《热工基础》电子教案：熵与火用 概念

1、熵与火用 概念3.5 状态参数熵第二定律有多种表述，各种表述是等效的，最根本是告诉我们，所有热过程都是不可逆的，它们的发展是有方向性的。当然，不同的热过程有不同的可逆性，但不同的可逆性不是孤立的，彼此是相互联系的，它们有共同的本质特征。因此，可用同一物理量描述这一本质特征，这个物理量就是熵。所以熵是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力学参数，是一个状态参数。 熵概念的建立熵的表示与计算第一TdS方程第二Tds方程从卡诺循环引进熵：熵是一个状态参数。由卡诺定理，知道可逆热机效率 显然有： 或在这个式子的计算中，我们已取了的绝对值，考虑放热为负后，则有： 亦即 卡诺循环是两条等温线，两条绝热线组成

2、，只有在等温过程才有传热。cdba12ABpV对任意过程组成的循环而言，可用无数条可逆绝热线把该循环分割成无数个微元卡诺循环，对任意微元卡诺循环(abcd),都有把所有微元加起来，即 cdba12ABpV亦即： 从而 可知 的积分与路径无关，那么一定为某状态参数，令 取名为熵 注意上述的讨论是对可逆过程，所以 kJ/K, J/K (下标re代表可逆)比熵为：（kJ/kgK, J/kgK）或逆过程的熵变： 3.6 不可逆过程的熵变、熵流和熵产利用第二定律对热过程方向性的分析和研究，在很多情况下，是利用状态参数熵进行的。熵的本质（不可逆性）是“系统混乱度的量度”。熵产是造成功损失的关键因素。不可逆

3、过程引起的功损失 为什么可以用熵来作为不可逆性的标志呢？这是在把可逆过程与不可逆过程比较后发现的，除了传热引起的熵变以外，其他因素引起的熵变在可逆过程时为零，不可逆过程时不为零，熵变越大（熵增加），过程不可逆性越大。可逆过程的熵变引进熵时，利用了可逆卡诺循环的效率公式，在那里指出,对任意可逆循环这时称 为熵，它是一个状态参数。不可逆过程熵变会如何呢？对如图所示的不可逆过程,可用以前相同的分析方法，将循环用无数条绝热线化分，分成无数个微小循环。 可用以前相同的分析方法，将循环用无数条绝热线化分，分成无数个微小循环。对每个不可逆循环，卡诺定理指出，其效率小于同限温差下的卡诺循环效率：即cdba12

4、ABpV再考虑系统吸热为负，则可化成综合全部微元，则有 （等号对应可逆过程）这就是著名的克劳修斯不等式熵在上面的定义中， 那么，这里的不可逆过程中的 与dS有什么关系呢？ 所以有设有如右图所示的不可逆过程： 其中过程为不可逆过程 为可逆过程另假设有一路径是可逆过程，那么根据上述分析得：pA12BCV由上两式可得： 由于为可逆过程，按熵的定义:状态变化到状态时: （由克氏不等式） （卡诺定理） 所以 :但熵是一个状态参数，变化只与初终态有关，对上面的或均有 （不可逆时） （可逆时） 因此可概括为： 可见，不可逆过程中熵变不能用 求得， 对可逆过程可以用 计算熵变 因此，要计算从某初态到终态任何不

5、可逆过程的熵变，只需在初终态间选择任意可逆过程来计算这也是最一般的方法。 在不可逆过程中，熵变dS大于过程工质的 那么，将这一差值定义为： （称为熵产，generation of entropy） 亦即 熵变 一部分是由与外界热交换引起的,为 ，可正可负，称为熵流，记为dS f。另一部分是由不可逆因素引起的，称为熵产dSg，（恒为正） dS=dSf+dSgdSf是传热引起的，可以大于，小于，等于；dSg是由不可逆性引起的，只能大于零。dSg。不可逆性越大，dSg越大。 （熵变分为两部分） 熵变、熵流与熵产各种不可逆因素不是独立的，第二定律有不同的形式，从这里知道，不可逆性的实质是相同的，均可用

6、dg表示。所以熵产是所有不可逆性大小的共同量度。熵产是所有不可逆性的共同量度可逆和不可逆过程在图上的表示3.7 系统的熵平衡计算3.8 孤立系统的熵增原理孤立系与外界无任何能量与物质交换，即 dQ=0熵流等于零。于是孤立系的熵变：dSiso= dSg也就是说，对任一热力过程Siso 熵增原理孤立系统的永不减小（可逆时熵变，不可逆时熵变）有了熵增原理，就可用之分析热过程的方向，如果某过程是使孤立系的熵增加了，则过程可行，使熵减少了，则不可行。如果要使熵减少了的过程仍然可行，必须进行补偿，补偿的最少也要使熵变为零。熵增原理，可以推广到社会科学领域，普利高津城市学、经济学、生物学等领域。 3.9 能

7、量的品质与能量的贬值原理热量的间接利用的目的，获取功量。因此，功是人类最可贵的能源，它的可变性也最好，可随意地转变为其它的能量，因而功的能量品质最高。在此，能量不但有数量的多少之分，更有品质的高低之别。能量的品质以它能转换为功的比例决定，转换的比例越高，品质越高。于是，热能Q的品质与它的温度有关，温度高，品质高。 火用的概念早在1824年卡诺（Carnot）就指出，工作在高温热源T1与低温热源T2之间的任何热机，当从高温热源吸取数量为Q1的热量时，最多可转化为有用功的部分为：火用的概念显然，在热量Q1中，除去可转变为有用机械功的Q1（1-T0/T1）这部分外，将有Q1（T0/T1）部分放给周围

8、环境而无法转变为功。火用的定义在给定环境条件下任何形态的能量，理论上（或最大限度）能够转变为有用功的那部分能量称为该能量中的“火用”或“有效能”，而不可能转变为有用功的那部分能量称为该能量中的“火无 ”或“无效能”有了火用 概念后：第一定律可表述为：在任何过程中，火用 和火无 的总量保持不变。热力学第二定律可表述为：在可逆过程中，火用 保持不变; 在一切不可逆过程中，必然有火用“蜕化”为火无 ；将火无 转变为火用是不可能的。能量的贬值原理任何自发的热过程，都只向着能量品质降低的方向发展，理想情况下，品质不变。稳定平衡定律：过程总是朝着单一的方向进行的（单向性），每个中间允许状态只能经历一次（演进性），过程的终态是唯一的（唯一性），当系统达到稳定平衡态时过程就结束（有限性）。过程中系统的能量保持不变（守恒性），但是，系统能量的做功能力（能质）是下降的（衰变性）。过程中在外界不会产生任何影响（孤立性）。思考题：以下说法有何错