热工基础机械第4章

1、第四章第四章 热力学第二定律热力学第二定律 热工基础机械第热工基础机械第4章章 41 热力学第二定律的表述与实质热力学第二定律的表述与实质 热力学第一定律的实质是能量在转换过程中数量守恒。热力学第一定律的实质是能量在转换过程中数量守恒。 热力学第一定律的不足之处：热力学第一定律的不足之处： 1. 不能反映能量品质的高低不能反映能量品质的高低 电能、机械能、电能、机械能、动能、位能等动能、位能等几乎可几乎可100%地转换成地转换成 任何其它形式的能量，称为无限可转换能；任何其它形式的能量，称为无限可转换能； 高于环境温度的热量、如热力学能及焓等高于环境温度的热量、如热力学能及焓等可部分地转可部分

2、地转 换为机械能，势能所处的势越高，可转换的份额就越换为机械能，势能所处的势越高，可转换的份额就越 大，这部分势能称为有限可转换能；大，这部分势能称为有限可转换能； 与环境同势的能为不可转换能。与环境同势的能为不可转换能。 2. 能量转换过程中能量转换过程中“质质”不守恒不守恒 一切自发过程都是不可逆的，而一切自发过程都是不可逆的，而且具有方向性。且具有方向性。 例如：例如： 电能或机械能转变为热能（有序能变为无序能）；电能或机械能转变为热能（有序能变为无序能）； 高温物体向低温物体传热、自由膨胀、重物下落、高温物体向低温物体传热、自由膨胀、重物下落、 浓度扩散等浓度扩散等(系统从不平衡态变化

3、到平衡态系统从不平衡态变化到平衡态 )。 上述自发过程进行的方向都指向上述自发过程进行的方向都指向能量品质降低的方向能量品质降低的方向。 能量转换过程中能量能量转换过程中能量“数量数量”守恒，但守恒，但“质量质量”不守恒不守恒 。 3. 非自发过程的进行需要一定的条件非自发过程的进行需要一定的条件 非自发过程是能量品质升高的过程，不能自发进行，非自发过程是能量品质升高的过程，不能自发进行， 必须以某种补偿过程为条件，该补偿过程是使能量品必须以某种补偿过程为条件，该补偿过程是使能量品 质降低的过程，从而保证整个过程中能量的品质不会质降低的过程，从而保证整个过程中能量的品质不会 升高。升高。 如：

4、热能变为电能或机械能必须损失一部分热能作为如：热能变为电能或机械能必须损失一部分热能作为 补偿；补偿； 低温物体向高温物体传热必须消耗外功作为补偿。低温物体向高温物体传热必须消耗外功作为补偿。 补偿量越少，越经济。补偿量越少，越经济。 最小补偿量：可逆过程所需的补偿量。最小补偿量：可逆过程所需的补偿量。 只有同时遵循热力学第一、第二定律的过程才有可只有同时遵循热力学第一、第二定律的过程才有可 能发生和进行。能发生和进行。 二、热力学第二定律的表述二、热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述有很多种，各种表述虽形式热力学第二定律的表述有很多种，各种表述虽形式 不同，但本质相同（等效）。不同，但

5、本质相同（等效）。 两种常见的表述：两种常见的表述： 克劳修斯说法：热量不可能自发地、不花任何代价地克劳修斯说法：热量不可能自发地、不花任何代价地 从低温物体传向高温物体（可满足热力学第一定律，从低温物体传向高温物体（可满足热力学第一定律， 但不满足热力学第二定律，必须消耗外功）但不满足热力学第二定律，必须消耗外功） 实质：揭示自发传热过程的不可逆性。实质：揭示自发传热过程的不可逆性。 即：第二类永动机是不可能造成的。即：第二类永动机是不可能造成的。 开尔文普朗克说法：开尔文普朗克说法： 不可能制造只从单一热源吸热，并使之连续不断不可能制造只从单一热源吸热，并使之连续不断 地全部转化为有用功而

6、不留下任何变化的热力循地全部转化为有用功而不留下任何变化的热力循 环发动机（动力循环需向环境放热，环发动机（动力循环需向环境放热，2 个个 热源）。热源）。 实质：指出热要连续变成功必须有补偿条件（伴随实质：指出热要连续变成功必须有补偿条件（伴随 着向环境放热着向环境放热, 部分热量由部分热量由 T 高 高T 低低），说明热 ），说明热 功转换是不可逆的。功转换是不可逆的。 可以证明热力学第二定律的各种表述是统一和等效的。可以证明热力学第二定律的各种表述是统一和等效的。 热力学第二定律的实质：热力学第二定律的实质： （1）一切自发过程都是不可逆的，自发过程进）一切自发过程都是不可逆的，自发过程

7、进 行的方向总是指向能量品质降低的方向；行的方向总是指向能量品质降低的方向； （2）非自发过程可以进行，但必须具备一定的）非自发过程可以进行，但必须具备一定的 补偿条件。可逆过程的补偿量最小，且可以保持补偿条件。可逆过程的补偿量最小，且可以保持 总体能量品质不变，但任何过程都不能朝着能量总体能量品质不变，但任何过程都不能朝着能量 品质升高的方向进行。品质升高的方向进行。 因此可以说热力学第二定律是一个方向性定律，因此可以说热力学第二定律是一个方向性定律， 给出了非自发过程进行的条件和限度。给出了非自发过程进行的条件和限度。 一、热力循环一、热力循环 封闭的热力过程称为循环。封闭的热力过程称为循

8、环。 1. 正循环（动力循环）正循环（动力循环）沿顺时针方向进行沿顺时针方向进行 循环分正循环和逆循环。循环分正循环和逆循环。 4-2 卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理 由热由热： 210 qqw（ q1 、q2均均取绝对值）取绝对值） 经济指标（经济指标（ 得到的付出的）：得到的付出的）： 热效率热效率 1 2 1 0 1 q q q w t 思考：内燃机是否有冷源？实际工作过程工质是否进思考：内燃机是否有冷源？实际工作过程工质是否进 行循环？行循环？ 1 （上面的热效率公式适用于任意工质、任意循环）（上面的热效率公式适用于任意工质、任意循环） 2. 逆循环（制冷或热泵循环）逆循环（制冷

9、或热泵循环）沿逆时针方向进行沿逆时针方向进行 由热由热：w0 = q1 q2 （ q1 、q2 均取绝对值）均取绝对值） 其中其中 q2 为吸热量，为吸热量，q1 为放热量为放热量, w0 为循环消耗的为循环消耗的 外功。外功。 经济性指标（适用于任意工质、任意循环）：经济性指标（适用于任意工质、任意循环）： 致冷机：致冷系数致冷机：致冷系数 21 2 0 2 qq q w q 热热 泵：供热系数泵：供热系数 21 1 0 1 qq q w q 1 1制冷系数制冷系数供热系数供热系数 （ w0、 q1 、q2 均取绝对值）均取绝对值） 二、卡诺循环与卡诺定理二、卡诺循环与卡诺定理 由以上分析知

10、，热机循环的热效率不可能达到由以上分析知，热机循环的热效率不可能达到100%， 那么在一定条件下，热机的热效率最大能达到多少？那么在一定条件下，热机的热效率最大能达到多少？ 热机的热效率与那些因素有关？这正是卡诺循环与卡热机的热效率与那些因素有关？这正是卡诺循环与卡 诺定理要解决的问题。诺定理要解决的问题。 由于难以解决的结构问题以及其它多种原因，卡诺循由于难以解决的结构问题以及其它多种原因，卡诺循 环在实际上无法实现，但是卡诺循环奠定了热力学第环在实际上无法实现，但是卡诺循环奠定了热力学第 二定律的理论基础，并指明了提高循环经济性的方向。二定律的理论基础，并指明了提高循环经济性的方向。 1.

11、 卡诺循环（两个可逆等温过程卡诺循环（两个可逆等温过程 + 两个等熵过程）两个等熵过程） 热效率：热效率： 1 2 1 2 1 2 1 11 T T ST ST q q tc T1、T2：恒温热源温度，也等于工质的温度（可逆）：恒温热源温度，也等于工质的温度（可逆） 思考：热效率高，是否作功就一定大思考：热效率高，是否作功就一定大? 讨论：讨论： tc 只取决于只取决于T1、T2 , T1或或T2 tc ， tc 与工质的性质无关。与工质的性质无关。 T1 0 ， 1 tc ； T2T1 时，时， 0 tc ； 对于逆循环：对于逆循环： 21 2 TT T C 21 1 TT T c （单一热

12、源）（单一热源） （T1受材料限制，受材料限制，T2受环境限制）受环境限制） 对于逆循环，有以下几点结论：对于逆循环，有以下几点结论： 制冷系数和供热系数也只取决于制冷系数和供热系数也只取决于T1和和T2。T2或或 T1 循环的耗功量循环的耗功量 ，因而经济性，因而经济性 ； 制冷系数可以大于制冷系数可以大于1、等于、等于1或小于或小于1，一般情况下，一般情况下， T2（T1T2），因此，通常大于），因此，通常大于1； 供热系数总是大于供热系数总是大于1。当。当T1、T2不变时，制冷系数和不变时，制冷系数和 供热系数之间的供热系数之间的 关系为关系为 1 cc 制冷系数和供热系数制冷系数和供热

13、系数与工质的性质无关。与工质的性质无关。 2. 卡诺定理卡诺定理 定理一：定理一： 设：设：T1const，T2const, 对在对在T1 、T2间工作的所间工作的所 有可逆热机，则有有可逆热机，则有 )(2)( 1可逆可逆tt =tc 定理二：定理二： 设：设：T1const，T2const，若，若A为任何热机（可为任何热机（可 逆或不可逆），逆或不可逆），B为可逆热机，则有为可逆热机，则有 tA tB 定理二证明思路：利用反证法证明。定理二证明思路：利用反证法证明。(ref P.65) 卡诺定理的指导意义：卡诺定理的指导意义： 提供了两个热源间循环效率的最高界限，从而给一切提供了两个热源间

14、循环效率的最高界限，从而给一切 循环确定了最佳经济性的指标。循环确定了最佳经济性的指标。 三、变温热源的卡诺定理三、变温热源的卡诺定理 对任意可逆循环对任意可逆循环abcda dsTq abc 1 dsTq adc 2 （均取正值）（均取正值） 令令 11 qsT ， 22 qsT 则则 , s dsT T abc 1 s dsT T adc 2 （制冷系数和热泵系数同样符合卡诺定理）（制冷系数和热泵系数同样符合卡诺定理） 式中式中 1 T平均加热温度；平均加热温度； 2 T平均放热温度。平均放热温度。 1 2 11 T T Tds Tds abc adc t 结论：结论： 1 T 2 Tt

15、1）在两个相同热源间工作的可逆热机，）在两个相同热源间工作的可逆热机， 1 2 1 T T t 且随且随 ， ， 。 2）在两个相同的温度界限间工作的一切可逆热）在两个相同的温度界限间工作的一切可逆热 机中，卡诺热机的热效率最高。机中，卡诺热机的热效率最高。 提高热机循环热效率的途径：提高热机循环热效率的途径： 降低循环的平均放热温度。只能降低到天然冷降低循环的平均放热温度。只能降低到天然冷 源，若用低于环境的人工冷源，虽然可提高热效率，源，若用低于环境的人工冷源，虽然可提高热效率， 但总体是不经济的；但总体是不经济的； 提高平均吸热温度。这一直是热机发展的基本提高平均吸热温度。这一直是热机发

16、展的基本 方向，取决于循环形式，以及材料的耐热程度；方向，取决于循环形式，以及材料的耐热程度； 减小循环的不可逆程度。所有实际循环都是不减小循环的不可逆程度。所有实际循环都是不 可逆的，而在相同热源间工作的可逆热机的热效率可逆的，而在相同热源间工作的可逆热机的热效率 最大，因此应尽量减小循环的不可逆程度。最大，因此应尽量减小循环的不可逆程度。 逆循环的分析方法与正循环相同。逆循环的分析方法与正循环相同。 43 3 熵方程与孤立系统熵增原理熵方程与孤立系统熵增原理 一、熵的定义式（一种经典导出方法）一、熵的定义式（一种经典导出方法） 由卡诺定理由卡诺定理 （任意恒温热源间的可逆热机循环）（任意恒

17、温热源间的可逆热机循环） 1 2 1 2 11 T T Q Q t 若考虑若考虑Q2为放热量，代入负号，则为放热量，代入负号，则 2 2 1 1 T Q T Q 可推得可推得 0 2 2 1 1 T Q T Q 根据状态参数的性质，状态参数是全微分，循环积分根据状态参数的性质，状态参数是全微分，循环积分 为零也是全微分，所以克劳修斯将为零也是全微分，所以克劳修斯将QT定义为状态定义为状态 参数熵。参数熵。 对于非卡诺循环的可逆循环，经过对于非卡诺循环的可逆循环，经过P.68 F. 4.6 的分割，可以的分割，可以 推导出与卡诺循环相同的结果，所以推导出与卡诺循环相同的结果，所以 可逆过程可逆过

18、程熵的定义式熵的定义式 T Q dS re J/K（或（或 kJ/K） T q ds re J/（kgK）或或 kJ/（kgK） 式中式中 T 热源温度（等于工质温度）热源温度（等于工质温度） 适用微元适用微元 可逆过程可逆过程 对卡诺循环，可导得对卡诺循环，可导得 0 T Q 可逆过程熵变可逆过程熵变 2 1 12 2 1 12 T q sss T Q SSS re re 可逆过程可逆过程 若换热量已知，且为可逆等温过程时，通常可简单表若换热量已知，且为可逆等温过程时，通常可简单表 示为：示为： dS= QT S= QT ds= qT s= qT 实用计算式就是以前推出的三个公式（适用条件？

19、）。实用计算式就是以前推出的三个公式（适用条件？）。 熵的变化反映可逆过程中热交换的方向与大小，熵的变化反映可逆过程中热交换的方向与大小， 但系统与外界交换功量，不会引起熵的变化。但系统与外界交换功量，不会引起熵的变化。 液体和固体的容积变化很小，通常认为液体和固体的容积变化很小，通常认为cp= cV = c，其，其 吸热量吸热量 Q = mcdT。 根据熵的定义式，液体和固体熵变计算式为根据熵的定义式，液体和固体熵变计算式为 1 2 2 1 2 1 12 ln T T mc T mcdT T Q SSS rev 二、克劳修斯积分不等式二、克劳修斯积分不等式 1. 不可逆过程中熵变的分析不可逆

20、过程中熵变的分析 分析不可逆循环分析不可逆循环1A2B1 。 对任一个微元热循环：对任一个微元热循环： 根据卡诺定理根据卡诺定理 1 2 1 2 11 T T Q Q tct 2 2 1 1 T Q T Q 0 2 2 1 1 T Q T Q 0 1221 T Q T Q BA ，即，即 对不可逆循环对不可逆循环 0 T Q （注意：（注意：QT 不是熵）不是熵） 对可逆循环则可导得对可逆循环则可导得 0 T Q 。 对任意循环：对任意循环： T Q 0克劳修斯积分不等式克劳修斯积分不等式 克劳修斯积分式绝不可能大于零，表示过程进行的可能性及方克劳修斯积分式绝不可能大于零，表示过程进行的可能性

21、及方 向。是热力学第二定律的又一种数学表达式。向。是热力学第二定律的又一种数学表达式。 上式中上式中Q2 若取负值若取负值, 则有：则有： 三、三、 熵流和熵产熵流和熵产 由克劳修斯积分不等式由克劳修斯积分不等式0 T Q 又由状态参数的性质，经过一个循环后，状态参数的又由状态参数的性质，经过一个循环后，状态参数的 变化为零。所以对一个任意过程变化为零。所以对一个任意过程1-2，有，有 可逆过程克劳修斯积分式等于该过程的熵变，不可可逆过程克劳修斯积分式等于该过程的熵变，不可 逆过程小于该过程的熵变。逆过程小于该过程的熵变。 S T Q 2 1 热热的又一表达式的又一表达式 对微元过程：对微元过

22、程： T Q dS 或或 T q ds 定义：定义： 熵流熵流 dSf：由传热引起的系统熵的变化。：由传热引起的系统熵的变化。 熵产熵产dSg：由（系统内部）不可逆损失引起的熵变化。：由（系统内部）不可逆损失引起的熵变化。 ggf dS T Q dSdSdS 或或 T Q dSdSg T Q dS f (适用任何过程）适用任何过程） 结论：在不可逆过程中，熵的变化大于过程中工结论：在不可逆过程中，熵的变化大于过程中工 质的吸热量除以热源温度所得的商。所以质的吸热量除以热源温度所得的商。所以 把熵分为熵流和熵产。把熵分为熵流和熵产。 讨论：讨论： 1. 熵流可正可负，系统吸热，熵流为正；系统熵流

23、可正可负，系统吸热，熵流为正；系统 放热，熵流为负。放热，熵流为负。 2. 熵产总为正。可逆过程熵产为零；不可逆过熵产总为正。可逆过程熵产为零；不可逆过 程熵产大于零。（可逆绝热程熵产大于零。（可逆绝热=定熵）定熵） 3. 过程的不可逆程度越大，熵产的值越大。过程的不可逆程度越大，熵产的值越大。 4. 对可逆过程，熵变就等于熵流，但从概念上对可逆过程，熵变就等于熵流，但从概念上 熵变是状态参数，而熵流不是状态参数，当然熵熵变是状态参数，而熵流不是状态参数，当然熵 产也不是状态参数。产也不是状态参数。 熵产是系统过程不可逆程度的一种度量。熵产是系统过程不可逆程度的一种度量。 系统的熵变流入的熵系

24、统的熵产流出的熵系统的熵变流入的熵系统的熵产流出的熵 设系统进、出口截面工质处于平衡稳定状态，则设系统进、出口截面工质处于平衡稳定状态，则 在一微小时间间隔内该系统的熵变为在一微小时间间隔内该系统的熵变为 四、熵方程四、熵方程 1. 闭口系熵方程闭口系熵方程 ds = dsf + dsg 或或 s=sf+sg 2. 开口系熵方程：开口系熵方程： outiiiniigf msmsSSdS)()( 对单股流体流动的稳流系：对单股流体流动的稳流系：m1 = m2= m, 可用比可用比 熵表达熵表达, 系统的熵系统的熵s = 0 。故得。故得 sf +sg + (s1 - s2) = 0 如为可逆、绝

25、热、稳定流动：如为可逆、绝热、稳定流动： s2 - s1= 0 如为不可逆、绝热、稳定流动：如为不可逆、绝热、稳定流动： s2 s1 =sg 0 s1、s2 分别为进出口截面工质的比熵分别为进出口截面工质的比熵 0 0 或 iso iso S dS 孤立系熵增原理表达式，孤立系熵增原理表达式， 同样适用于闭口绝热系同样适用于闭口绝热系 结论：孤立系的熵可增大或保持不变，但不可能减少。结论：孤立系的熵可增大或保持不变，但不可能减少。 孤立系熵增原理也是热孤立系熵增原理也是热的一种表达式，指出了过程的一种表达式，指出了过程 进行的方向。进行的方向。 对孤立系对孤立系: 无论发生什么无论发生什么 样

26、的热力过程样的热力过程 0 iso Q 五、孤立系统熵增原理五、孤立系统熵增原理 对任意过程对任意过程 :dS T Q 或或 S 2 1 T Q 例例1 卡诺热机（取热源、热机组成孤立系）卡诺热机（取热源、热机组成孤立系） 工 SSSS BAiso 1 1 T Q SA ， 2 2 T Q SB 0 工 S 由卡诺循环可知由卡诺循环可知 （循环）（循环） 1 1 2 2 T Q T Q 1 2 1 2 11 T T Q Q 00 2 2 1 1 T Q T Q Siso 例例2 以以20的环境为热源，以的环境为热源，以1000 kg 温度为温度为 0 的水的水 为冷源的可逆热机，当冷源水温升至

27、为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20时，热机对外时，热机对外 所做的净功为多少？所做的净功为多少？ 解法解法1：对任一微元（卡诺）循环，根据卡诺定理：对任一微元（卡诺）循环，根据卡诺定理 11 2 T T Q Q ， T T QQ 1 21 1 1 2210 T T QQQW 以以 mcdTQ 2 代入上式得代入上式得 dT T T mcW 1 1 0 )273293( 273 293 ln2931868. 41000 )(ln 1 21 2 1 1 1 0 1 2 TT T T Tmc dT T T mcW T T = 2995 kJ 解法解法2 2：选孤立系：选孤立系, , 可逆循环可逆循

28、环, , 有有 0ln 1 2 1 1 T T mc T Q Siso 作业：作业：4.3，4.6，4.10 可求出可求出 Q1 , 然后再利用下面的公式求出然后再利用下面的公式求出 Q2 )( 122 TTmcQ 210 QQW 444 做功能力和做功能力损失做功能力和做功能力损失 一、工质的做功能力一、工质的做功能力 (火用火用x) 热力系统所处的状态只要与环境状态不平衡，系统就热力系统所处的状态只要与环境状态不平衡，系统就 有过渡到与环境平衡的趋势。在这个变化过程中，系有过渡到与环境平衡的趋势。在这个变化过程中，系 统与环境之间具有一定的做功能力。例如统与环境之间具有一定的做功能力。例如

29、: 高压气体可利用气体与环境介质的压差膨胀做功；高压气体可利用气体与环境介质的压差膨胀做功； 高于环境温度的热量中的一部分可以转变为功。由高于环境温度的热量中的一部分可以转变为功。由 卡诺循环和卡诺定理知，可逆循环将热变为功的能卡诺循环和卡诺定理知，可逆循环将热变为功的能 力最大。力最大。 定义定义: 工质可逆地过渡到环境状态时所能做出的最工质可逆地过渡到环境状态时所能做出的最 大有用功大有用功We, max称为做功能力。又称称为做功能力。又称火用火用、有效能、有效能 或可用能。或可用能。 能量中不能转变为有用功的另外一部分能量则称为能量中不能转变为有用功的另外一部分能量则称为 火无火无、无效

30、能或不可用能。、无效能或不可用能。 任何一种形式的能量任何一种形式的能量 E 都可以看作是由都可以看作是由火用火用 Ex 和和 火无火无 An（有效能和无效能或可用能和不可用能）（有效能和无效能或可用能和不可用能） 所组成，即所组成，即 E = Ex An 对于给定的环境压力和环境温度，做功能力（火用）对于给定的环境压力和环境温度，做功能力（火用） 的大小仅与系统工质的初始状态有关。而同样的能的大小仅与系统工质的初始状态有关。而同样的能 量相对于不同的环境状态，其做功能力不同。量相对于不同的环境状态，其做功能力不同。 相对于环境的势差越大，能量的品质越高，做功能相对于环境的势差越大，能量的品质

31、越高，做功能 力（火用）也就越大。力（火用）也就越大。 根据不同的能量形式根据不同的能量形式, 做功能力（火用）也有不同做功能力（火用）也有不同 的形式的形式. 主要介绍以下三种主要介绍以下三种: 对对1kg工质，有工质，有 e = ex an （1）闭口系统工质的做功能力）闭口系统工质的做功能力 （热力学能火用（热力学能火用 Ex,U） 闭口系统从任一给定状态可逆地过渡到环境状态，闭口系统从任一给定状态可逆地过渡到环境状态， 并只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功称为并只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功称为 闭口系统的做功能力，又称热力学能火用闭口系统的做功能力，又称热力学能火用

32、。 系统的过程只能为系统的过程只能为1a0 过程，其中过程，其中1a为可逆绝为可逆绝 热过程，系统工质从状态热过程，系统工质从状态1 （p1、T1）定熵膨胀到状）定熵膨胀到状 态态a（pa、T0）；）；a0为可为可 逆定温过程，工质从状态逆定温过程，工质从状态 a 继续膨胀到环境状态继续膨胀到环境状态p0、 T0）。系统仅在可逆定温）。系统仅在可逆定温 膨胀过程中与环境换热，膨胀过程中与环境换热， 换热时工质的温度即为环换热时工质的温度即为环 境温度。境温度。 教材教材P.76, 图图4.10 1a0过程中工质的最大有用功即为系统的做功能力。过程中工质的最大有用功即为系统的做功能力。 由闭口系

33、能量方程，过程由闭口系能量方程，过程1a中每中每kg工质所做功为工质所做功为 w1a =u1ua 过程过程a0中每中每kg工质所做功为工质所做功为 wa0 = qa0（u0ua） 由于由于 q a0 =T0（s0sa） = T0（s0s1） 所以所以 wa0 = T0（s0s1）（）（u0ua） 1a0过程中工质膨胀、排斥大气所做功为过程中工质膨胀、排斥大气所做功为 wb =p0（v0v1） wb不能作为有用功输出。不能作为有用功输出。 baaeUx wwwwe 01max, 所以所以, 1a0过程中系统做出的最大有用功为过程中系统做出的最大有用功为 整理得整理得 )()()( 0100100

34、1, vvpssTuue Ux ex,U 可用图可用图 4.10 中的面积中的面积0m1a0表示。表示。 所以，热力学能所以，热力学能火用火用又可理解为是系统初态与环境状态又可理解为是系统初态与环境状态 的热力学能差减去放给环境的热量和排斥大气所做的功。的热力学能差减去放给环境的热量和排斥大气所做的功。 相应的相应的火无火无即为即为(m kg工质工质 ) )()( 0100100, VVpSSTUA Un 在一定的环境条件下，热力学能在一定的环境条件下，热力学能火用火用和和火无火无只与系统只与系统 的初态有关，因此，热力学能的初态有关，因此，热力学能火用火用和和火无火无也可作为状也可作为状 态

35、参数。态参数。 由热力学能由热力学能火用火用和和火无火无的公式的公式, 热力学能热力学能火用火用也可以看也可以看 作系统初态时的热力学能减去作系统初态时的热力学能减去火无火无，即，即 nUx AUE 1, nx AEE 可得可得 利用前面公式利用前面公式 1 UE 上式说明闭口系工质只与环境交换热量时，所含有的上式说明闭口系工质只与环境交换热量时，所含有的 能量就是热力学能。但要特别注意区分的是热力学能能量就是热力学能。但要特别注意区分的是热力学能 火用火用和以前学过的热力学能的概念不同。和以前学过的热力学能的概念不同。 如果系统从状态如果系统从状态1（p1，T1）可逆地变化到状态）可逆地变化

36、到状态2 （p2，T2），过程中可以做出的最大有用功），过程中可以做出的最大有用功(不是做功不是做功 能力能力)可以用状态可以用状态1和状态和状态2之间的热力学能之间的热力学能火用火用差表示。差表示。 对于给定的环境压力和环境温度，它们仅与系统工质对于给定的环境压力和环境温度，它们仅与系统工质 的初终状态有关。即的初终状态有关。即 )()()( 21021021, VVpSSTUUE Ux （2）热量的做功能力（热量火用）热量的做功能力（热量火用） 如果系统除与环境换热外，还与其它系统可逆地交换如果系统除与环境换热外，还与其它系统可逆地交换 热量，那么该系统的作功能力将会改变，其改变量就热量，

37、那么该系统的作功能力将会改变，其改变量就 是系统所吸（放）热量的作功能力，是系统所吸（放）热量的作功能力，又称热量又称热量火用火用或或 热量的可用能。热量的可用能。 定义：在给定的环境条件下，系统所传递的热量中可定义：在给定的环境条件下，系统所传递的热量中可 转换的最大有用功。转换的最大有用功。 由卡诺定理，热量由卡诺定理，热量火用火用的计算式为的计算式为 STQ T Q TQQ T T E Qx00 0 , 1 相应的热量相应的热量火无火无为为 ST T Q TEQA QxQn 00, 相同数量的相同数量的Q，在不同的温度，在不同的温度T 下，具有不同的热量下，具有不同的热量 火用火用。当环

38、境温度一定时，。当环境温度一定时，T 越高，热量的品质越高，越高，热量的品质越高， 热量热量火用火用也就越大。也就越大。 热量热量火用火用与热量一样，均与过程有关，因此不是状态与热量一样，均与过程有关，因此不是状态 量，是过程量。量，是过程量。 （3）稳流系统工质的作功能力（焓）稳流系统工质的作功能力（焓火用火用） 稳定流动工质从任一给定状态稳定流动工质从任一给定状态1流经开口系可逆地过流经开口系可逆地过 渡到与环境相平衡的出口状态渡到与环境相平衡的出口状态(忽略动、位能变化忽略动、位能变化 ），）， 并只与环境交换热量时，所能作出的最大有用功（技并只与环境交换热量时，所能作出的最大有用功（技

39、 术功）称为稳流系统工质的作功能力，或焓术功）称为稳流系统工质的作功能力，或焓火用火用 。 同样，工质只能从状态同样，工质只能从状态1（p1、T1）定熵膨胀到状态）定熵膨胀到状态a （pa、T0）, 然后再可逆定温膨胀到环境状态（然后再可逆定温膨胀到环境状态（p0、T0）。）。 过程中系统仅与环境可逆换热，工质的换热温度为环过程中系统仅与环境可逆换热，工质的换热温度为环 境温度。境温度。 由于忽略了工质宏观动能及位能的变化，由稳流系能由于忽略了工质宏观动能及位能的变化，由稳流系能 量方程，可得稳流系每量方程，可得稳流系每kg工质的作功能力为工质的作功能力为 )()( 010,1 ,max,aa

40、atateHx hhqhhwwwe 由于由于 )( 00a ssTq a ss 1 所以，有所以，有 )()()( 01001,aaHx hhssThhe )()( 01001, ssThhe Hx 即即 同样，焓同样，焓火用火用又可理解为是系统初态与环境状态的又可理解为是系统初态与环境状态的 焓差减去放给环境的热量。焓差减去放给环境的热量。 （对于固定边界系统和稳定流动装置，不涉及排斥功）（对于固定边界系统和稳定流动装置，不涉及排斥功） 相应的相应的火无火无为为 )( 0100,1, SSTHEHA HxHn 当环境状态一定时，焓当环境状态一定时，焓火用火用和和火无火无只取决于工质的只取决于工质的 进口状态进口状态. 因此，稳流系统的做功能力（焓因此，稳流系统的做功能力（焓火用火用） 和和火无火无也