高等工程热力学 童钧耕 第2章基本定律及能量可用性

1、1 第第 二二 章章 热力学基本定律热力学基本定律 和和 能量的可用性能量的可用性 22-1 热力学第一定律热力学第一定律 一、热力学第一定律一般表达式一、热力学第一定律一般表达式 运动是物质存在的形式，是物质固有属性。物质的运动形态运动是物质存在的形式，是物质固有属性。物质的运动形态是多样化的，能量也有不同的形式，在一定条件下可以从一种是多样化的，能量也有不同的形式，在一定条件下可以从一种形式转换到另一种形式。物质不能创造也不能消灭，所以能量形式转换到另一种形式。物质不能创造也不能消灭，所以能量也是不能创造和消灭的，在能量形式的转换中能量的总量是守也是不能创造和消灭的，在能量形式的转换中能量

2、的总量是守恒的。恒的。 能量转换及守恒定律是人类长期生活和生产实践的经验能量转换及守恒定律是人类长期生活和生产实践的经验总结，是自然现象的基本规律之一。总结，是自然现象的基本规律之一。 能量转换及守恒定律：能量转换及守恒定律： 自然界中的一切物质都具有能量；自然界中的一切物质都具有能量； 能量有不同形式，能从一种形式转化为另一种形式；能量有不同形式，能从一种形式转化为另一种形式； 在转换中，能量的数量保持不变。在转换中，能量的数量保持不变。3 对于孤立系：对于孤立系：iso0E能量转换及守恒定律的普遍叙述能量转换及守恒定律的普遍叙述系统的总能量系统的总能量E为为 2iso1()2niicEmu

3、mmgz物系储存物系储存的总能量的总能量热力学能（内部储存能）热力学能（内部储存能）外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能重力势能重力势能isosyssur0EEE由于由于系统的能量变化系统的能量变化外界的能量变化外界的能量变化4systot()0EQWtotWQsurE省略下标省略下标sys，移项，移项 得得totQEWtotdQEW热力学第一定律的一般表达式。热力学第一定律的一般表达式。 或或系统和外界交换的能量：系统和外界交换的能量：作功作功传热传热5二、二、 闭口系统热力学第一定律表达式闭口系统热力学第一定律表达式 totdQEW21totQEEW 传入系统的热量等于系统储存能的变化及系

4、统传入系统的热量等于系统储存能的变化及系统 与外界交换功量之和。与外界交换功量之和。 totdQUW静止闭口系统中静止闭口系统中 21totQUUW所以静止闭口系统的热力学第一定律表达式为所以静止闭口系统的热力学第一定律表达式为 ddddddddeeiiQUp VF LA V QE QUF x简单可压缩系统，与外界只有体积功交换。简单可压缩系统，与外界只有体积功交换。 ddQUp V2211dQUUp V可逆可逆dSddTUp V6ddQUWQUWquwquw 第一定律第一解析式第一定律第一解析式功的基本表达式功的基本表达式热热讨论：讨论：1）对于循环对于循环netnetdQUWQW2）对于定

5、量工质吸热与升温关系，还取决于）对于定量工质吸热与升温关系，还取决于W 的的 “+”，“”，大小。，大小。例例2-1含容器热容能量方程含容器热容能量方程72-2 开口系统热力学第一定律表达式开口系统热力学第一定律表达式 一、变质量系统基本方程一、变质量系统基本方程 对于变质量系统，状态方程对于变质量系统，状态方程0),(mTVpf如质量为如质量为m 的理想气体，状态方程为的理想气体，状态方程为 gpVmR Tggddddp VV pmRTR T m变质量系统的理想气体状态方程的微分形式变质量系统的理想气体状态方程的微分形式dddd0pVmTpVmT 同样，在变质量系统中，气体的热力学能及焓不仅

6、与温同样，在变质量系统中，气体的热力学能及焓不仅与温度、压力等参数有关，而且还随质量度、压力等参数有关，而且还随质量m变化而变化。因此，变化而变化。因此，dd()ddUmum u u mdd()ddHmhm h h m8ioCVdmmm以质量流率的形式来表示以质量流率的形式来表示oCViddddmmmCV,i,oddmmmqq或或如控制体的出、入口有多个如控制体的出、入口有多个CV,i,oddmmmqq进入系统的微元质量进入系统的微元质量离开系统的微元质量离开系统的微元质量控制体积质量守衡：控制体积质量守衡：进入控制体的质量流率进入控制体的质量流率离开控制体的质量流率离开控制体的质量流率控制体

7、中的质量变化率控制体中的质量变化率9在变质量系统中在变质量系统中 dd, dd()dd , dSs mSmsSmsm ss msmdddT sup vddd()dT SUp VupvTsm变质量系统基本方程变质量系统基本方程 ddddT SUp Vg mdd, dd()dd , ddd, dd()dd , dUu mUmuUmum uu mumVv mVmvVmvm vv mvm10 单位质量的吉布斯函数也称为化学势单位质量的吉布斯函数也称为化学势ddddT SUp VmddddUT Sp Vm热力学能变化热力学能变化换热换热膨胀功膨胀功系统的质量改变系统的质量改变gddddT SUp Vg

8、m变质量系统基本方程变质量系统基本方程11二、开口系统热力学第一定律表达式二、开口系统热力学第一定律表达式 流入系统的能量流入系统的能量流出系统的能量流出系统的能量系统内部储能增量系统内部储能增量ECV=12ii iioo oosCV()()depvmQep vmWEiiiioooosCV()()depvmQep vmWU通除通除 dCVii i,ioo o,osd()()dmmEepv qep v qP不计控制体宏观位能及动能的变化不计控制体宏观位能及动能的变化热流率热流率轴功率轴功率进入控制体的质量流量进入控制体的质量流量离开控制体的质量流量离开控制体的质量流量控制体中储存能的变化率控制体

9、中储存能的变化率13开口系统热力学第一定律表达式开口系统热力学第一定律表达式单股流体进出的稳态稳流系统单股流体进出的稳态稳流系统22f,of,ioo,oii,is()()22mmcchgz qhgz qP1kg气体的能量方程为气体的能量方程为 22f,of,iooois()()2ccqhhg zzw稳态稳流能量方程稳态稳流能量方程 写成如下形式写成如下形式 22f,of,iCVoo,oii,isdd22mmccEhgzqhgz qP推广到多股气流的情况，则推广到多股气流的情况，则 22f,of,iCVoo,oii,isd()()d22mmccEhgz qhgz qPCVii i,ioo o,o

10、sd()()dmmEepv qep v qP稳流能量方程稳流能量方程-心脏心脏14三、绝热节流三、绝热节流1. 定义定义由于局部阻力，使流体由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。压力降低的现象。节流现象特点：节流现象特点： 1) p2 s1, I = T0 sg 3) h1 = h2， 但节流过程并非等焓过程；但节流过程并非等焓过程； 4) T2可能大于等于或小于可能大于等于或小于T1 理想气体理想气体T2 = T1 。2. 节流后的温度变化节流后的温度变化 焦耳焦耳-汤姆逊系数汤姆逊系数JpphvTvTTpcd0p 节流节流 ，取决于取决于dTpvTvT15 节流时状态在致冷区节流时状态在致

11、冷区则则T 下降，下降， 节流时状态在致温区节流时状态在致温区则则T上升或下降取决于上升或下降取决于p的大小的大小 当气体温度当气体温度T Ti,max或或T T1.实验转回曲线实验转回曲线TimaxTiminp0致温区致温区致冷区致冷区h1h3h2 转回温度转回温度 节流后温度不变的状态的温度节流后温度不变的状态的温度1617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2-4 过程的方向性与热力学第二定律过程的方向性与热力学第二定律 热力学第一定律指出，能量不能产生也不会消灭，但可以从热力学第一定律指出，能量不能产生也不会消灭，但可以从一种形式转变为另一种形式，其能量平衡关系

12、式就是热力学第一种形式转变为另一种形式，其能量平衡关系式就是热力学第一定律表达式一定律表达式。 热力学第一定律只说明能量形式的变化及变化时数量关系，热力学第一定律只说明能量形式的变化及变化时数量关系，并未指明能量转变的方向；也没有提供能量转变及传递的条件。并未指明能量转变的方向；也没有提供能量转变及传递的条件。 18电流通过电阻，产生热量电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向电流对电阻加热，电阻内产生反向电流电能不大于加入热能，不违反第一定律。电能不大于加入热能，不违反第一定律。不计摩擦，抽去隔板不计摩擦，抽去隔板和放下隔板不违反第和放下隔板不违反第一定律。一定律。重物下落，水温升高

13、重物下落，水温升高;水温下降，重物升高到原位水温下降，重物升高到原位只要重物位能增加小于等于水降内能只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。减少，不违反第一定律。19 热力学第二定律概括了人类对热力过程方向性的经验，热力学第二定律概括了人类对热力过程方向性的经验，是基本的自然定律，它不能从任何其它定律推导出来。是基本的自然定律，它不能从任何其它定律推导出来。 热力学第二定律存在着各种不同的表达形式，每一种说热力学第二定律存在着各种不同的表达形式，每一种说法都是根据观察客观事物的经验总结。热力学第二定律的法都是根据观察客观事物的经验总结。热力学第二定律的各种表达形式都是等效的。各种

14、表达形式都是等效的。 开尔文开尔文-普朗克普朗克说法说法：从从一个热源一个热源吸取热量，而使之吸取热量，而使之全部全部变成机械能的变成机械能的循环发动机循环发动机是制造不出来的。是制造不出来的。 克劳修斯克劳修斯说法：热量不可能说法：热量不可能自发地自发地从低温物体传向高温从低温物体传向高温物体。物体。 喀喇氏喀喇氏说法：说法：“从系统的一个给定状态出发，在其邻近从系统的一个给定状态出发，在其邻近 的区域内必然有这样的状态，它们是不能从给定的状态经的区域内必然有这样的状态，它们是不能从给定的状态经 绝热过程而达到的。绝热过程而达到的。” 喀喇氏说法虽抽象，但更具有普遍意义。喀喇氏说法虽抽象，但

15、更具有普遍意义。 20等效性证明等效性证明 取取 i-j 为可逆绝热过程为可逆绝热过程;i-h 为绝热过程，为绝热过程，h-j为定容过程，构成循环为定容过程，构成循环i-h-j-i。循环净热量循环净热量net12h-jjhnetQQQQUUW但但20Q 违反开尔文违反开尔文- -普朗克说法普朗克说法 热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质: 表达了自然界中表达了自然界中自发过程的方向性与不可逆性自发过程的方向性与不可逆性。 自发过程自发过程可行；可行； 自发过程的逆过程自发过程的逆过程必须有补偿过程同时存在；必须有补偿过程同时存在； 故自发过程不可逆。故自发过程不可逆。 21 自发过程方向性

16、自发过程方向性：各种过程总是朝着一个方向各种过程总是朝着一个方向孤立系孤立系 统总是从不平衡态朝平衡态方向统总是从不平衡态朝平衡态方向进行，不能自发地反向进行，不能自发地反向进行，孤立系统达到平衡后，一切宏观变化停止。进行，孤立系统达到平衡后，一切宏观变化停止。 自发过程不可逆性自发过程不可逆性当系统达到平衡态后，在无外界影当系统达到平衡态后，在无外界影响的条件下，决不会自发地变为非平衡态。响的条件下，决不会自发地变为非平衡态。 从微观角度看，在某一瞬间，也许会发生如能量倒转从微观角度看，在某一瞬间，也许会发生如能量倒转传递这样的事件。传递这样的事件。 从宏观角度看，自然界一切热过程具有方向性

17、与不可从宏观角度看，自然界一切热过程具有方向性与不可逆性是完全正确的客观真理。从有限时间（宏观很短，但逆性是完全正确的客观真理。从有限时间（宏观很短，但微观上足够长的时间间隔）和具有大量粒子，占有一定的微观上足够长的时间间隔）和具有大量粒子，占有一定的体积体系来看，由宏观观察所得到的热力学第二定律的结体积体系来看，由宏观观察所得到的热力学第二定律的结论在指导工程实际中是完全正确的。论在指导工程实际中是完全正确的。 222-5 熵方程和孤立系熵增原理熵方程和孤立系熵增原理 等号适用于可逆循环，等号适用于可逆循环，不等号适用于不可逆循环不等号适用于不可逆循环。 克劳修斯不等式克劳修斯不等式： r0

18、QT热量的符号以工质为基准热量的符号以工质为基准。 一、克劳修斯积分与熵一、克劳修斯积分与熵热源温度热源温度由克劳修斯不等式可导得状态参数熵的定义式由克劳修斯不等式可导得状态参数熵的定义式 revdQsT2211revQSSSTrirrdQST2211rirrQSSSTrdQST23据定义据定义revdqsT系统与外界交换热量；系统与外界交换热量；据理想气体的熵变计算式据理想气体的熵变计算式 22g11lnlnVTvscRTv考察自由膨胀考察自由膨胀2gg1lnln 20vRRv无热、质交换无热、质交换不可逆使系统熵增加不可逆使系统熵增加。二、系统熵变化的原因二、系统熵变化的原因熵是广延性质的

19、参数熵是广延性质的参数系统与外界交换质量系统与外界交换质量；p2, v224三、闭口系熵方程三、闭口系熵方程 rdQSTgfgdrQSSSSTgfddrQSSSST或或frQSTgS等号适用于可逆过程等号适用于可逆过程不等号适用于不可逆过程不等号适用于不可逆过程（热）熵流（热）熵流吸热为正，放热为负吸热为正，放热为负熵产熵产不可逆时永远为正，可逆时为零不可逆时永远为正，可逆时为零熵流和熵产熵流和熵产25闭口系（定质量系统）的熵方程闭口系（定质量系统）的熵方程 讨论：讨论： 1、系统的熵增（或熵变）只取决于系统的初、终态；但系统的熵增（或熵变）只取决于系统的初、终态；但熵流和熵产不只取决于系统的

20、初、终态，与过程有关，熵流和熵产不只取决于系统的初、终态，与过程有关，而且熵产永远不小于零；而且熵产永远不小于零； 2、对于任何可逆过程对于任何可逆过程fdSS3、对于任何绝热过程对于任何绝热过程， ， 0Q f0S gdSSd0S 或 4、系统与外界传递任何形式可逆功时，都不会引起系统熵系统与外界传递任何形式可逆功时，都不会引起系统熵的变化，也不会引起外界熵的变化的变化，也不会引起外界熵的变化。 fgdSSSgfdSSS26三、三、开口系熵方程开口系熵方程 流入控制体的熵流入控制体的熵 - - 流出控制体的熵流出控制体的熵+ +控制体熵产控制体熵产 =控制体熵的变化。控制体熵的变化。inin

21、gooCVr,diiQsmSs mSTgCVooininr,diQSSs msmTCVooininrd0iQSs msmTgCVo,oin,inr,dddmmiSSs qs qT27稳态稳流：稳态稳流： CVd0S,in,ommmqqqgoinr,()imiSqssToinr,()0imiqssT绝热稳定流动绝热稳定流动：0igoin()mSqssoin0SSgCVo,oin,inr,dddmmiSSs qs qT例例2-6.ppt例例2-5.ppt28对于孤立系统对于孤立系统 isod0Sg,iso0S或或 孤立系统熵增原理表达式，也是热力学第二定律的数学表孤立系统熵增原理表达式，也是热力学

22、第二定律的数学表 达式达式。 孤立系统内进行的一切实际过程虽然使孤立系统的总能量保持孤立系统内进行的一切实际过程虽然使孤立系统的总能量保持不变，但使熵增加不变，但使熵增加熵增原理。熵增原理。 讨论讨论： 1、熵增原理可作为过程方向性的表述：对于绝热的闭口系统熵增原理可作为过程方向性的表述：对于绝热的闭口系统或者具有相互热作用的复合系统组成的孤立系统，熵是绝对不会或者具有相互热作用的复合系统组成的孤立系统，熵是绝对不会减少的。因此使孤立系统和闭口绝热系熵减少的过程是不可能发减少的。因此使孤立系统和闭口绝热系熵减少的过程是不可能发生的。生的。 四、孤立系熵增原理四、孤立系熵增原理 2、熵增原理是个

23、不守恒定律，只有在可逆过程中，孤立系统熵增原理是个不守恒定律，只有在可逆过程中，孤立系统的熵才守恒。的熵才守恒。 29 3、正是由于发生了不可逆过程，才使孤立系统的熵增大，不、正是由于发生了不可逆过程，才使孤立系统的熵增大，不可逆的程度愈大，熵的增加也愈大。因此，可以用孤立系统的熵可逆的程度愈大，熵的增加也愈大。因此，可以用孤立系统的熵增来度量过程不可逆的能量耗散效应。增来度量过程不可逆的能量耗散效应。 4、当孤立系统的熵达到最大值时，系统达到平衡。孤立系、当孤立系统的熵达到最大值时，系统达到平衡。孤立系统总是由不平衡状态向平衡状态过渡，其熵值不断增大，达到统总是由不平衡状态向平衡状态过渡，其

24、熵值不断增大，达到平衡时，一切变化停止，熵也达到最大值。平衡时，一切变化停止，熵也达到最大值。 例例2-4.ppt管内流动方向管内流动方向30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：r0qT不可逆小循环部分：不可逆小循环部分：2,L,1,H,11iiiiqTqT 2,L,1,2,1,H,H,L,0iiiiiiiiqTqqqTTTr0qT opvB. .12.A 克劳修斯积分不等式和热力学第二定律数学表达式克劳修斯积分不等式和热力学第二定律数学表达式回顾回顾 克劳修斯积分不等式克劳修斯积分不等式31可逆部分可逆部分+不可

25、逆部分不可逆部分r0qT可逆可逆 “=”不可逆不可逆“ s2（可逆达终（可逆达终态），如：态），如：22gg11lnlnln2VTvscRRTv gln2sR 0sTqq = 0 2211rqssT并不意味并不意味1 2,rev1 2,irrss因为因为352-6 能量转换的特性能量转换的特性 各种不同形式的能量对人类的有用程度不同各种不同形式的能量对人类的有用程度不同 能量的转换过程具有方向性与不可逆性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。工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。 一、能量转换的限度一、能量转换的限度 热量转变为功的限度热量转变为功的限度

26、 max0t1wTqT 0max1TwqT或循环过程中从热源吸取的热量循环过程中从热源吸取的热量q不能全部不能全部转换为功，其最大值为转换为功，其最大值为 。 maxw36热力学能转换为有用功的限度热力学能转换为有用功的限度 闭口系统绝热过程，系统由初态闭口系统绝热过程，系统由初态1变化到终态变化到终态2，热力学，热力学能转化为功能转化为功: 21uuw 初态一定时，其终态初态一定时，其终态2不能随意给出不能随意给出: 12ss max112()aawuup vv绝热系统热力学转换为有用功最大值为绝热系统热力学转换为有用功最大值为 相反，任意数量有用功可以通过耗散相反，任意数量有用功可以通过耗

27、散全部转换为热力学能。全部转换为热力学能。 能量转换的非对称性能量转换的非对称性机械能和电能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。可逆过程热力学能和热量不能全部转换为功。37二、二、能量转换的规律能量转换的规律 能量转换程度作为准则能量转换程度作为准则 1、无限转换能、无限转换能 2、有限转换能、有限转换能 3、非转换能、非转换能 一切形式的能量由一切形式的能量由和火无组成，是能量的属性。和火无组成，是能量的属性。 能量能量可转换为任何其他形式能量的部分可转换为任何其他形式能量的部分能量中无法转变为能量中

28、无法转变为的部分的部分火无火无在给定的环境介质下在给定的环境介质下能量能量= =+ +火无火无，其中每一组成部分可分别为，其中每一组成部分可分别为零零。 根据根据和和火无火无，热力学第二定律热力学第二定律也可表述为：也可表述为： （1）一切不可逆过程中，必有）一切不可逆过程中，必有转化为转化为火无火无。 （2）由）由火无火无转化为转化为的过程是不可能的。的过程是不可能的。 （3）孤立系统的）孤立系统的减不增。减不增。 38一切过程都是不可逆的，一切过程都是不可逆的，转变转变火无火无是无法改变的，是无法改变的， 无限转换能（无限转换能（）的储存会不断地减少，所以人类）的储存会不断地减少，所以人类

29、 活动不能建立在无节制向自然界的索取上。活动不能建立在无节制向自然界的索取上。环境参数对能量转换的影响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量而不改变其强度参数T0及及p0。 环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约为为 m=1.421021kg，如海水温度降低，如海水温度降低3.36 106K ，其热，其热力学能减小量相当于力学能减小量相当于20世

30、纪世纪80年代中期全球一年用电量。年代中期全球一年用电量。 系统与环境平衡的状态称为系统与环境平衡的状态称为“死态死态”，在死态系统，在死态系统的热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。量中可转变为功的部分的计算都以环境状态为基点。 39三、三、系统能量分析方法系统能量分析方法 目的目的：确定系统各部位的能量损失的性质、大小，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。提高系统或装置对能量利用的效率。 方法方法：第一定律分析法和第二定律分析法第一定律分析法

31、和第二定律分析法 依据依据能量在数量上守恒；能量在数量上守恒； 方法方法计算计算各部位能量转换、传递、利用各部位能量转换、传递、利用 和损失的数量，确定该系统的能量利用或和损失的数量，确定该系统的能量利用或 转换效率；转换效率； 特征特征能量数量上的平衡，考虑了能量数量能量数量上的平衡，考虑了能量数量 利用程度，反映能量数量的利用程度，反映能量数量的“外部损失外部损失”。 如蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排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；散热损失及冷凝器的热损失； 标志标志装置的热效率。

32、装置的热效率。 第一定律分析法第一定律分析法40 第二定律分析法第二定律分析法 依据依据综合第一定律、第二定律综合第一定律、第二定律 ； 方法方法从从能量的数量和质量来分析系统能量的数量和质量来分析系统 各部位揭示出能量中各部位揭示出能量中的转换、传递、的转换、传递、 利用和损失情况；利用和损失情况； 特征特征抓住不可逆过程中抓住不可逆过程中转变为转变为火无火无、火无火无不可能转变为不可能转变为，揭示系统内部能量，揭示系统内部能量“质质”的贬的贬值和损耗；值和损耗；标志标志系统系统效率效率41两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同设设 备备能量损失

33、占输入能量损失占输入能量的比（能量的比（%）损失占输入损失占输入量的比（量的比（%）锅炉：锅炉： 燃烧过程燃烧过程 传热过程传热过程 烟道损失烟道损失 其他损失其他损失汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器加热器加热器其他其他合计合计9 047035949 29.7 14.9 0.68 3.7241.51.05.561某蒸汽动力装置两种分析结果某蒸汽动力装置两种分析结果42 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，作功能力也可存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。称为有效能，可用能等。2-7 一、一、热量热量和冷量和冷量热量热量0 x,01QTeqqTsT热量火无热量火无

34、sTTTqan00冷量冷量冷量冷量火无火无x,021()nQaqeT ssa012cqTsq电加热水过程电加热水过程损损43二、二、闭口系统工质的闭口系统工质的热力学能热力学能x,U0000000()()()euTspvuuT ssp vv 闭口系统工质的闭口系统工质的火无火无为：为： ,U,U00000()()nxaueup vvT ss闭口系统由状态闭口系统由状态1 1变化到状态变化到状态2 2时的最大可用功时的最大可用功12x,Ux,U12012012()()()eeuuT ssp vv44三、稳流开口系统工质的三、稳流开口系统工质的焓焓x,H000000 0()()()()ehhT s

35、shT shT s开口系统工质开口系统工质火无火无,H,H000()nxahehT ss 当开口系统从初态当开口系统从初态1 1变化到终态变化到终态2 2时，工质所能做的最时，工质所能做的最大有用功就是初态与终态焓大有用功就是初态与终态焓之差之差12x,Hx,H10 120 2()()eehT shT s452-8 损失和平衡方程损失和平衡方程 一、一、不可逆过程的损失和减原理不可逆过程的损失和减原理 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，即任意过程均不改变其总内部储能，即任意过程中中能量守恒能量守恒。但各种不可逆过程均造成机械能损失，。但各种不可逆过程均造成机械能损失，任

36、何不任何不可逆过程均是可逆过程均是Siso 0，所以，所以熵产与损失存在必然联系熵产与损失存在必然联系。例。例11HqsT a) 热能热能机械能机械能2LqsT2netw热源：失热源：失q1冷源：得冷源：得q20s 热机：输出热机：输出461212isoHLHL00qqqqsTTTT rev “=”irrev “”1t,revt,irrevnet,revnet,irrevqww 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（）减少机械能（）减少若可逆循环，循环净功及放热中的若可逆循环，循环净功及放热中的02x,rev12210102LL()1TqeqqqqTqTsTT

37、若不可逆循环，循环净功及放热中的若不可逆循环，循环净功及放热中的02x,irrev12210102LL()1TqeqqqqTqTsTTx,revx,irrev1021020220 g()()IeeqTsqTsTssT s47b) 热量：高温热量：高温低温低温AAqsT iso110BAsqTTrev “=” irrev “” 若不可逆，若不可逆，TATB，以，以A为热源为热源B为冷源，利用热机可使一为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大孤立系熵增大意味意味损失损失。损失。损失值为从值为从A传出热量中含的与从传出热量中含的与从B传出热量中含之差。传

38、出热量中含之差。BBqsTA：失：失qB：得：得q0011ABTTIqqTT00 g11BAqTT sTT48 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221rev1ln0VTQSmcTT工质外界外界 S外外=0热能不可能热能不可能100%转变成机械能，故转变成机械能，故Siso0还是意味还是意味损失损失。iso0SSSS 外工质工质sx,s00UIWEWUTSpV 工质损失等于输入轴功与气体热力学能的增量差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

39、入轴功等与热力学能增量，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气体熵增即为过程熵产00ITST Sg工质49d) 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（即熵增）意味损失，孤立系熵增（即熵增）意味损失，0WQW 2g1lnvsRv 2g01lnvQsRTv 外界0s外界20g0g1lnvIWT ST Rv0gIT S50 一切自发过程都不可逆一切自发过程都不可逆转变为火无无法改变转变为火无无法改变 ，任，任何不可逆过程必引起损失，因此实际过程中不守恒。何不可逆过程必

40、引起损失，因此实际过程中不守恒。 孤立系统的减少原理：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。变。任何使孤立系统的增加的过程是不可能发生的。系统或过程平衡方程：系统或过程平衡方程： 输入系统的输入系统的 输出系统的输出系统的 损失损失 = =系统的变化系统的变化 51二、封闭系统的平衡方程二、封闭系统的平衡方程 21x,x,losx,x,QuUUEWEEEx,losx,ux,QUEEWE 或或

41、损失损失 系统输出的有用功系统输出的有用功机械功机械功热量热量20 x,1r1QTEQT热力学能差热力学能差21x,x,x,21021021()()UUUEEEUUp VVT SSx,u1 2021()WEWWp VV52损失和熵产损失和熵产能量平衡：能量平衡： 热源熵变量：热源熵变量： 环境熵变量：环境熵变量： 封闭系统不可逆过程的封闭系统不可逆过程的损失，等于该系统及损失，等于该系统及其外界组成的孤立系统其外界组成的孤立系统熵增（或过程熵产）与熵增（或过程熵产）与环境温度的乘积。环境温度的乘积。000QST x,los021r00iso0gETSSSSTST S021021u()0QQUU

42、p VVW2r1rQST20 x,losux,1r221021021u01r1()()UTEQWETQQUUp VVT SSWTT53三三、稳定流动系统平衡方程、稳定流动系统平衡方程 系统能量平衡：系统能量平衡：熵方程熵方程222021021f 2f1u0g1r11()()2TQHHT SSm ccWT ST20021g1r()QQTSSST2021g1r0QQSSSTT22021f 2f1u()2mQQHHccW54222021021f 2f1u0g1r11()()2TQHHT SSm ccWT ST22010010f11r220020f 2u0g1()()2()()2TmQHHT SScT

43、mHHT SScWT S1222x,x,f1x,f 2x,0g22QHHWmmEEcEcET S2122x,x,x,f 2f1x,0g()()2QHHWmEEEccET S20 x,x2x1ux,los1r1QTQEEEWET2xx,f12HEEc物流物流移项移项例例2-7.ppt55TsoB1TmH.32A.4qT0qaqun. 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，作功能存在，即具备作功能力，作功能力也可称为力也可称为有效能，可用能有效能，可用能等。等。热源传出的热量中理论上可转化为热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功最大有用功的热量。的热量。因因T0基本恒定，故基

44、本恒定，故qun s1201un1a10012mHmHTqqqqqTTsTTa1012qqTs0a1mH1TqqT 热量热量q1的可用能的可用能qa热量热量56讨论：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，称为分额份额，称为热量热量 ； 2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是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，称为减少，称为热量热量； 3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，但）与环境有温差的热源传出

45、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质中的内热能全部是废热废热。 4）qa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qa从严格意义上从严格意义上 讲不是状态参数。讲不是状态参数。x,QE57TsoB132AqT0qc.mn.cqaqq.a01TqqT0ac1 TqqT20ac11 TqqTca01TqqT2c0c1qTqTa012cqTsq整理整理 冷量的作功能力冷量的作功能力 冷量冷量低于环境温度传递的热量。低于环境温度传递的热量。 58.讨论：讨论： 1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号。）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号。 a1012qqTsa012cqTsq热量可用能热量可用能冷量可用能冷量可用能3）热（冷）量可用能）热（冷）量可用能 与与T的关系。的关系。2）物体吸热，热量中可用能使物体作功能