第二章_节能的热力学原理.ppt

第二章节能的热力学原理 热力学原理 能量热力学第一定律热力学第二定律 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 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 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 式中 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 m1 m2 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 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 卡诺定理 p V Q1 T1 T2 Q2 A B C D 卡诺循环 热机最大输出功 热力学第二定律的数学表达式对一不可逆循环 如图A B A 热力学第二定律的数学表达式 熵增原理及平衡的熵判据 绝热过程 Q 0 则有 不可逆可逆 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 2 4能量的计算 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 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 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 环境基准状态的环境模型 斯蔡古特模型 龟山 吉田模型 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 火用 2 4 4热量的和 热机为例来说明 可逆 2 热量的和 热量 热量 可逆过程 热量 热量 对于可逆热机 S产 0 那么 火用 火无 火用 火无 热源温度恒定 3 热量的和 热源温度变化 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 T T0 4 热量的和 火用 T T0 4 热量的和 当系统温度低于环境温度 T T0 时 T T0 4 热量的和 体系得到热量 Q 0 时 减小 EQ0 火用 火用 温度低于环境温度时 热量和在T S图上的表示 5 热量的和 火无 火用 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 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 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 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 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 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 环境状态下 c0 0 z0 0 积分得稳定流动系统的为 火用 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 S产 0 系统做出的最大有用功为 从反应物 1 到产物 2 S S2 S1 H H2 H1 那么 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 H为标准态下 化学反应过程的焓变 即标准反应热 S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 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 2 CO2 查标准热力学数据表 得 组分 Hof kJ kmol So kJ kmol K CO 气 1 1052x105197 91O2 气 0205 03CO2 气 393510213 64 总能量 H 282990kJ 其中有用功257118kJ 90 9 为25875kJ 9 1 火无 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 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 元素和化合物的化学的 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 火用 例2 7 所以 根据公式 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 2H2 CH4 查的甲烷的标准生成自由焓 火用 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 EF EO2 火用 火用 例2 9 计算C2H4燃料的标准化学 反应的自由焓为 火用 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 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 TH Q EQ WA EW W0 P0 V2 V1 EL Q0 EQ0 0 EW0 0 状态1 2 火用 封闭系统的 衡算方程式2 系统从1 2输出的有用功为 式中 不可逆时 可逆时 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 2 5 2稳定流动系统的衡算方程式 稳定流动系统 热源 TH Q EQ WA EW EL Q0 EQ0 0 H2 Eh2 H1 Eh1 式中 有限温差传热过程 换热器 绝热节流过程 T T0 1 2 S1 S2 S 1 2 理想气体的节流过程 T S图 不可逆绝热压缩过程 T0 T 1 2 p2 p1 T S图 1 2 不可逆绝热膨胀过程 T0 T 1 2 p1 p2 T S图 1 2 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 e 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 例2 11 试导出电热水器效率与 效率 e 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 T 50oC时的热效率和 效率 解 电热水器的能量方程为 H Q N 电功率 H mcp T所以 第一定律的 热效率 t mcp t N 1E收益 H T0 S mcp T T0ln T2 T1 E耗费 N所以 e E收益 E耗费 mcp T T0ln T2 T1 t 1 T0ln T2 T1 T 因为 t 1 e 1 298 15ln 348 15 298 15 50 0 0755 火用 火用 损失的可避免程度 损失 可避免损失 AVO 不可避免损失 INE 可避免损失 改进 火用 火用 火用 火用 在可避免损失和不可避免损失的基础上 定义实用效率 例 简单的蒸汽动力厂循环 电厂循环原理图 蒸汽动力循环的参数和假定 假定 燃料热值29306kJ kg蒸汽压力10 3MPa绝热燃烧温度1927oC锅炉到透平压降1 03MPa炉膛热损失12 透平效率80 最高燃烧效率0 90蒸汽透平最高效率0 90最高燃烧温度1927oC泵最高效率0 90冷凝器中最小传热温差8oC 本章总结 热力学第一定