第二章节能的热力学原理

第二章节能的热力学原理第1页，课件共57页，创作于2023年2月2.1基本概念热力系统平衡状态状态参数（温度、压力、比容和密度、内能、焓、熵和等）和状态方程功和热可逆过程火用第2页，课件共57页，创作于2023年2月2.2能量与热力学第一定律输入系统的能量－输出系统的能量＝系统储存能量的变化闭口系统能量衡算ΔU＝Q-Wdu

＝δq－δw微分形式Δu

＝q－w单位质量形式第3页，课件共57页，创作于2023年2月2.2能量与热力学第一定律输入系统的能量－输出系统的能量＝系统储存能量的变化δQδWδm1δm2一般开口系统的能量衡算式：式中第4页，课件共57页，创作于2023年2月稳定流动体系的系统能量衡算式在稳定流动的条件下，dU系统＝0，δm1＝δm2能量衡算式为对于单位质量为对于多股物质流进出开口体系时第5页，课件共57页，创作于2023年2月热力学第二定律的表述克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T)熵的概念和孤立系统的熵增原理2.3和热力学第二定律火用第6页，课件共57页，创作于2023年2月卡诺定理可逆机Q1-Q2WT2T1（T1>T2）pV●●●●Q1，T1T2，Q2ABCD卡诺循环热机最大输出功第7页，课件共57页，创作于2023年2月热力学第二定律的数学表达式对一不可逆循环，如图A→B→AABirr得：不可逆可逆——热力学第二定律的数学表达式可逆ΔS产＝0不可逆ΔS产>0第8页，课件共57页，创作于2023年2月熵增原理及平衡的熵判据绝热过程，δQ=0，则有不可逆可逆孤立系统，δQ=0，则有自发平衡熵增加原理：系统经绝热过程由一状态到达另一状态，熵值不减少；自发变化的结果，必使孤立系统的熵增加(孤立系统中可以发生的实际过程都是自发过程)方向：孤立系统的熵增加限度：孤立系统熵值达到最大——平衡态第9页，课件共57页，创作于2023年2月2.4能量的计算

第10页，课件共57页，创作于2023年2月2.4.1yong(Exergy)和wu(Anergy)的提出能量的分类（不同形式的能量之间的转化）第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等第二类，具有部分转换能力的能量，如热能和物质的内能或焓等第三类，完全不具有转换能力的能量，如处于环境状态下的热能等yong把在周围环境条件下，任一形式的能量中理论上能够转换为有用功的那部分能量wu能量中不能够转化为有用功的那部分能量火用火无能量

＝＋火用火无第11页，课件共57页，创作于2023年2月2.4.2物系与环境的基准状态物理基准态基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC）基准压力，环境压力，p0＝1atm基准相态化学基准态化学能量（）是由于系统的组成物质及成分与环境不同而引起的。基准物基准物是在环境状态下处于平衡的、最稳定的物质。基准物的特点（1）每种元素都有其相应的基准物；（2）环境（大气、海洋、地表）中能存在的物质；（3）基准物之间不可能发生任何自发的化学变化；（4）各种基准物都应是相应元素的最稳定物质，其能量值（）为0。火用火用第12页，课件共57页，创作于2023年2月例如：龟山－吉田模型基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC）基准压力，环境压力，p0＝1atm大气中气态基准物组成：其它元素以在T0、P0下纯态最稳定的物质作为基准物。组分N2O2H2OCO2ArNeHe组成％75.6020.343.120.030.910.00180.00052环境基准状态的环境模型：斯蔡古特模型、龟山－吉田模型第13页，课件共57页，创作于2023年2月2.4.3机械形式能量的运动系统所具有的宏观动能和位能c2/2,gz热机(气缸)-W环境压力：p0通过系统边界，发生体积变化对外做功Ew＝W12－p0（V2－V1）Aw＝p0（V2－V1）火无火用火用第14页，课件共57页，创作于2023年2月

2.4.4热量的和热机为例来说明（可逆）可逆机δQ-δQ0δWAT0T（T>T0）第15页，课件共57页，创作于2023年2月(2)热量的

和热量热量可逆过程热量热量对于可逆热机，ΔS产＝0，那么火用火无火用火无第16页，课件共57页，创作于2023年2月热源温度恒定：

(3)热量的和热源温度变化：第17页，课件共57页，创作于2023年2月当系统温度低于环境温度(T<T0)

时，热量可以设想一个工作在环境和物系温度之间的可逆热机可逆机-δQ

δQ0δWAT0TT<T0(4)热量的和火用第18页，课件共57页，创作于2023年2月可逆机-δQ

δQ0δWAT0TT<T0(4)热量的和第19页，课件共57页，创作于2023年2月当系统温度低于环境温度(T<T0)

时，可逆机-δQ

δQ0δWAT0TT<T0(4)热量的和和的表达式为：火无火用体系得到热量（Q>0)时，减小（EQ<0）；体系放出热量（Q<0)时，增大（EQ>0）火用火用第20页，课件共57页，创作于2023年2月温度低于环境温度时，热量和在T－S图上的表示EQQ

(5)热量的和火无火用第21页，课件共57页，创作于2023年2月单位热量的与温度的关系T≥T0，热量小于热量；T<T0，冷量可以小于、等于、甚至大于热量本身。温差传热要引起损失，在温差相同、传热量相同条件下，低温时的损失，要比高温时大得多。EQ/Q

(6)热量和火用火用火用火用火用第22页，课件共57页，创作于2023年2月例2－2（P43）把100kPa、127oC的1kg空气可逆加热到427oC，试求所加热量中的和。空气的平均定压比热容cp＝1.004kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。解：空气吸收的热量为：空气在吸收热量过程中熵的变化为：火无

(7)热量和火用所加热量中的

为：火无所加热量中的

为：火用第23页，课件共57页，创作于2023年2月例2－3（P44）在某一低温装置中将空气自600kPa和27oC定压预冷至－100oC，试求1kg空气所获冷量的和。空气的平均定压比热容cp＝1.0kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。解：空气获得的冷量为：空气在冷却过程中熵的变化为：火无(8)热量和火用空气所获冷量的

为：火无所获冷量的

为：火用第24页，课件共57页，创作于2023年2月2.4.5封闭系统的定义：任一封闭系统从给定状态以可逆的方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。能量：宏观动能、位能和内能。宏观动能和位能内能的计算如下：火用火用第25页，课件共57页，创作于2023年2月p、T、u、sp0、T0、u0、s0δq可逆封闭系统在此过程中的能量方程为：由给定的状态到环境状态积分得封闭系统从状态1到状态2所能作得最大有用功：在可逆过程中即：因此，封闭系统的为火用封闭系统的为火无第26页，课件共57页，创作于2023年2月稳定物流从一给定的状态经开口系统，以可逆的方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功，称为稳定流动系统的。2.4.6稳定流动系统的稳定流动的能量方程熵方程火用因此，稳定流动的系统的为火用第27页，课件共57页，创作于2023年2月环境状态下，c0＝0，z0＝0，积分得稳定流动系统的为火用不考虑宏观动能和位能时，稳定流动系统的为火用从状态1到状态2所能完成的最大有用功为火用相应的为火无第28页，课件共57页，创作于2023年2月2.4.7化学反应的最大有用功()当稳定流动体系进行一个化学反应过程时，其能量衡算式：温度(T)一定时，化学反应系统的熵的方程为：可逆时，ΔS产＝0，系统做出的最大有用功为从反应物(1)到产物(2)，ΔS＝S2－S1，ΔH＝H2－H1，那么第29页，课件共57页，创作于2023年2月在标准态（298.15K，1atm）进行反应时，化学反应的最大有用功为式中：ΔH为标准态下，化学反应过程的焓变，即标准反应热ΔS为标准态下，化学反应过程的熵变最大有用功也可以直接用自由焓计算第30页，课件共57页，创作于2023年2月例2－5在298.15K和1atm下，CO和O2进行燃烧反应生成CO2。反应前反应物不混合，试求此化学反应的最大反应有用功。解：CO＋O2/2CO2查标准热力学数据表，得组分ΔHof/(kJ/kmol)So/[kJ/(kmol•K)]CO(气）－1.1052x105197.91O2(气）0205.03CO2(气）－393510213.64第31页，课件共57页，创作于2023年2月总能量ΔH：282990kJ，其中有用功257118kJ（90.9％）为

25875kJ（9.1％）火无第32页，课件共57页，创作于2023年2月2.4.8气体的扩散在p0、T0下的气体可逆定温地转变到其在环境空气中的分压pi0时，所能作出的最大有用功，为该气体的扩散气体的扩散属于化学。理想气体的扩散可以用最大化学反应有用功的计算式获得火用火用火用火用第33页，课件共57页，创作于2023年2月用环境模型计算的物质的化学称为标准化学

2.4.9元素和化合物的化学基准反应：是指这样一种反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在p0、T0下发生化学反应，而反应物、生成物均为p0、T0下的纯物质。火用火用第34页，课件共57页，创作于2023年2月元素和化合物的化学的元素的标准化学：在规定的模型中，化学反应所能提供的最大化学有用功火用火用基准物的化学为零火用元素的化学：元素与环境物质进行化学反应变成基准物所提供的最大化学反应有用功火用纯态化合物的标准摩尔化学等于组成化合物的单质标准化学之和减去生成反应过程的理想功（或加上反应的自由能）火用第35页，课件共57页，创作于2023年2月【例2－7】试用龟山－吉田环境模型求碳（石磨）的标准化学。解：基准反应为C＋O2

CO2标准态：环境温度T0＝298.15K，pO2＝0.2034；pCO2＝0.0003。标准生成焓和标准熵(ΔHf0)i/(kJ/kmol)Si0/[kJ/kmol•K)]C05.69O20205.03CO2-393800213.64火用第36页，课件共57页，创作于2023年2月【例2－7】所以，根据公式：第37页，课件共57页，创作于2023年2月【例2－8】试用龟山－吉田环境模型求甲烷CH4气体的标准化学。解：甲烷的生成反应方程式为：C+2H2CH4查的甲烷的标准生成自由焓火用元素碳的标准摩尔化学

火用元素氢的标准摩尔化学

火用第38页，课件共57页，创作于2023年2月燃料的化学：p0、T0下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境态所能作出的最大有用功。又称为燃料。2.4.10燃料的化学化学反应系统EFEO2火用火用第39页，课件共57页，创作于2023年2月例2－9计算C2H4燃料的标准化学。解：C2H4+3O2

2CO2＋2H2O反应的自由焓为火用查得：(ΔGf0)C2H4=68.17kJ/mol,(ΔGf0)CO2=-394.6kJ/mol,液态水的(ΔGf0)H2O=－237.4kJ/mol,(ΔGf0)O2=0,O2的扩散EO2＝3.95kJ/mol，CO2的扩散ECO2＝20.1kJ/mol火用火用所以C2H4的化学为：火用第40页，课件共57页，创作于2023年2月2.5损失和衡算方程式1在任何可逆过程中，的总量保持不变，即不发生向的转变。在任何不可逆过程中，必然发生向的转变，的总量减少。输入系统的＝输出系统的＋损失＋系统的变化衡算方程式火用火用火无火用火无火用火用火用火用火用火用第41页，课件共57页，创作于2023年2月2.5.1封闭系统的衡算方程式封闭系统的平衡封闭系统热源THQ，EQWA，EWW0=P0(V2-V1)ELQ0EQ0＝0EW0＝0状态12火用第42页，课件共57页，创作于2023年2月封闭系统的衡算方程式2系统从12输出的有用功为式中不可逆时：可逆时：第43页，课件共57页，创作于2023年2月封闭系统的衡算方程式3对于热源，熵增量为：对于环境，熵增量为：

的损失为：的损失产生的来源：对于系统，熵增量为：火用火用第44页，课件共57页，创作于2023年2月2.5.2稳定流动系统的衡算方程式稳定流动系统热源THQ，EQWA，EWELQ0EQ0＝0H2,Eh2H1,Eh1式中：第45页，课件共57页，创作于2023年2月有限温差传热过程换热器

损失火用第46页，课件共57页，创作于2023年2月绝热节流过程TT012S1S2S12理想气体的节流过程T-S图

损失火用第47页，课件共57页，创作于2023年2月不可逆绝热压缩过程T0T12p2p1T-S图12

损失火用第48页，课件共57页，创作于2023年2月不可逆绝热膨胀过程T0T12p1p2T-S图12

损失火用第49页，课件共57页，创作于2023年2月2.6装置的效率和损失系数在系统或设备进行的过程中，

效率（ηe）的定义：收益的（E收益）与耗费的（E耗费）的比值。火用火用火用式中，ζ＝EL/E耗费，称为

损系数火用损失火用第50页，课件共57页，创作于2023年2月例2－11试导出电热水器效率与效率（ηe）的数学表达式。设电热水器绝热良好，通过器壁向环境散失的热量为0。并求当T1＝T0＝25oC，ΔT＝50oC时的热效率和效率。解：电热水器的能量方程为ΔH＝Q＝N（电功率）

ΔH＝mcp

ΔT所以（第一定律的）热效率ηt＝mcp

Δt/N=1E收益＝ΔH－T0ΔS＝mcp[ΔT－T0ln(T2/T1）]E耗费＝N所以ηe＝E收益/E耗费＝mcp[ΔT－T0ln（T2/T1）]＝ηt[1-T0ln（T2/T1)/ΔT]因为ηt＝1

ηe＝1－298.15ln(348.15/298.15)/50＝0.0755火用效率火用火用第51页，课件共57页，创作于2023年2月损失