热力循环热力学第二定律及其应用讲解课件

1、第五章 热力循环热力学第二定律及其应用课时：6要求：1、了解热力学图表及其应用 2、掌握熵的概念及计算方法 3、掌握蒸汽动力循环和制冷循环工作原理及 其相关的计算重点和难点内容： 5.1 热力学第二定律 5.2 熵 5.3 热力学图表及其应用 5.4 蒸汽动力循环 5.5 制冷 5.6 热泵热力学第二定律涉及的应用范围：一、热力学分析：对化工过程进行分析和评价，实现合理 利用能源；二、相平衡关系计算：确定传质设备的设计和操作；三、化学平衡状态计算：研究化学反应动力学以及设计反 应器和操作分析计算的前提。5.1 热力学第二定律一、热力学第二定律的三种叙述1850年克劳修斯说法：有关热流方向的表述

2、，热不可 能自动从低温物体传给高温物体。1851年开尔文说法：不可能制造出一种机器，只从单 一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其它变化。 即第二类永动机无法实现。热不可能全部转变成有用 功，必定有一部分转变成其他形式的能，虽然转变过 程中总数量不变，但是质量上发生了变化。熵的表述：孤立（隔离）物系的自发过程向着熵增大 的方向进行。自发过程5.1 热力学第二定律5.1 热力学第二定律二、几个概念：热源：是一个具有很大热容量的物系（可逆）。功源：可做出功或接受功的装置（可逆）。热机：产出功，并将高温热源的热量传递给低温热源的 一种机械装置。热效率：热转化为功的效率。5.2 熵宏观热力学性性质：

3、内能：是与体系内部微观粒子运动的能量发生联系的热力学 性质。（第一定律）熵：是与体系内部分子运动混乱程度发生联系的热力学性质。 （第二定律）玻尔兹曼定理：状态有序程度状态无序程度5.2 熵关于孤立体系的熵增与不可逆性的关系推导：热源 T1热源T2 Q1Q2循环装置T1 T2Q1 = Q2 推导：以循环装置为体系，则两个热源均为外界环境。5.2 熵对循环装置：由第二定律：循环装置体系热源环境：5.2 熵对热源： 即任何一传热过程只能是高温热源自发传热给低温热源。逆向不可能实现。讨论：温差越小，熵变越小，不可逆程度越小； 温差越大，熵变越大，不可逆程度越大； 温差为0，熵变接近0 ，传热过程接近可

4、逆 。5.2 熵例5-1设有一热机，工作于温度为TH的高温热源与温度为TL的低温热源之间，若热机是可逆的，试推导出热机效率 的表达式。QHQL低温热源TL高温热源TH功 源WS（R）热机5.2 熵例5-1解：取热机为体系由热力学第一定律：热机为循环装置，完成一个循环之后，体系回到原状态，故：其中：对热机：对于可逆过程：其中：5.2 熵环境熵变：其中：结论：1、由于2、当3、任何可逆热机其效率小于1，即热不可能全部转变为功。5.2.1 热力学第二定律用于封闭体系其中： 即封闭体系热力学第二定律的数学表达式克劳修斯不等式。熵增原理：一、讨论：1、可逆过程，上式用等号，T既是热源温度也是体系温 度；

5、2、不可逆过程，用不等号，温度为热源温度。3、相同的状态变化与不相等。5.2.1 热力学第二定律用于封闭体系5.2.1 热力学第二定律用于封闭体系二、与熵有关的问题1、熵流 当封闭体系经历一可逆过程时，从环境热源接受 的热量时，环境熵变为：体系熵变为：为随热流产生的熵流：由于传热而引起的体系熵的变化。功的传递不会引起熵的流动。5.2.1 热力学第二定律用于封闭体系2、熵产 熵产生的原因：有序能量耗散为无序能量（热能）并被体系所吸收，则将导致体系熵的增加。有序能：机械能或电能。熵产生：不是体系的性质，是与不可逆过程密切相关的量。不可逆程度越大:可逆过程：不可逆过程可逆过程不可能过程5.2.1 热

6、力学第二定律用于封闭体系3、封闭体系熵平衡一般不可逆过程：由于过程的不可逆产生了封闭体系熵平衡式或5.2.2 孤立体系熵平衡式孤立体系： 熵产生等于孤立体系总熵变。Sg包括闭系与外界环境热源两部分产生的熵变化。 如果外界环境热源中进行的是可逆过程，外界环境热源的熵变为0，则熵产生为封闭体系内部熵的变化。5.2.3 敞开体系熵平衡式敞开体系物流出物流入熵平衡关系为：熵流为：TK恒定，则：5.2.3 敞开体系熵平衡式讨论1、稳流过程：或敞开体系稳流过程熵平衡式2、绝热过程：若：节流过程5.2.3 敞开体系熵平衡式3、不可逆绝热过程： 可逆绝热过程：若：即等熵过程，如透平机、泵等。5.2.3 敞开体

7、系熵平衡式 150的饱和水蒸汽以5kg/s 的流量通过一冷凝器，离开冷凝器是150的饱和水，冷凝热传给20的大气，求此冷凝过程中产生的熵。饱和蒸汽1饱和水2冷凝器大气20例5-2例5-25.2.3 敞开体系熵平衡式 解：由敞开体系熵平衡关系式： 以冷凝器为体系，该过程为稳流过程，且有： （1）计算 由附录查得：150饱和蒸汽： 150 饱和水：5.2.3 敞开体系熵平衡式例5-2 （2）计算 Q为体系放出的热量，T为大气温度293K。 （3）计算Q将能量平衡方程式用于冷凝器： 由附录查得：150饱和蒸汽： 150 饱和水：5.2.3 敞开体系熵平衡式 （4）计算 冷凝过程为不可逆过程。例5-2

8、5.2.3 敞开体系熵平衡式例5-3 设有温度T1=500K，压力P1=0.1MPa的空气，其质量流量为m1=10kgs-1，与T2=300K，P2=0.1MPa，m2=5kgs-1的空气流在绝热下相互混合，求混合过程的熵产生量。 设有关温度范围内空气的平均等压热容相等，且：混合器解：以混合器为体系（敞开稳流）质量衡算：能量衡算：设空气为理想气体，根据热力学性质计算式：5.2.3 敞开体系熵平衡式例5-35.2.3 敞开体系熵平衡式稳流过程熵衡算：由：例5-35.2.3 敞开体系熵平衡式其中：即混合过程为不可逆过程。例5-35. 3 热力学图表及其应用 常见热力学图表：T-S图，h-S图，p-

9、h图，都是根据实验所得的PVT数据，汽化潜热和热容数据，经过一系列微分积分等运算绘制而成。 全部依靠实验数据绘制的图表，是最精确可靠的，但往往实验数据不是完整的，通常采用状态方程等计算方法来补充和引申，对于完全没有实验数据的物质，也可以通过状态方程的计算来制作热力学图表。 优点：使用方便，并容易看出变化趋势。图中常有等压、等容、等熵、等焓线。 热力学数据表：精确，但用起来麻烦，需要采用内插的方式。氨的TS图5. 3 热力学图表及其应用5. 3 热力学图表及其应用氨的TS图5. 3 热力学图表及其应用5.3.1 TS图的构成与性质一、三区域液相区：OACDO气相区：DCB以上汽液共存区：ACB以

10、下二、五线饱和液体线：AC饱和蒸汽线：BC等压线：P3 PC P2 P1等干度线： x1 x2 x3 H2 H3图5-7 T-S示意图DO5.3.1 TS图的构成与性质三、有关计算1、汽化热临界点时：2、两相区混合物湿蒸汽的焓和熵四、用TS图描述不同过程5.3.1 TS图的构成与性质即12341的面积。1、等压加热和冷却过程2、节流膨胀过程12：膨胀前温度较高34：膨胀前温度较低3、等熵膨胀或压缩过程可逆绝热：不可逆绝热：等熵膨胀效率：5.3.1 TS图的构成与性质等熵压缩效率：5.3.1 TS图的构成与性质例5-4 氨气体压缩机入口温度为-8，压力为3atm，绝热压缩后终压为14atm，已知

11、压缩机的等熵效率为0.8，试求：（1）每千克氨气的可逆压缩功；（2）每千克氨气的不可逆绝热压缩功；（3）每千克氨气经不可逆绝热压缩产生的熵。解： 查图5-6（b）得：h1=1443.5kJkg-1， h2=1665.2kJkg-1，s1= s2=5.5438kJkg-1K-1T2=382.15K5.3.1 TS图的构成与性质（1）根据热力学第一定律，可逆绝热压缩功耗为：（2）根据压缩过程等熵效率的定义有：（3）实际压缩终态时的焓值为：例5-45.3.1 TS图的构成与性质根据h2/和P2由温熵图可查得s2/和T2/：根据熵平衡关系式，绝热过程稳流过程的熵产生为： 结论：不可逆绝热过程功耗比可逆

12、绝热过程功耗大有一部分机械功耗散为热，同时这部分热被氨气本身吸收，导致温度上升，熵值增大。例5-45.3.1 TS图的构成与性质5.3.2 hS图5.3.3 Ph图5. 4 蒸汽动力循环 蒸汽动力循环的意义： 利用余热作为蒸汽动力装置的能源，用来产生动力和提供热量，对于节能和降低成本非常重要。1、卡诺循环取热机为体系（敞开）：其中：组成：两个等温过程和两个等熵过程TS图上的卡诺循环5.4.1 卡诺循环循环过程：对可逆热机：5.4.1 卡诺循环 卡诺热机的效率与工作介质性质无关，只与吸热和排热的温度有关，在两个热源温度之间，卡诺热机的效率最高；且存在下面关系： 实际热机为不可逆过程，其效率与吸热

13、和排热的平均温度有关，在两个热源温度之间，其效率也存在下面关系：5.4.1 卡诺循环2、蒸汽动力循环装置工作介质：水锅炉冷凝器透平1432水泵简单蒸汽动力装置TS图上的卡诺循环12：等温吸热 23：可逆绝热膨胀34：等温排热（冷凝）41：可逆绝热压缩TS图上的卡诺循环：5.4.1 卡诺循环5.4.2 朗肯循环卡诺循环存在的问题：1、23：3为湿蒸汽，其对应透平机出口点，将造成透平机侵蚀现象，一般要求2、41：4点在两相区，汽水混合物无法用泵输送。卡诺热机优点：效率最高。卡诺热机作用： 是一个理想的，但不能实现的热机，其效率可为实际热机效率提供一个比较的最高标准。TS图上的卡诺循环具有实践意义的

14、蒸汽动力循环朗肯循环1、理想朗肯循环5.4.2 朗肯循环（1）组成：锅炉、透平机、冷凝器、水泵。1/2：不饱和水等压加热为过热蒸汽；2 3/ ：可逆绝热膨胀至冷凝压力；3/4：等温等压冷凝为饱和水；4 1/ ：饱和水可逆绝热压缩为过冷水；锅炉冷凝器透平1 432水泵蒸汽动力装置（2）能量衡算：1/2 和3/ 4 ：2 3/ ：4 1/ ：5.4.2 朗肯循环（1）组成：锅炉、透平机、冷凝器、水泵。12：不饱和水等压加热为过热蒸汽；23 ：绝热膨胀至冷凝压力；34：等温等压冷凝为饱和水； 41 ：饱和水绝热压缩为过冷水。2、实际蒸汽朗肯循环（2）能量衡算：12 和3 4 ：2 3 ：4 1 ：5

15、.4.2 朗肯循环例5-5 某蒸汽动力循环装置产生过热蒸汽压力为：8600kPa、500蒸汽进入透平机绝热膨胀作功，透平排出的乏汽压力为10kPa，乏汽进入冷凝器全部冷凝为饱和液态水，然后泵入锅炉。试求：1、理想的朗肯循环的热效率。2、已知透平和水泵的等熵效率为0.75，实际动力循环热效率。3、设计要求实际动力循环输出的轴功率为80000kW，试求蒸 汽流量以及锅炉和冷凝器的传热速率。5.4.2 朗肯循环例5-5锅炉冷凝器透平1 432水泵蒸汽动力装置饱和水湿蒸气5.4.2 朗肯循环例5-5解：查取各状态点的参数过热蒸汽：（饱和温度 ）1、求理想朗肯循环热效率，以1kg蒸汽为计算基准。理想朗肯

16、循环蒸汽通过透平机为绝热可逆膨胀过程过程：例5-55.4.2 朗肯循环（1）计算乏汽的干度X（2）计算乏汽的焓（3）计算饱和水的焓（4）计算过冷水的焓以水泵为体系，由能量平衡方程式：例5-55.4.2 朗肯循环（5）计算锅炉提供的热（6）计算透平机输出的功（7）计算热效率例5-55.4.2 朗肯循环2、求实际动力循环热效率，以1kg蒸汽为计算基准。（1）透平机的实际输出功（2）冷凝器放出的热5.4.2 朗肯循环例5-5（3）水泵的实际耗功（4）锅炉吸热（5）透平机输出净功（6）实际循环热效率5.4.2 朗肯循环例5-53、蒸汽流量、锅炉、冷凝器传热速率5.4.3 朗肯循环的改进卡诺循环：两个传

17、热过程为无温差的可逆传热过程。朗肯循环：传热是有温差，特别是冷凝水加热到沸点，非常明显，吸热过程的平均温度与高温燃烧气体温差很大，这是过程的不可逆性增大的原因，也就是导致朗肯循环热效率低的重要原因。因此节约能源的措施就是提高平均吸热温度，或降低冷凝温度（受冷凝条件的限制）。5.4.3 朗肯循环的改进 （1）提高过热蒸汽的温度：压力一定时，提高蒸汽的过热温度，可提高平均吸热温度，同时可 提高乏汽的干度，但此时温度又受金属材料性能限制，温度高于600，设备成本剧增。朗肯循环改进的措施：提高过热温度5.4.3 朗肯循环的改进提高蒸汽压力 （2）提高过热蒸汽的压力：压力的升高以临界压力为极限，同时压力

18、的升高对锅炉、透平机的材料强度要求提高。5.4.3 朗肯循环的改进再热循环（3）采用再热循环162435875.5 制冷1、概念：使物系的温度降低到周围环境物质的温度以下 的过程。2、实质：利用外功将热从低温物体传给高温环境介质。3、用途：空气调节，食品冷藏、制冷、气体脱水干燥、 结晶、汽液分离等4、方法：蒸汽压缩制冷、吸收制冷、喷射制冷等。5.5.1 制冷原理与逆卡诺循环（1）工质在低温下不断吸热（液态工质汽化吸热实现）；（2）蒸汽压缩过程（升温过程）；（3） 蒸汽冷凝 向大气放热，成为常温高压液体；（4）高压液体绝热膨胀降温，重新汽化。节流膨胀结构简单、调节方便、但降温有一定限制作功膨胀结

19、构复杂、不允许气体在膨胀机中有液体，润滑油作用较困难。温度降低无限制，而且可回收轴功。1、理想的制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环两个等熵两个等温过程。逆卡诺循环5.5.1 制冷原理与逆卡诺循环冷凝器蒸发器压缩机1 43 2膨胀机大气环境制冷环境工作介质完成一个循环：则：或：衡量制冷机运行的经济指标：制冷系数QL：制冷量，制冷机的制冷能力。制冷系数只与温度有关，与工质无关，逆卡诺循环的制冷系数最大。5.5.1 制冷原理与逆卡诺循环5.5.2蒸汽压缩制冷循环 逆卡诺循环与卡诺循环一样无法实现，实际的制冷循环是在逆卡诺循环的基础上进行改进实现。蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环5.5.2蒸汽压缩 制冷循环 1、组成：实际压缩过程可逆绝热压缩过程冷却冷凝过程（等压）节流膨胀过程（等焓）蒸发过程（等压） 4点处于两相，无法用膨胀机操作，因此用节流阀代替，存在摩擦，有熵产生S4S3 。压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器蒸汽压缩制冷循环 2、能量恒算蒸发器中吸热： 冷凝器中放热： 压缩机消耗功： 制冷系数： 工质循环速率： 5.5.2蒸汽压缩 制冷循环蒸发器234 1冷凝器压缩机节流阀被冷物料大气环境1、逆卡诺循环的制冷系数。2、假定压缩为等熵过程，工质的循环速率，压缩功率，冷凝器