第二章热力学分析

第二章热力学分析第一页，共五十五页，2022年，8月28日第一类：可以完全转换的能量这是理论上可以百分之百地转换为其它能量形式的能量，是“高级能量”，如机械能、电能。第二类：可以有限转换的能量这种能量即使在极限情况下，也只能有一部分转换为机械功。例如热能。现代热功转换的最高效率43~47%。第三类：不可能转换的能量这种能量，在环境的条件下，无法转换成机械功。例如环境介质（大气、水、土壤）中的内能。不同转换能力的三类能量热能的一部分可以转换为有用的机械功另一部分对于转换机械功没用第二页，共五十五页，2022年，8月28日(exergy)的定义的定义：当系统由某状态可逆变化到与周围环境相平衡的状态时，理论上可以转换为机械功的那部分能量，称为系统的。的定义：在周围环境条件下，能量中理论上能够转换为有用功的部分，称为该能量的。的定义：热力学系统从给定状态到与周围介质平衡过程中可做的最大功是衡量能量品位高低的尺度第三页，共五十五页，2022年，8月28日(anergie)的定义的定义：能量中不可能转换为有用功的能量部分的定义：不可能转换为的能量能量被人为地分成、两部分：能量=+

机械能、电能的全部是，为零。环境介质（大气、水、土壤）的内能中没有，全部是。第四页，共五十五页，2022年，8月28日能量的转换规律从和的观点看，能量的转换规律可以归纳为：（1）能量守恒原理：与的总和保持守恒（2）不能转换为，很容易变为。（3）可逆过程没有能量的贬值，的总量保持守恒。（4）实际过程是不可逆的，必然发生能量贬值，的一部分变为，即损失。过程的不可逆性越大，损失越多。的总量随不可逆过程的进行不断减少。（5）孤立系统减原理：孤立系统的不会增加，只能减少或不变。

现实当中的孤立系统在那里？第五页，共五十五页，2022年，8月28日建立平衡方程的原则进入设备的=离开设备的+损失

进入过程的=离开过程的+损失转换之前的=转换之后的+损失反应之前的=反应之后的+损失第六页，共五十五页，2022年，8月28日热量与所有热能动力有关第七页，共五十五页，2022年，8月28日热量Eq的定义和计算热量的定义：系统在温度T时所吸收的热量Q在给定环境状态下经过可逆方式转换的最大有用功Wmax，称为该热量Q的。由卡诺定理：T——系统吸收热量时的绝对温度(恒温)，K；T0——环境温度，K。吸热温度T越高，热量越多。第八页，共五十五页，2022年，8月28日热量Aq的计算系统的与系统的熵增量成正比，比例系数为T0温度越高越少第九页，共五十五页，2022年，8月28日如果加热时系统温度是变化的。设初参数为（T1、S1），加入热量后系统经过一系列可逆变化到状态（T2、S2）。根据卡诺定理，相对于温度为T0的环境的热量为Eq

，热量为Aq。

系统熵增（与前相同）第十页，共五十五页，2022年，8月28日和在T-s图上的表示第十一页，共五十五页，2022年，8月28日热量和的例题例题设工质分别以300℃和500℃恒温吸收热量3000kJ。试计算所吸收热量的和分别为多少？环境温度t0=27℃。解（1）工质温度t=300℃时

第十二页，共五十五页，2022年，8月28日（2）工质温度t=500℃时

温度越高，热能的品位越高。第十三页，共五十五页，2022年，8月28日封闭系统的内能Eu“内能”的来由：在封闭系统的条件下，也就是工质不流动的条件下，系统靠消耗本身内能来完成最大有用功的转换，所以称封闭系统的为“内能”，也可称为“做功能力”。第十四页，共五十五页，2022年，8月28日内能Eu定义：封闭系统由给定状态可逆地过渡到与环境相平衡状态的过程中所能完成的最大有用功。U、U0——内能，kJp0——压力，kN/m2V、V0——容积，m3

T0——绝对温度，KS、S0——熵，kJ/K第十五页，共五十五页，2022年，8月28日对于1kg工质相应有比内能eu内能的别名：作功能力、可用度u、u0——比内能，kJ/kgv、v0——比容积，m3/kgs、s0——比熵，kJ/kg·K第十六页，共五十五页，2022年，8月28日封闭系统内能Eu的推导对于可逆过程（增加下标“rev”、“u,max”）封闭系统能量平衡方程式仅对环境放热，负值消耗内能，负值排挤环境功最大有用功第十七页，共五十五页，2022年，8月28日系统放热量等于环境吸热量：负号？可逆过程的孤立系统熵增为零：系统熵变环境熵变熵的定义：系统放热时的温度环境温度第十八页，共五十五页，2022年，8月28日系统从任意状态可逆过渡到环境状态时，系统对外界作的最大有用功：第十九页，共五十五页，2022年，8月28日封闭系统的最大有用功从状态1到状态2，封闭系统能完成的最大有用功为(Wu,max)12

封闭系统能完成的最大有用功等于状态1与状态2内能的差值，或者说是过程中内能的减少量。

第二十页，共五十五页，2022年，8月28日封闭系统比最大有用功封闭系统从状态1过渡到状态2，1kg的工质能完成的最大有用功为第二十一页，共五十五页，2022年，8月28日内能是状态参数当环境状态一定时，内能是状态参数。

第二十二页，共五十五页，2022年，8月28日开口系统的焓Eh开口系统焓的研究适用于工质连续流动的发动机第二十三页，共五十五页，2022年，8月28日稳定流动焓Eh的定义：稳定流动工质从给定状态流经开口系统，以可逆方式过渡到与环境平衡的状态时，系统做出的最大有用功wu,max。对于1kg工质的比焓eh：（与内能的推导类似）第二十四页，共五十五页，2022年，8月28日焓的特点（1）流动工质从状态1过渡到状态2通过开口系统，所能完成的最大有用功等于两个状态工质焓的差：

（2）当环境的温度和压力为定值时焓也是状态参数第二十五页，共五十五页，2022年，8月28日环境是相对的汽轮机以天然水（河流水、海水）为环境海水温差发电以深海水为环境，以海面水为热源第二十六页，共五十五页，2022年，8月28日作业题、定义各写出一种说法哪些物质的内能在大气环境条件下无法转成机械功?写出并解释热量的计算式写出并解释内能的计算式写出并解释焓的计算式第二十七页，共五十五页，2022年，8月28日重要概念的回顾：当系统由某状态可逆变化到与周围环境相平衡的状态时，理论上可以转换为机械功的那部分能量。热量：内能：焓：第二十八页，共五十五页，2022年，8月28日效率

和损失系数Ep____支付(消耗)，例如封闭系统和开口系统的最大有用功；Eg____收益(可利用)，例如转换得到的机械功或电功；El____损失。以Ep除等式两边类比热效率可以定义效率和损失系数：希腊字母Ηη[Eta]Ζζ[Zeta]第二十九页，共五十五页，2022年，8月28日效率：可利用Eg与消耗Ep的比值损失系数：损失El与消耗Ep的比值效率ηe是消耗Ep的利用分额，损失系数ζ是消耗Ep的损失分额。理想可逆过程没有损失，效率等于1；实际不可逆过程有损失，效率小于1。第三十页，共五十五页，2022年，8月28日能级（能质）能级（能质）是量与能量的比：第三十一页，共五十五页，2022年，8月28日例题齿轮箱输入功率100kW，输出功率95kW。请计算齿轮箱每分钟的作功能力损失、效率和损失系数。解：（机械能全是）1）每分钟的作功能力损失El

=60×(100-95)=300kJ2）效率ηe=Eg/Ep=95/100=0.953）损失系数ζ=El/Ep=1-ηe=300/(60×100)=0.05第三十二页，共五十五页，2022年，8月28日例题1、2两台燃气轮机，相同的循环设计参数：燃烧温度2200K，工质吸热量90kJ，因膨胀过程不可逆循环功减少4kJ，排气温度600K，环境温度300K。不相同的循环设计参数：涡轮机前进口温度（混气后）T1=1100K，T2=1500K（冷却叶片）。请计算1）工质吸热量的可用能2）循环中实际完成的功及放出的热量3）燃气轮机作功能力损失、效率4）各不可逆过程作功能力损失第三十三页，共五十五页，2022年，8月28日1）吸热量的可用能2）设下标(1)、(2)与气轮机编号对应根据卡诺循环写出实际功的计算式：解：根据第一定律写出放热量的计算式：工质温度提高作功多第三十四页，共五十五页，2022年，8月28日3）燃气轮机作功能力损失、效率、损失系数第三十五页，共五十五页，2022年，8月28日4）三个不可逆过程作功能力损失高温热源（火焰）与工质间的传热工质的不可逆膨胀循环功少4kJ变为放热4kJ第三十六页，共五十五页，2022年，8月28日工质与低温热源（环境）的传热可以验证：第三十七页，共五十五页，2022年，8月28日稳定流动过程的效率与损失作功系统的效率

耗功系统的效率

第三十八页，共五十五页，2022年，8月28日理想功与最大有用功是一回事教材给出稳定流动过程理想功wide的公式（3-38）与开口系统最大有用功(wu,max)12是一回事开口系统最大有用功开口系统焓第三十九页，共五十五页，2022年，8月28日损失的表达式理想功：实际功：损失：理想可逆过程：Q=T0△s系统放热环境吸热考虑稳定流动系统，仅向环境放热。第四十页，共五十五页，2022年，8月28日例题某蒸汽涡轮机进口水蒸汽状态p1=1.35MPa，t1=370℃。排汽状态p2=0.008MPa的饱和水蒸汽。环境温度20℃。计算涡轮机的效率和损失

。解：由水蒸汽参数表查出p1=1.35MPa，t1=370℃时，h1=3194.7kJ/kg

s1=7.2244kJ/(kg·K)p2=0.008MPa的饱和汽：h2=h2″=3194.7kJ/kg

s2=s2″=8.2295kJ/(kg·K)ws=h1-h2=617.6kJ/kgwide=T0△s-△h=T0(s2-s1)-(-△h)=912.1kJ/kg效率：损失：实际功：理想功：第四十一页，共五十五页，2022年，8月28日例题某汽轮机进口蒸汽参数p1=2.1MPa，t1=480℃。排汽状态p2=0.001MPa饱和蒸汽。排汽在冷凝器中被t0=15℃（环境温度）水冷却为t3=30℃的凝结水。忽略水泵功。计算（1）实际功、理想功（2）汽轮机和冷凝器的损失、损失系数（3）整个装置效率解：查汽水参数（数据准备）h1=3422.2kJ/kg，s1=7.3511kJ/(kg·K)h2=h2″=2584.8，s2=s2″=8.1511h3=h3′=125.7，s3=s3′=0.4365第四十二页，共五十五页，2022年，8月28日理想功:含汽轮机和冷凝器的理想功实际功:汽轮机的损失及损失系数:q12=0第四十三页，共五十五页，2022年，8月28日冷凝器的损失及损失系数:排汽放热量整个装置效率：利用情况汽轮机损失系数0.177冷凝器损失系数0.181整个装置效率0.642第四十四页，共五十五页，2022年，8月28日损失的定义式损失的理解：实际过程中的不可逆因素将的一部分损失掉了，称为损失，用wl表示，还称为功损失。

第四十五页，共五十五页，2022年，8月28日损失的通用表达式△stot

____研究对象（孤立系统、热力系与环境、传热过程、燃烧过程等）的熵增量，KJ/(kg·K)；wl____研究对象的损失，KJ/kg；T0____环境温度，K。说明如下：____温差传热、有摩擦膨胀、混合、摩擦生热、燃烧第四十六页，共五十五页，2022年，8月28日1.温差传热过程损失表达式

TA、TB两个热源处在温度为T0的环境中，并且TA>TB>T0。由卡诺定理，两种连接的作功能力为第四十七页，共五十五页，2022年，8月28日唯一的区别是连接2多了一个温差传热过程。连接1全是可逆过程，孤立系统熵增是零。连接2多了TA