第五章-热力循环-热力学第二定律及其应用讲解课件

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热泵第五章热力循环

——热力学第二定律及其应用课时：61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2一、热力学第二定律的三种叙述①1850年克劳修斯说法：有关热流方向的表述，热不可能自动从低温物体传给高温物体。②1851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。③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热力学第二定律一、热力学第二定律的三种叙述①1850年克劳修斯说法：有关热35.1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。5.1热力学第二定律二、几个概念：热源：是一个具有很大热容45.2熵宏观热力学性性质：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熵宏观热力学性性质：内能：是与体系内部微观粒子运动55.2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T2Q1Q2循环装置T1＞

T2∣Q1∣

=

∣

Q2∣

推导：以循环装置为体系，则两个热源均为外界环境。5.2熵关于孤立体系的熵增与不可逆性的关系推导：热源T65.2熵对循环装置：由第二定律：循环装置——体系热源——环境：5.2熵对循环装置：由第二定律：循环装置——体系热源——75.2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，传热过程接近可逆。5.2熵对热源：即任何一传热过程只85.2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设有一热机，工作于温度为TH的高温热源与95.2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熵例5-1解：取热机为体系由热力学第一定律：热机为105.2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熵环境熵变：其中：结论：1、由于2、当3、任何可逆115.2.1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：5.2.1热力学第二定律用于封闭体系其中：12一、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；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135.2.1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二、与熵有关的问题1、145.2.1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热力学第二定律用于封闭体系2、熵产155.2.1热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5.2.1热力学第二定律用于封闭体系3、封闭体系熵平衡一般165.2.2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。5.2.2孤立体系熵平衡式孤立体系：熵产生175.2.3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敞开体系熵平衡式敞开体系物流出物流入熵平衡关系为185.2.3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敞开体系熵平衡式讨论1、稳流过程：或敞开体系稳流195.2.3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敞开体系熵平衡式3、不可逆绝热过程：205.2.3敞开体系熵平衡式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5-25.2.3敞开体系熵平衡式150℃的饱和21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：例5-25.2.3敞开体系熵平衡式解：由225.2.3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敞开体系熵平衡式例5-2（2）235.2.3敞开体系熵平衡式（4）计算冷凝过程为不可逆过程。例5-25.2.3敞开体系熵平衡式（4）计算245.2.3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=10kg•s-1，与T2=300K，P2=0.1MPa，m2=5kg•s-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5.2.3敞开体系熵平衡式例5-3设有25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5-3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265.2.3敞开体系熵平衡式稳流过程熵衡算：由：例5-35.2.3敞开体系熵平衡式稳流过程熵衡算：由：例5-3275.2.3敞开体系熵平衡式其中：即混合过程为不可逆过程。例5-35.2.3敞开体系熵平衡式其中：即混合过程为不可逆过程。例285.3热力学图表及其应用常见热力学图表：T-S图，h-S图，p-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。5.3热力学图表及其应用常见热力学图表：T29氨的T—S图5.3热力学图表及其应用氨的T—S图5.3热力学图表及其应用305.3热力学图表及其应用氨的T—S图5.3热力学图表及其应用氨的T—S图315.3热力学图表及其应用5.3.1T—S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<x4等焓线：H1>H2>H3图5-7T-S示意图DO5.3热力学图表及其应用5.3.1T—S图的构成与性质325.3.1T—S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T—S图描述不同过程5.3.1T—S图的构成与性质三、有关计算1、汽化热临界点335.3.1T—S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1→2：膨胀前温度较高3→4：膨胀前温度较低5.3.1T—S图的构成与性质即12341的面积。1、等压343、等熵膨胀或压缩过程可逆绝热：不可逆绝热：等熵膨胀效率：5.3.1T—S图的构成与性质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：535等熵压缩效率：5.3.1T—S图的构成与性质等熵压缩效率：5.3.1T—S图的构成与性质36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=1443.5kJ·kg-1，h2=1665.2kJ·kg-1，s1=

s2=5.5438kJ·kg-1·K-1T2=382.15K5.3.1T—S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37（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5-45.3.1T—S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38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5-45.3.1T—S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395.3.2h—S图5.3.2h—S图405.3.3P—h图5.3.3P—h图415.4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T—S图上的卡诺循环5.4蒸汽动力循环蒸汽动力循环的意义：425.4.1卡诺循环循环过程：对可逆热机：5.4.1卡诺循环循环过程：对可逆热机：435.4.1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卡诺循环卡诺热机的效率与工作介质性445.4.1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1•4•3•2•水泵简单蒸汽动力装置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45T—S图上的卡诺循环1→2：等温吸热2→3：可逆绝热膨胀3→4：等温排热（冷凝）4→1：可逆绝热压缩T—S图上的卡诺循环：5.4.1卡诺循环T—S图上的卡诺循环1→2：等温吸热2→3：可逆绝热膨胀3465.4.2朗肯循环卡诺循环存在的问题：1、2→3：3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、4→1：4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。T—S图上的卡诺循环5.4.2朗肯循环卡诺循环存在的问题：1、2→3：3为湿蒸47具有实践意义的蒸汽动力循环——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•4•3•2•水泵蒸汽动力装置具有实践意义的蒸汽动力循环——朗肯循环1、理想朗肯循环5.448（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。1→2：不饱和水等压加热为过热蒸汽；2→3：绝热膨胀至冷凝压力；3→4：等温等压冷凝为饱和水；4→1：饱和水绝热压缩为过冷水。2、实际蒸汽朗肯循环（2）能量衡算：1→2和3→4：2→3：4→1：（2）能量衡算：1/→2和3/→4：2→3/：495.4.2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某蒸汽动力循环装置产505.4.2朗肯循环例5-5锅炉冷凝器透平1•4•3•2•水泵蒸汽动力装置饱和水湿蒸气5.4.2朗肯循环例5-5锅炉冷凝器透1•432•水泵蒸515.4.2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。理想朗肯循环蒸汽通过透平机为绝热可逆膨胀过程过程：5.4.2朗肯循环例5-5解：查取各状态点的参数过热蒸汽：52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（1）计算乏汽的干度X（2）计算53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（5）计算锅炉提供的热（6）计算54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）冷凝器放出的热例5-55.4.2朗肯循环2、求实际动力循环热效率，以1k555.4.2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5-5（3）水泵的实际耗功（4）锅炉吸565.4.2朗肯循环例5-53、蒸汽流量、锅炉、冷凝器传热速率5.4.2朗肯循环例5-53、蒸汽流量、锅炉、冷凝器传热速575.4.3朗肯循环的改进卡诺循环：两个传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朗肯循环的改进卡诺循环：两个传热过程为无温差的585.4.3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（1）提高过热蒸汽的温度：595.4.3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朗肯循环的改进提高蒸汽压力（2）提高过605.4.3朗肯循环的改进再热循环（3）采用再热循环162435875.4.3朗肯循环的改进再热循环（3）采用再热循环162615.5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制冷1、概念：使物系的温度降低到周围环境物质的温度625.5.1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。5.5.1制冷原理与逆卡诺循环（1）工质在低温下不断吸热（631、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•4•3•2•膨胀机大气环境制冷环境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64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655.5.2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蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环与卡诺循665.5.2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S4＞S3。压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器蒸汽压缩制冷循环5.5.2蒸汽压缩制冷循环1、组成672、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2•3•4••1冷凝器压缩机节流阀被冷物料大气环境2、能量恒算蒸发器中吸热：681、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，冷凝器放热量和制冷系数。3、压缩为非等熵过程时的上述各参数。5.5.2蒸汽压缩制冷循环例5-7某空气调节装置的制冷能力（制冷量）为，采用氨蒸汽压缩制冷循环，夏天室内温度维持在15ºC，冷却水温度为35ºC，蒸发器与冷凝器的传热温差均为5ºC，已知压缩机的等熵效率为0.80。试求：解：蒸发温度为：1、冷凝温度为：逆卡诺循环的制冷系数：1、逆卡诺循环的制冷系数。5.5.2蒸汽压缩制冷循环例5-695.5.2蒸汽压缩制冷循环2、由已知条件，查氨的T—S图得：10ºC的饱和液体：40ºC的饱和液体：由10ºC及相应的饱和蒸汽压查与3点的熵值相等时的焓值为：氨的循环速率：压缩机的功率：例5-75.5.2蒸汽压缩制冷循环2、由已知条件，查氨的T—S图得705.5.2蒸汽压缩制冷循环冷凝器放出热：制冷系数：3、由等熵效率：氨的循环速率：例5-75.5.2蒸汽压缩制冷循环冷凝器放出热：制冷系数：3、由等71例5-75.5.2蒸汽压缩制冷循环压缩机的功率：冷凝器放出热：制冷系数：例5-75.5.2蒸汽压缩制冷循环压缩机的功率：冷凝器放出725.5.2蒸汽压缩制冷循环3、制冷系数提高措施（1）降低冷凝温度和冷凝器传热温差；（2）提高蒸发温度和蒸发器的传热温差；（3）降低过冷温度。5.5.2蒸汽压缩制冷循环3、制冷系数提高措施（1）降低冷735.5.3制冷介质的选择实际制冷循环的制冷能力、压缩机功耗、设备的操作压力、结构尺寸、使用的材质都与工作介质有密切的关系。对制冷剂的要求：汽化潜热要大；蒸汽压要合适；具有化学稳定性；不具有易燃易爆性；价格低廉。常使用的制冷剂：工业上：氨家庭用：氟里昂-125.5.3制冷介质的选择实际制冷循环的制冷能745.5.4热泵热泵的工作原理与制冷相同，但是目的不同。是在高温热源吸热，低温热源放热，实现制热。在低温热源放出的热为：评价热泵的技术经济指标：制热系数可逆热泵实际热泵5.5.4热泵热泵的工作原理与制冷相同，但是目的不同。在低75作业5-1、5-2、5-4、5-55-11、5-12、5-14作业5-1、5-2、5-4、5-576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热泵第五章热力循环

——热力学第二定律及其应用课时：677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78一、热力学第二定律的三种叙述①1850年克劳修斯说法：有关热流方向的表述，热不可能自动从低温物体传给高温物体。②1851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。③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热力学第二定律一、热力学第二定律的三种叙述①1850年克劳修斯说法：有关热795.1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。5.1热力学第二定律二、几个概念：热源：是一个具有很大热容805.2熵宏观热力学性性质：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熵宏观热力学性性质：内能：是与体系内部微观粒子运动815.2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T2Q1Q2循环装置T1＞

T2∣Q1∣

=

∣

Q2∣

推导：以循环装置为体系，则两个热源均为外界环境。5.2熵关于孤立体系的熵增与不可逆性的关系推导：热源T825.2熵对循环装置：由第二定律：循环装置——体系热源——环境：5.2熵对循环装置：由第二定律：循环装置——体系热源——835.2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，传热过程接近可逆。5.2熵对热源：即任何一传热过程只845.2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设有一热机，工作于温度为TH的高温热源与855.2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熵例5-1解：取热机为体系由热力学第一定律：热机为865.2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熵环境熵变：其中：结论：1、由于2、当3、任何可逆875.2.1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：5.2.1热力学第二定律用于封闭体系其中：88一、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；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895.2.1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二、与熵有关的问题1、905.2.1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热力学第二定律用于封闭体系2、熵产915.2.1热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5.2.1热力学第二定律用于封闭体系3、封闭体系熵平衡一般925.2.2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。5.2.2孤立体系熵平衡式孤立体系：熵产生935.2.3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敞开体系熵平衡式敞开体系物流出物流入熵平衡关系为945.2.3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敞开体系熵平衡式讨论1、稳流过程：或敞开体系稳流955.2.3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敞开体系熵平衡式3、不可逆绝热过程：965.2.3敞开体系熵平衡式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5-25.2.3敞开体系熵平衡式150℃的饱和97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：例5-25.2.3敞开体系熵平衡式解：由985.2.3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敞开体系熵平衡式例5-2（2）995.2.3敞开体系熵平衡式（4）计算冷凝过程为不可逆过程。例5-25.2.3敞开体系熵平衡式（4）计算1005.2.3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=10kg•s-1，与T2=300K，P2=0.1MPa，m2=5kg•s-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5.2.3敞开体系熵平衡式例5-3设有101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5-3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1025.2.3敞开体系熵平衡式稳流过程熵衡算：由：例5-35.2.3敞开体系熵平衡式稳流过程熵衡算：由：例5-31035.2.3敞开体系熵平衡式其中：即混合过程为不可逆过程。例5-35.2.3敞开体系熵平衡式其中：即混合过程为不可逆过程。例1045.3热力学图表及其应用常见热力学图表：T-S图，h-S图，p-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。5.3热力学图表及其应用常见热力学图表：T105氨的T—S图5.3热力学图表及其应用氨的T—S图5.3热力学图表及其应用1065.3热力学图表及其应用氨的T—S图5.3热力学图表及其应用氨的T—S图1075.3热力学图表及其应用5.3.1T—S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<x4等焓线：H1>H2>H3图5-7T-S示意图DO5.3热力学图表及其应用5.3.1T—S图的构成与性质1085.3.1T—S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T—S图描述不同过程5.3.1T—S图的构成与性质三、有关计算1、汽化热临界点1095.3.1T—S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1→2：膨胀前温度较高3→4：膨胀前温度较低5.3.1T—S图的构成与性质即12341的面积。1、等压1103、等熵膨胀或压缩过程可逆绝热：不可逆绝热：等熵膨胀效率：5.3.1T—S图的构成与性质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：5111等熵压缩效率：5.3.1T—S图的构成与性质等熵压缩效率：5.3.1T—S图的构成与性质112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=1443.5kJ·kg-1，h2=1665.2kJ·kg-1，s1=

s2=5.5438kJ·kg-1·K-1T2=382.15K5.3.1T—S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113（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5-45.3.1T—S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114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5-45.3.1T—S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1155.3.2h—S图5.3.2h—S图1165.3.3P—h图5.3.3P—h图1175.4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T—S图上的卡诺循环5.4蒸汽动力循环蒸汽动力循环的意义：1185.4.1卡诺循环循环过程：对可逆热机：5.4.1卡诺循环循环过程：对可逆热机：1195.4.1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卡诺循环卡诺热机的效率与工作介质性1205.4.1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1•4•3•2•水泵简单蒸汽动力装置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121T—S图上的卡诺循环1→2：等温吸热2→3：可逆绝热膨胀3→4：等温排热（冷凝）4→1：可逆绝热压缩T—S图上的卡诺循环：5.4.1卡诺循环T—S图上的卡诺循环1→2：等温吸热2→3：可逆绝热膨胀31225.4.2朗肯循环卡诺循环存在的问题：1、2→3：3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、4→1：4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。T—S图上的卡诺循环5.4.2朗肯循环卡诺循环存在的问题：1、2→3：3为湿蒸123具有实践意义的蒸汽动力循环——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•4•3•2•水泵蒸汽动力装置具有实践意义的蒸汽动力循环——朗肯循环1、理想朗肯循环5.4124（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。1→2：不饱和水等压加热为过热蒸汽；2→3：绝热膨胀至冷凝压力；3→4：等温等压冷凝为饱和水；4→1：饱和水绝热压缩为过冷水。2、实际蒸汽朗肯循环（2）能量衡算：1→2和3→4：2→3：4→1：（2）能量衡算：1/→2和3/→4：2→3/：1255.4.2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某蒸汽动力循环装置产1265.4.2朗肯循环例5-5锅炉冷凝器透平1•4•3•2•水泵蒸汽动力装置饱和水湿蒸气5.4.2朗肯循环例5-5锅炉冷凝器透1•432•水泵蒸1275.4.2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。理想朗肯循环蒸汽通过透平机为绝热可逆膨胀过程过程：5.4.2朗肯循环例5-5解：查取各状态点的参数过热蒸汽：128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（1）计算乏汽的干度X（2）计算129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（5）计算锅炉提供的热（6）计算130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）冷凝器放出的热例5-55.4.2朗肯循环2、求实际动力循环热效率，以1k1315.4.2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5-5（3）水泵的实际耗功（4）锅炉吸1325.4.2朗肯循环例5-53、蒸汽流量、锅炉、冷凝器传热速率5.4.2朗肯循环例5-53、蒸汽流量、锅炉、冷凝器传热速1335.4.3朗肯循环的改进卡诺循环：两个传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朗肯循环的改进卡诺循环：两个传热过程为无温差的1345.4.3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（1）提高过热蒸汽的温度：1355.4.3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朗肯循环的改进提高蒸汽压力（2）提高过1365.4.3朗肯循环的改进再热循环（3）采用再热循环162435875.4.3朗肯循环的改进再热循环（3）采用再热循环1621375.5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