第五章 热力循环-热力学第二定律及其应用.ppt

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1、第五章热力循环——热力学第二定律及其应用课时：6要求：1、了解热力学图表及其应用2、掌握熵的概念及计算方法3、掌握蒸汽动力循环和制冷循环工作原理及其相关的计算——重点和难点内容：5.1热力学第二定律5.2熵5.3热力学图表及其应用5.4蒸汽动力循环5.5制冷5.6热泵热力学第二定律涉及的应用范围：一、热力学分析：对化工过程进行分析和评价，实现合理利用能源；二、相平衡关系计算：确定传质设备的设计和操作；三、化学平衡状态计算：研究化学反应动力学以及设计反应器和操作分析计算的前提。5.1热力学第二定律一、热力学第二定律的三种叙述①1850年克劳修斯说法：有关热流方向

2、的表述，热不可能自动从低温物体传给高温物体。②1851年开尔文说法：不可能制造出一种机器，只从单一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其它变化。即第二类永动机无法实现。热不可能全部转变成有用功，必定有一部分转变成其他形式的能，虽然转变过程中总数量不变，但是质量上发生了变化。③熵的表述：孤立（隔离）物系的自发过程向着熵增大的方向进行。自发过程5.1热力学第二定律5.1热力学第二定律二、几个概念：热源：是一个具有很大热容量的物系（可逆）。功源：可做出功或接受功的装置（可逆）。热机：产出功，并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。热效率：热转化为功的效率。5.

3、2熵宏观热力学性性质：内能：是与体系内部微观粒子运动的能量发生联系的热力学性质。（第一定律）熵：是与体系内部分子运动混乱程度发生联系的热力学性质。（第二定律）玻尔兹曼定理：状态有序程度↑状态无序程度↑5.2熵关于孤立体系的熵增与不可逆性的关系推导：热源T1热源T2Q1Q2循环装置T1＞T2∣Q1∣=∣Q2∣推导：以循环装置为体系，则两个热源均为外界环境。5.2熵对循环装置：由第二定律：循环装置——体系热源——环境：5.2熵对热源：即任何一传热过程只能是高温热源自发传热给低温热源。逆向不可能实现。讨论：温差越小，熵变越小，不可逆程度越小；温差越大，熵变越大，不可逆

4、程度越大；温差为0，熵变接近0，传热过程接近可逆。5.2熵例5-1设有一热机，工作于温度为TH的高温热源与温度为TL的低温热源之间，若热机是可逆的，试推导出热机效率的表达式。QHQL低温热源TL高温热源TH功源WS（R）热机5.2熵例5-1解：取热机为体系由热力学第一定律：热机为循环装置，完成一个循环之后，体系回到原状态，故：其中：对热机：对于可逆过程：其中：5.2熵环境熵变：其中：结论：1、由于2、当3、任何可逆热机其效率小于1，即热不可能全部转变为功。5.2.1热力学第二定律用于封闭体系其中：即封闭体系热力学第二定律的数学表达式——克劳修斯不等式。熵增原理：

5、一、讨论：1、可逆过程，上式用等号，T既是热源温度也是体系温度；2、不可逆过程，用不等号，温度为热源温度。3、相同的状态变化与不相等。5.2.1热力学第二定律用于封闭体系5.2.1热力学第二定律用于封闭体系二、与熵有关的问题1、熵流当封闭体系经历一可逆过程时，从环境热源接受的热量时，环境熵变为：体系熵变为：为随热流产生的熵流：由于传热而引起的体系熵的变化。功的传递不会引起熵的流动。5.2.1热力学第二定律用于封闭体系2、熵产熵产生的原因：有序能量耗散为无序能量（热能）并被体系所吸收，则将导致体系熵的增加。有序能：机械能或电能。熵产生：不是体系的性质，是与不可逆过

6、程密切相关的量。不可逆程度越大:可逆过程：不可逆过程可逆过程不可能过程5.2.1热力学第二定律用于封闭体系3、封闭体系熵平衡一般不可逆过程：由于过程的不可逆产生了封闭体系熵平衡式或5.2.2孤立体系熵平衡式孤立体系：熵产生等于孤立体系总熵变。△Sg包括闭系与外界环境热源两部分产生的熵变化。如果外界环境热源中进行的是可逆过程，外界环境热源的熵变为0，则熵产生为封闭体系内部熵的变化。5.2.3敞开体系熵平衡式敞开体系物流出物流入熵平衡关系为：熵流为：TK恒定，则：5.2.3敞开体系熵平衡式讨论1、稳流过程：或敞开体系稳流过程熵平衡式2、绝热过程：若：节流过程5.2.

7、3敞开体系熵平衡式3、不可逆绝热过程：可逆绝热过程：若：即等熵过程，如透平机、泵等。5.2.3敞开体系熵平衡式150℃的饱和水蒸汽以5kg/s的流量通过一冷凝器，离开冷凝器是150℃的饱和水，冷凝热传给20℃的大气，求此冷凝过程中产生的熵。饱和蒸汽1饱和水2冷凝器大气20℃例5-2例5-25.2.3敞开体系熵平衡式解：由敞开体系熵平衡关系式：以冷凝器为体系，该过程为稳流过程，且有：（1）计算由附录查得：150℃饱和蒸汽：150℃饱和水：5.2.3敞开体系熵平衡式例5-2（2）计算Q为体系放出的热量，T为大气温度293K。（3）计算Q将能量平衡方程式用于冷凝器：由

8、附录查得：150℃饱和蒸