第五章 热力循环-热力学第二定律及其应用

第五章热力循环——热力学

第二定律及其应用学习要点：

1.预测实际过程的方向及深度；

2.建立起能量质量的观念，树立起开发“第五能源”的意识：

煤、石油、天然气、原子能＋节能。重点：熵平衡式；某些过程熵变的计算；

T－S图及其应用，包括各种过程在T－S图上的表示，动力循环、制冷循环及热泵循环各步的功、热计算等。15.1

热力学第二定律5.1.1

热力学第二定律的概述传热：热不可能从自动的从低温传递到高温。热功转换：不可能有一热机从单一热源吸热而全部转变为功。（外界不留下任何变化，不向环境散失热量）概括地讲，一句话：

2一切自发过程都是不可逆的不可逆指的是单向性。或者说凡是自发过程都是有方向性的。热由高→低温传递是自发的。反之不能自发进行，其它也一样。

为什么治理环境污染要比污染环境难得多？？？

35.1.2

热功转化的效率热机效率

对外所做功和在高温热源吸收热量之比。（火力发电厂的热效率大约为40%）

若该过程可逆地进行，效率应该是最高的。4逆循环不会自发地进行，需要外界输入功。

55.2

熵

5.2.1卡诺循环及熵卡诺循环工质为理想气体。卡诺循环示意图1→2 TH 等温膨胀2→3 Q＝0 绝热膨胀3→4 TL 等温压缩4→1Q＝0 绝热压缩6①

∵理想气体

理气

②

(A)功热计算：7③

④

(B)应用循环来求功：循环为什么？

记住！比较(A)(B)二式：

因为是状态函数。其它状态函数均成立。

8

卡诺效率，实际效率之极限。结论：卡诺效率与工质无关，只与TH、TL有关。这是热力学第二定律数学表达式的基础工作，有人进一步研究了这个结果：

循环：∑做功＝∑热。为什么？

∴9第二、四步Q＝0，即热温商等于零。写成通式：循环过程

或写成定义：可逆过程的热与所对应的温度之比称为熵。

即

熵函数的引出问题：由联想到示功图(P－V图)

类比出示热图：10N是什么？当时并不知道，称之为N－Tropy，N方向上的矢量。为了拼写方便，前面加上一个“E”变为Entropy

——熵。11复习一下有关熵计算的内容：对于环境熵变：a.可逆过程∵传热无温差

∴b.实际过程环境认为是无限大热源，传热不可能引起环境温度改变即为可逆传热，所以不要人为设计可逆过程，对于物系一定要设计可逆过程。

12熵变计算并不难，关键概念要清楚！通过对熵变的计算可以总结出一个规律：对于一切实际过程：总成立！或

第二定律的数学表达式

即自然界进行的一切过程熵值不可能减小。做功本领不可能自动增加。13需要指出：自然界的工作方式服从两个规律：这个结论仅适合于宏观状态大量分子。极少数分子在超微观的情况下，可能出现反常现象，不在我们讨论的范围之内。判断过程的可逆与否：不可逆可逆(平衡态)过程进行的方向：熵值增的方向，限度：平衡态145.2.2热力学第二定律用于闭系概念：①熵流

系统与环境之间由于能量的传递(能流)使系统增加的熵称为熵流。

能量流动有功、热两种，功是有序能量，其传递结果不含有熵流，所以只有热能流动才直接联系到熵流动。随热流产生的熵流

其中,T是输入界面的点温度，所以热交换是可逆的。

体系与外界传递的热量可正、可负，可为零。因此熵流亦如此。15②熵产体系内部由于过程的不可逆性而产生的熵。时是可逆过程。一切实际过程均是不可逆的，也就是说熵是不守恒的，它会由于过程的不可逆而“产生”出来，我们称之为熵产。过程的不可逆程度越大，熵产也就越大。若是不可能的。③封闭体系的熵平衡式：165.2.3孤立体系熵平衡式第二定律

若将不等式变为等式则

即即孤立体系的熵产生等于孤立物系的总熵增量。5.2.4开系熵平衡式体系熵变：若熵流是由变温热流流动引起的：17若熵流是由恒温热流流动引起的则：对于稳流过程，热力学状态不随时间而改变：或——敞开体系稳流过程熵平衡式其中：为比熵——单位质量流体的熵，KJ·kg-1·K-1——质量，kg

——熵流，若为恒温热源吸热为正恒温热源温度，单位K(绝对温度)。绝热过程18一股流体经过节流阀

绝热可逆过程

∴

等熵过程若一股物流

(等熵过程)例5-2P12519小结熵的概念

过程进行的限度：

达到平衡状态。判断过程的方向性熵值增大的方向

熵流：由于热量传递引起熵变。可正、可负、可为零。看P82熵产：由于过程的不可逆性而“产生”出来的熵。不可能

孤立体系20或

闭系：换一种理解：开系稳流过程215.3热力学图表及其应用常见的有T－S图，H－T图，P－H图，H－S图等另外热容、逸度系数、等很多。本课的重点：T－S图及其应用。

5.3.1温熵图(T－S图)

1.图形分析（点、线、面的物理意义）

点：临界点——饱和蒸汽线和饱和液体线的交点C点。

基本线型：①等压线②等焓线③等比容线V＝const

（有的图不画出来）

22④等干度线x=const

x＝0

饱和液体，

x＝1

饱和蒸汽⑤等T线⑥等S线

面：两相区——山包线内汽相区——山包线右侧液相区——山包线左侧流体区——时(又称超临界区)232.表示状态和过程相律F——自由度，数学上的独立变量。在T－S图上：状态——用一个点表示；

过程——用一个线段表示。为什么？3.基本用途①等压加热和冷却过程如图，（反过来由2→1即为等压冷却过程）过程

又∵是等压加热

为什么？

等压24③等熵膨胀或非等熵膨胀过程绝热可逆过程为等熵过程：1→2

（垂直！）或

若为绝热不可逆过程，熵值必定增大，线应该向右偏。一定记住！

1→2′，2′点由等熵效率来确定：若

解出膨胀压缩后的温度读图即可！25②节流膨胀过程如图所示1→2。若在两相区中：

则

由于过程不可逆。26④等熵压缩、非等熵压缩

（绝热可逆、不可逆压缩）

等熵

1→2

（垂直！）压缩后的温度亦可直接读出，不必由迭代。

若为绝热不可逆过程，向右偏！27例5-4P130⑤等温可逆压缩或膨胀

等温可逆膨胀？倒回去！2→1等温可逆压缩：285.3.2焓－熵图(h-s图)P130页图(5-12(a))。线型比较简单：等T、等P线。多应用高温区。

296→1视为绝热可逆压缩

垂直！1→2预热2→3汽化3→4过热4→5膨胀做功（等熵膨胀即绝热可逆）垂直！若为绝热不可逆即实际膨胀4→7右偏！！！5→6冷凝TS－图示：记住！305.3.3压－焓图(p－h图)P132页图[5-13]线型简单：等T、等S线等。适用于和压力有关的焓的计算。5.3.4焓－温图(h-T图)线型比较简单：等P、S线。计算过程的热比较方便。

31325.4

水蒸气动力循环显然这个结论对提高实际热机效率有指导意义。5.4.1

卡诺循环

以蒸气为工质（工作介质）产生动力的循环——蒸气动力循环。朗肯循环是典型的、最简单的蒸气动力循环。

5.4.2

朗肯循环工艺流程如图所示：记住！

33以理想朗肯循环为例，进行热、功计算：⑴锅炉系统吸热1→4

⑵透平机做功

4→5

5点的焓值

干度由熵确定：

⑶冷凝器中散热量

5→6⑷

泵功计算按绝热可逆

过冷液体区等压线密集，h1不易读出，采用近似计算：34整个循环的净功循环过程热效率

汽耗率

实际膨胀过程

S7>S4

透平机等熵效率

给定冷凝放热

35P135

例5－5

5.4.3朗肯循环的改进前提：冷却水温一定。定性地分析：⑴提高水蒸气过热温度过热度

膨胀机希望x=1，没有液滴出现，可防止水击。但是随着T上升，对材质要求上升。所以一般要求T4<600℃，否则设备费用增加。36⑵提高蒸气的压力

汽化热减小QH↓当P>PC称为超临界锅炉。需要特殊材质，目前一般不用，所以要求x>0.88。37⑶采用再热循环既然都使但受材质影响T<600℃，x>0.88把二者结合起来

由T-S图可以看出：再热次数增加，都使但是，再热次数越多，设备越复杂，投资越高，和压缩机分段越多越省功，但设备投资愈高的道理一样，所以取一个最佳值。P138例5－6

385.4.4其他动力循环（简介）

传统的动力循环

锅炉系统39背压式透平根据供热需要选择压力

抽气式透平根据供热需要抽气40c．蒸汽－燃气联合循环

41

b.

燃气轮装置循环425.5

制冷

<制得

Tlow

保持

－100℃

普通制冷

深冷

要点：制冷过程在T-S图上标示以及冷冻量、消耗功量及制冷系数等的计算。43制冷的应用制冷气体液化润滑油净化低温反应食品储存结晶分离气温调节44制冷的实质：利用外功将热持续的从低温物体传给高温环境介质代价(WS)OK!!Q自发4546制冷的常见类型蒸气压缩制冷空气压缩制冷消耗外功型消耗内能型制冷蒸汽喷射制冷吸收制冷475.5.1

制冷循环与蒸汽动力循环的比较48卡诺循环是热机的极限，将其倒过来即逆卡诺循环——制冷机的极限

由此可看出：蒸发温度TL越高，冷凝温度TH与蒸发温度TL的差值（TH－TL）越小，冷冻系数就越大。此结论指导制冷节能！495.5.2

蒸汽压缩制冷循环A.在热力学图上的标示及功、热计算

原则：点代表一个状态，线代表一个过程。①由点1→2为等熵压缩

即每公斤工质耗功量。Ws=mws②由点2→3→4为等压冷凝过程

若工质循环速率为mKg/h,冷凝器每小时放热量为即为冷凝器热负荷。③由点4→5为节流过程，等焓过程

h4=h550④由点5→1为等压汽化过程

每小时蒸发器吸收的热量即制冷量为若已知求出工质循环速率

制冷系数

这里压缩机功耗

51

单位时间在蒸发器中吸收的热量，称为冷冻能力。1冷冻吨——每天将273.16K的1吨水凝结为同温度的冰所需取走的热量，它等于非等熵压缩过程：

52B.制冷循环的操作工况T汽化=T物系要求达到的温度－4～5℃（传热温差）压缩机入口压力即T汽对应的P饱为P1。T冷凝=T冷凝介质+5℃（传热温差）压缩机出口压力即T冷凝对应的P饱为P2，整个冰机系统的操作工况无法人为控制，它随着冷凝介质和被冷物料的温度而浮动。（压缩机出口压力夏天高，冬天低）53冷凝温度对制冷系数的影响：压缩机出口压力夏天高，冬天低

蒸发温度对制冷系数的影响：TL升高，ξ增加过冷温度对制冷系数的影响：冬天省电P141例（5-7）54C.冰机节能的探讨——多级蒸汽压缩制冷循环若采用一台压缩机，汽氨总管压力必须是-15℃的饱和蒸汽压，后两台氨冷器传热温差就很大，怎么办？分为三级，即为多级蒸汽压缩制冷循环。

蒸发温度TL越高，冷凝温度TH与蒸发温度TL的差值（TH－TL）越小，冷冻系数就越大。此结论指导制冷节能！55低压蒸发器1低压汽缸高压汽缸中间冷却器节流阀I节流阀II汽液分离器高压蒸发器冷凝器22’3456787

356进入压缩机二段缸的一共有四股气体：低压缸（一段缸）来的气体中压制冷所产生的蒸汽节流阀A后产生的蒸汽（5→6点汽液混合物）冷却低压缸来的气体时液氨蒸发产生的蒸汽。（

→3时所需冷量）

计算结果表明制得相同冷量可节省一部分功，原因是采用了中压节流，第一级冷冻系数提高了，

(低温为负数℃，温度越高TL↑)当冷冻温度要求过低时，也可采用多级制冷，考虑压缩机功耗，P入口很低，出口压力受冷凝介质限制，不能改变，这样压缩比很大。（夏天冷却水温40℃，冷凝温度达45℃的PS↑）压力高，出口温度相应提高，采用多级制冷（压缩）既可降低压缩功耗又可改善压缩机润滑状况，如：沧化三级闪蒸制冷。5712345678ST

①

节能（耗功少）②

制冷率高③可同时得到不同温度的低温

分级压缩、蒸发的优点：思考：三级压缩三级蒸发?585.5.3吸收式制冷循环

吸收制冷采用的工质是氨水溶液或溴化锂溶液，前者可达208K左右，后者在278K以上，用于空调系统。所需的热源属于低品味热能，工厂中的低压蒸汽、热水、烟道气及某些工艺气体（需要降低其温度）。将这些所谓余热加以利用，从而节省了电能或机械能，从节约能源的角度是很合理的。它的缺点是热力系数比较低。吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环的不同点在于：蒸汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功）吸收式制冷循环：吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品位热量和少量泵功）

59吸收式制冷的工作原理

右边红框相当于压缩机泵吸收器换热器解吸器蒸发器节流阀QL载冷体水低品位热量Q冷凝器QH水605.5.4制冷剂的选择原则：P144汽化潜热大，减少制冷