第五章热力循环-热力学第二定律

化工热力学ChemicalEngineeringThermodynamics华北科技学院第五章热力循环——热力学第二定律1.三种表述5.1热力学第二定律(1)有关热流方向的表述：1850年克劳休斯：

热不可能自动的从低温物体传给高温物体。

(2)有关循环过程的表述：1851年开尔文：

不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其他变化。(3)有关熵的表述：孤立体系的熵只能增加，或达到极限时保持恒定。△St≥0不可逆

可逆孤立体系热力学第二定律另一种表达式：△St=△Ssys+△Ssur≥0——熵增原理5.1热力学第二定律2.四个概念热源

——是一个具有很大热容量的物系。取出或接受热量，温度不变，热源里的过程为可逆过程。功源

——是一种可以做功或接受功的装置。功源里的过程是绝热可逆过程，即等熵过程。绝热→△Ssur=0→△St=△S功源=0，功源没有熵变。5.1热力学第二定律热机

——是一种产生功并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。

热功率

——热转化为功的效率。获得的功/投入的热。

ηT=Ws/Q5.2熵熵S与微观状态数Ω

1878年，L.Boltzmann提出了熵与微观状态数的关系：

S=klnΩ

粒子的活动范围愈大，粒子的数目愈多，系统的微观状态数Ω愈多，系统的混乱度愈大。5.2熵热机低温热源高温热源功源可逆热机循环示意图由稳流过程的能量平衡式可得：由热力学第二定律：可逆过程：热机为系统

循环过程：

则：

可逆：可逆热机效率：即使在可逆热机中做了最大功(可逆功)，也不可能将热全部转化为功，ηT<100%a.孤立体系，发生可逆过程，△St=0，可以获得最大功Ws(R)，但热并不能全部转化成为功。b.孤立体系，发生不可逆过程，△St>0，说明体系做功能力损失了，而损失做功能力大小与△St成正比。循环装置热源热源两个热源之间的传热5.2熵由稳流过程的能量平衡式可得：则，Q=QH+QL=0，即，QH=-QL

循环过程：

a.TH>TL，成立，自发从高温热源传向低温热源b.传热温差△T↓，熵增↓，即不可逆程度越小，导致传热过程缓慢。增加传热面积，设备费用↑。1.闭系热力学第二定律5.2熵△Ssys+△Ssur≥0微分形式dSsys+dSsur≥0dSsur=dS热源+dS功源dS功源=0dSsur=dS热源=δQsur/T=-δQsys/TdSsys≥δQsys/T通常形式dSsys≥δQ/T不可逆可逆闭系热力学第二定律5.2熵⑴熵流dSf可逆过程：我们称为随热流产生的熵流。熵流定义：

功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。由于传热δQR而引起体系熵的变化(2)熵产dSg——熵产生，由于过程的不可逆性引起的熵变。dSsys≥δQ/T等式

积分

过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远不会小于零。ΔSg>0，不可逆过程ΔSg=0，可逆过程

ΔSg<0，不可能过程

2.熵平衡式5.2熵敞开体系物流入物流出W熵流敞开系统熵平衡示意图熵平衡的一般关系式：熵流+熵入+熵产-熵出=熵积累(1)稳流过程

(2)绝热过程

(3)封闭体系

(4)孤立体系

可逆，△Sg=0△Sf=0可逆，△Sg=0流出熵=流入熵绝热可逆=等熵节流△Sg>0P125，例题5-2，3

概述5.3热力学图表用于纯物质使用方便：T-S，H-S，lnp-H查热力学数据分析热力学过程T-S图5.3热力学图表(1)构成

TSC

临界点T-S示意图(1)饱和蒸汽曲线汽液共存区A饱和液体曲线B液相区蒸汽区气相区5.3热力学图表等焓线TSCBAT-S示意图(2)等压线x等干度线

湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量百分数称为干度x

等容线规律5.3热力学图表(2)使用

单相区：f=2

两相区：f=1

用相律分析

如：

已知某物系在两相区的位置，可由T-S图求出汽液相对量，汽液混合物系的热力学性质可通过汽液性质及干度求出。5.3热力学图表a.等压过程无相变TCBA加热外界所交换的热：

SS1S25.3热力学图表有相变：T△S=S2–S1外界所交换的热：

CBAp1△H=粉线区域的面积S1S2S5.3热力学图表b.节流膨胀过程TS无相变：△S=△Sg=S2–S1有相变：5.3热力学图表c.等熵膨胀过程TS可逆绝热过程

等熵过程的焓变：),(111pT),(2’22pT¢实际过程对外实际做的轴功：或等熵过程2未知等熵膨胀效率T2’>T2，S2’>S2S2’S2P130，例题5-4，焓熵图，压焓图5.3热力学图表热力学性质图的共性1.制作原理及步骤相同，仅适用于特定物质。2.图形中内容基本相同，p,V,T,H,S都有。热力学图表与普遍化热力学图表的区别制作原理不同应用范围不同热：以实验数据为基础普：以对比参数作为独立变量作出的热：只适应于特定的物质普：对物质没限制，适用于任一物质1.卡诺循环5.4水蒸气动力循环以水蒸气为工质的卡诺循环示意图：5锅炉冷凝器透平水泵6S图1简单的蒸汽动力装置图2T—S图上的卡诺循环43412312卡诺循环各步骤的能量平衡和熵平衡式2.问题5.4水蒸气动力循环第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是郎肯循环。

（1）湿蒸汽对透平和水泵有浸蚀作用，透平带水量不得超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；（2）绝热可逆过程实际上难以实现。

5.4水蒸气动力循环TS14323’1→2：高温吸热2→3：等熵膨胀做功要求：湿蒸气干度≥90%实际轴功：透平产功：3→4：低温放热TS14323’5.4水蒸气动力循环P135，例题5-54→1：水泵输送水不可压缩：循环过程：实际功：循环热效率：ηT=WN/QH思考：郎肯循环与卡诺循环的不同3.朗肯循环的改进——提高热效率5.4水蒸气动力循环对卡诺循环：对郎肯循环：(3)采用再热循环

η↑(1)提高水蒸气的过热温度(2)提高水蒸汽的压力总结η↑原因，P138，例题5-6制冷定义与方法5.5制冷使物系温度小于环境温度的操作称为制冷。当冷冻温度大于-100℃，称普通冷冻。小于-100℃称深度冷冻。制冷循环为逆向卡诺循环

正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。

工业上制冷循环蒸汽压缩制冷

蒸汽喷射制冷（拉法尔喷嘴）

吸收式制冷

5.5制冷1.制冷原理与逆卡诺循环工质在低温下不断吸热形成的蒸汽可逆绝热压缩高压液体绝热可逆膨胀在高温下放热4312T工质吸热蒸发压缩升温放热冷凝恒熵膨胀S5.5制冷对于工质完成一个循环：衡量制冷机效能的参数为制冷系数，用ξ表示；其定义为：意义：每消耗单位量的外功所获得的制冷量(QL)。

(1)

制冷系数仅是工作温度的函数，与工质性质无关。结论：(2)在TH和TL两个温度之间操作的任何循环，逆卡诺循环的制冷系数最大。(3)提高ξ，必须提高TL或降低TH，而TH为环境温度，一般不变，所以提高低温热源温度TL，ξ提高(很有使用价值，TL提高，可少消耗功)5.5制冷2.蒸汽压缩制冷循环要实现逆卡诺循环有两个困难：

(1)饱和蒸汽膨胀产生液体，透平难以承受。

(2)实现绝热可逆压缩有困难，压缩机不能承受。

蒸汽压缩制冷循环为克服以上两个困难而提出。

绝热压缩过程：1→2(可逆)或1→2’(不可逆)冷凝过程：2→3

节流膨胀过程：3→4

蒸发过程：4→15.5制冷蒸发器冷凝器节流减压阀压缩机实际循环制冷系数：若已知制冷量QL，制冷剂的循环流量：P141，例题5-7提高ξ的措施(1)降低冷凝温度TH，消耗功减少，制冷量增加，ξ升高；

(2)提高TL，即提高蒸发温度，制冷量增加，所以ξ升高；(3)使饱和液体过冷，使之节流膨胀。制冷量加大，ξ提高。5.5制冷3.吸收式制冷循环

吸收制冷是不用机械功，通过吸收和精馏装置来完成循环过程。以溶液为工质(例如，氨)。吸收式制冷装置运行的经济指标成为热力系数ε，定义：QL为吸收的热量(制冷量)，Q为外界提供的热量。ε=QL/Q优点：

可以利用低温热能，尤其是利用工业余热或废热；耗电量少。缺点：

ε较低一般为0.3~0.5；设备体积较庞大，灵活性较小。

5.5制冷4.制冷工质的选择

氨，CO2，SO2，C2H6，C2H4等，氨应用最广泛。

选择汽化潜热大的工质。操作压力要合适，即冷凝压力不宜过高。制冷工质具有化学稳定性。

为了操作安全，制冷工质不应有易燃、易爆性。

价格要低，可以获得大量的供应。

5.6热泵概述作用：将低温热源的热量