）热源 放出热量 给中间热源 ，HT1q10,1288(1)(1) 10077.8kJ / kg1300Hx q THTeqT11,1,10077.822.2kJ / kgHHn q Tx q Taqe1T1300KHT 1600KT 1q1qnetw2q2300KT 0288KT 2q（b）中间热源 放出热量 给工质，1T1q110,11288(1)(1) 10052kJ/kg600 x q TTeqT1111,1,1005

44、248kJ/kgn q Tx q Taqe（c）在中间热源 和 之间工作的循环，卡诺循环的热效率：实际循环的热效率：可逆循环的净功：1T2T211/1 300/6000.5cTT 0.80.8 0.50.4tc10.5 10050kJ/kgccwq第86页/共108页实际循环的净功：实际循环的放热量：1300KHT 1600KT 1q1qnetw2q2300KT 0288KT 2q10.4 10040kJ/kgnettwq211004060kJ/kgnetqqw（d）中间热源 放出热量 给环境 ，2q2T220,22288(1)(1) 602.4kJ/kg300 x q TTeqT2222,2

45、,602.457.6kJ/kgn q Tx q Taqe（e）环境 吸收热量 ，2q0T200,20288(1)(1) 600288x q TTeqT2020,2,60060kJ/kgn q Tx q Taqe0T第87页/共108页（2）共有三处不可逆损失：两处温差传热和不可逆循环。（a） 与 之间的温差传热，1T（b） 与 之间的不可逆循环，（c） 与 之间的温差传热，（d）总火用损失1111,77.85225.8kJ / kgHx q Tx q TIee11222,522.4409.6kJ / kgx q Tx q TnetIeew0T22203,2.402.4kJ/kgx q Tx q

46、 TIee12337.8kJ / kgIIII 火用损失在T-s图上的表示如图所示。HT2T1T2T第88页/共108页（3）实际循环少作的功：504010kJ/kgcnetww29.6kJ/kgI 2cnetIww1100kJ/kgq 可逆机50kJ/kgcw 250kJ/kgq 20I 22,2kJ/kgx q Te22,48kJ/kgn q Ta1100kJ/kgq 不可逆机40kJ/kgnetw260kJ/kgq 29.6kJ/kgI 22,2.4kJ/kgx q Te22,57.6kJ/kgn q Ta211005050kJ/kgcqqw22,022(1/)(1

47、288/300) 502kJ/kgx q TeTT q10kJ/kg9.6kJ/kg0.4kJ/kg不可逆循环的火用损失：可逆循环的放热量：热量火用： 因此，实际循环比可逆循环少作功 ，其中的损失掉了，其余的 变为热量火用，并没有损失掉。第89页/共108页2、熵分析法 将整个系统分为三个子系统：热源 和中间热源 之间的温差传热、中间热源 和 之间的不可逆循环、中间热源 和环境 之间的温差传热。每个系统都可以看作为孤立系统。（a） 与 之间的温差传热HT1T2T0T1T2THT1T10,10111111()288 () 10025.8kJ / kg6001300isoHITsTqTT（b） 与

48、 之间的不可逆循环，1T2T1220,201210060()288 ()9.6kJ/kg600300isoqqITsTTT （c） 与 之间的温差传热，0T2T30,302021111()288 () 602.4kJ/kg288300isoITsTqTT（d）总火用损失：12337.8kJ / kgIIII第90页/共108页5-8 工质火用及系统火用平衡方程1、闭口系工质的热力学能火用热力学能火用的定义 闭口系只与环境作用，工质可逆地变化到与环境平衡的状态，所能作出的最大有用功称为工质的热力学能火用 。, x UE第91页/共108页热力学能火用的计算 闭口系只与环境换热

49、，工质的初态为 可逆地变化到与环境平衡的状态 。 为使过程可逆，设想在闭口系与环境之间有可逆热机。EWQ00,p T环境0QW, ,p T V,U SEQ( , , , )p T V U S00000(,)p T V US闭口系的有用功00Wp dVQdUp dV可逆循环的有用功00(1/)EEWTTQQT dS 第92页/共108页热力学能火用（复合系统的最大有用功）,max0000uWQdUp dVQT dSdUT dSp dV ,max0000000()()x UuEWUTSpVUUT SSp VV ,00000()()n Ux UAUEUT SSp VV注意：热力学能火用是状态参数。工

50、质从状态1变为状态2作出的最大有用功：121 2,max12012012,()()x Ux UWUUT SSp VVEE第93页/共108页2、稳定流动开口系工质的焓火用焓火用的定义 稳定流动开口系只与环境作用，工质可逆地变化到与环境平衡的状态，所能作出的最大有用功称为工质的物流火用 。物流火用中除掉机械火用，称为焓火用 。xE, x HE第94页/共108页焓火用的计算 稳定流动开口系只与环境换热，工质的初始状态为 ，可逆地变化到与环境平衡的状态 。( , , , )p T V H S00000(,)p T V HS环境iW, ,p T V, ,fH S cEW00,p T0QEQ00,HS

51、00fcQ000,p T V 为使过程可逆，设想在稳定流动开口系与环境之间有可逆热机。第95页/共108页稳定流动开口系的有用功（忽略位能差）0EWQTS 2/ 2ifWQHm c可逆循环的有用功物流火用和焓火用（复合系统的最大有用功）2,max000()/ 2xuiEfEWWWHHT SSmc,000()n Hx HAHEHT SS,000()x HEHHT SS注意：焓火用是状态参数。工质从状态1变为状态2作出的最大有用功：121 2,max12012,()x Hx HWHHT SSEE第96页/共108页3、火用平衡方程及火用损失(exergy balance equation)进入系统

52、的火用-离开系统的火用-火用损失 =系统的火用增量urWWW12UU12,x Ux UEErT热源, x QEQ0T环境0, x QE0Q,urx Wx WEEI闭口系的火用平衡方程 闭口系的工质从状态1变为状态2，与热源和环境交换热量，对外作功。能量方程：021urQQUWUUWW 第97页/共108页, x QE,ux WuEW,( 0)rx WE进入系统的火用：0,( 0)x QE离开系统的火用：火用损失：I系统的火用增量：21,x Ux UEE火用平衡方程：12,0()x Qx Ux UugIEEEWT S可逆过程工质从状态1变为状态2作出的最大有用功：121 2,max,0 x Qx

53、 Ux UIWEEEurWWW12UU12,x Ux UEErT热源, x QEQ0T环境0, x QE0Q,urx Wx WEEI ， ，第98页/共108页稳定流动开口系的火用平衡方程 稳定流动开口系的工质从状态1变为状态2，与热源和环境交换热量，对外作功。12HHrT热源, x QEQ0T环境0, x QE0Q,ix WiEWIiW1fc12,x Hx HEE2fc2202121()/ 2ffiQQHHm ccW能量方程：进入系统的火用： ， ,离开系统的火用： ，火用损失：系统的火用增量：, x QE0,( 0)x QE21/ 2fmc,ix WiEWI22/ 2fmc21,x Hx HEE第99页/共108页121 2,max,0 x Q