第2章基本定律和能量可用性下.ppt

1、1,2-6 能量转换的特性,各种不同形式的能量对人类的有用程度不同 能量的转换过程具有方向性与不可逆性,工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。,一、能量转换的限度,热量转变为功的限度,或,循环过程中从热源吸取的热量q不能全部 转换为功，其最大值为 。,2,热力学能转换为有用功的限度,闭口系统绝热过程，系统由初态1变化到终态2，热力学能转化为功:,初态一定时，其终态2 不能随意给出:,绝热系统热力学转换为有用功最大值为,相反，任意数量有用功可以通过耗散全部转换为热力学能。,能量转换的非对称性机械能和电能可以不受限制地转换为热力学能；但即使是可逆过程热力学能和热量不能全部转换为功。,3,二、能量

2、转换的规律,能量转换程度作为准则,1、无限转换能 - ,2、有限转换能- + ,3、非转换能- ,一切形式的能量由和组成，是能量的属性。,能量,可转换为任何其他形式能量的部分,能量中无法转变为的部分,在给定的环境介质下,能量 = + ，其中每一组成部分可分别为零。,根据和，热力学第二定律也可表述为：,（1）一切不可逆过程中，必有转化为。,（2）由转化为的过程是不可能的。,（3）孤立系统的只减不增。,4,一切过程都是不可逆的，转变是无法改变的， 无限转换能（）的储存会不断地减少 ，所以人类 活动不能建立在无节制向自然界的索取上。,环境参数对能量转换的影响,环境介质作为一个无限蓄热系统，认为它永远

3、处于平衡状态，而参与一切热力过程，即它能吸收热量或放出热量而不改变其强度参数T0及p0。,环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约为 m=1.421021kg，如海水温度降低3.36 106K ，其热力学能减小量相当于20世纪80年代中期全 球一年用电量。,系统与环境平衡的状态称为“死态”，在死态系统的热力学能完全丧失转变为机械能的能力。因此，各种形式能量中可转变为功的部分的计算都 以环境状态为基点。,2010-03-21,5,三、系统能量分析方法,目的：确定系统各部位的能量损失的性质、大小， 提高系统或装置对能量利用的效率。,方法：第一定律分析法和第二定律分析法,依据能量在数量上守恒；

4、方法计算各部位能量转换、传递、利用 和损失的数量，确定该系统的能量利用或 转换效率； 特征能量数量上的平衡，考虑了能量数量 利用程度，反映能量数量的“外部损失”。 如蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排 烟和不完全燃烧损失、汽轮机和管道等的 散热损失及冷凝器的热损失； 标志装置的热效率。,第一定律分析法,6, 第二定律分析法,依据综合第一定律、第二定律 ；,方法从能量的数量和质量来分析系统 各部位揭示出能量中的转换、传递、 利用和损失情况；,特征抓住不可逆过程中转变为、 不可能转变为，揭示系统内部能量“质” 的贬值和损耗；,标志系统效率,7,两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同,某蒸汽动力

5、装置两种分析结果,8,系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。,2-7 ,一、热量和冷量,热量,热量,冷量,冷量,电加热水过程损,9,二、闭口系统工质的热力学能,闭口系统工质的为：,闭口系统由状态1变化到状态2时的最大可用功,10,三、稳流开口系统工质的焓,开口系统工质,当开口系统从初态1变化到终态2时，工质所能做的最 大有用功就是初态与终态焓之差,11,熵图,四、熵图和焓图,12,焓图正丁烷,压力：105Pa,13,2-8 损失和平衡方程,一、不可逆过程的损失和减原理,孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均造成机械能

6、损失，任何不可逆过程均是Siso 0，所以熵产与损失存在必然联系。例,a) 热能,机械能,热源：失q1,冷源：得q2,热机：输出,14,rev “=”,irrev “”,不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（）减少,若可逆循环，循环净功及放热中的,若不可逆循环，循环净功及放热中的,15,b) 热量：高温低温,rev “=” irrev “”,若不可逆，TATB，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大意味损失。损失值为从A传出热量中的焓与从B传出热量中焓之差。,A：失q,B：得q,16,c) 机械功（或电能）转化为热能,输入WsQ（=Ws），气体由T1 上升到T

7、2，v1 = v2。,工质熵变,外界 Ssuur=0,热能不可能100%转变成机械能，故Siso0还是意味损失。,损失等于输入轴功与气体热力学能的增量差,由于容器体积不变，散热不计，输入轴功等与热力学能增量， 气体熵增即为过程熵产,17,d) 有压差的膨胀（如自由膨胀）,孤立系熵增（即熵产）意味损失，,18,一切自发过程都不可逆转变为无法改变 ，任何不可逆过程必引起损失，因此实际过程中不守恒。,孤立系统的减少原理：,孤立系统中一切实际的或不可逆的过程都使系统的减少，其极限（所有过程都可逆）使系统的保持不变。任何使孤立系统的增加的过程是不可能发生的。,系统或过程平衡方程：,输入系统的 输出系统的

8、 损失 =系统的变化,19,二、封闭系统的平衡方程,或,损失,系统输出的有用功 机械功,热量,热力学能差,20,损失和熵产,能量平衡：,热源熵变量：,环境熵变量：,封闭系统不可逆过程的损失，等于该系统及其外界组成的孤立系统熵增（或过程熵产）与环境温度的乘积。,21,三、稳定流动系统平衡方程,系统能量平衡：,熵方程,22,物流,移项,例2-7.ppt,下一章,热量,焓差,动能差,功,损,2010-03-28,23,T,s,o,B,1,TmH,.,3,2,A,.,4,q,T0,qa,qun,.,.,系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。,热源传出的热量中理论上可

9、转化为最大有用功的热量。,因T0基本恒定，故quns12, 热量q1的可用能qa热量,24,讨论： 1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高 分额份额，称为热量 ； 2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是 热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除 减少，称为热量； 3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，但 循环中排向低温热源的热量未必是废热，而环境介 质中的内热能全部是废热。 4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上 讲不是状态参数。,25,T,s,o,B,1,3,2,A,q,T0,qc,.,.,.,m,n,.,.,整理, 冷量的作功能力 冷量低

10、于环境温度传递的热量。,26,.,讨论： 1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号。,热量可用能,冷量可用能,3）热（冷）量可用能 与T的关系。,2）物体吸热，热量中可用能使物体作功能力增大； 物体吸冷，物体的作功能力下降: “热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。”,27,28, 定质量物系的作功能力（热力学能） 工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。,29,气体从初态（p，T）（p0，T0） 据,微卡诺机,30,讨论： 1）相对于p0，T0，wu，max是状态参数，称之为热力学能， 用Ex,U（ex,U）表示。 2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。,3）p p0，T T0 时物系的作功能力,4）因是最大有用功，所以一 切过程必须可逆；最终向环境 排热。,如：真空系统作功能力 = p0v,5）可用不同方法求,31,.,.,.,设计系统从状态1,中间状态a,环境态0,=面积1-a-0-b-1,排斥大气功,.,32, 稳流工质的作功能力,33,2）从状态12，稳流工质可作出的最大有用功,3）若考虑动能，则称之为物流，用Ex（ex）表示,讨论： 1）对于p