第五章热力循环——热力学第二定律

1、化工热力学化工热力学Chemical Engineering Thermodynamics华北科技学院华北科技学院第五章第五章 热力循环热力循环 热力学第二定律热力学第二定律1. 三种表述三种表述5.1 热力学第二定律热力学第二定律(1) 有关热流方向的表述有关热流方向的表述 ：1850年克劳休斯：年克劳休斯： 热不可能自动的从低温物体传热不可能自动的从低温物体传给高温物体。给高温物体。 (2) 有关循环过程的表述有关循环过程的表述 ：1851年开尔文：年开尔文： 不可能从单一热源吸热使之完全不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功，而不引起其他变化。变成有用功，而不引起其他变化。 (3) 有关

2、熵的表述：有关熵的表述：孤立体系的熵只能增加，或达到极限时保持恒定。孤立体系的熵只能增加，或达到极限时保持恒定。St0不可逆不可逆 可逆可逆 孤立体系热力学第二定律另一种表达式：孤立体系热力学第二定律另一种表达式：St=Ssys+Ssur0熵增原理熵增原理5.1 热力学第二定律热力学第二定律2. 四个概念四个概念 热源热源 是一个具有很大热容量的物系。取出是一个具有很大热容量的物系。取出或接受热量，温度不变，热源里的过程为或接受热量，温度不变，热源里的过程为可逆过程可逆过程。 功源功源 是一种可以做功或接受功的装置。功源是一种可以做功或接受功的装置。功源里的过程是绝热可逆过程，即里的过程是绝热

3、可逆过程，即等熵过程等熵过程。绝热绝热Ssur=0St=S功源功源=0，功源没有熵变。，功源没有熵变。5.1 热力学第二定律热力学第二定律 热机热机 是一种是一种产生功产生功并将高温热源的热量传并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。递给低温热源的一种机械装置。 热功率热功率 热转化为功的效率。获得的功热转化为功的效率。获得的功/投入投入的热。的热。 T=Ws /Q5.2 熵熵熵熵S与微观状态数与微观状态数 1878年，年，L.Boltzmann提出了熵与微观状态数提出了熵与微观状态数的关系：的关系： S=kln12311Amol106.022KmolJ314.8NRk123-KJ10

4、3806.1 粒子的活动范围愈大，粒子的数目愈多，系粒子的活动范围愈大，粒子的数目愈多，系统的微观状态数统的微观状态数愈多，系统的混乱度愈大。愈多，系统的混乱度愈大。5.2 熵熵热机热机低温热源低温热源LT高温热源高温热源HTHQLQ功源功源)(RSW可逆热机循环可逆热机循环示意图示意图由稳流过程的能量平衡式可得：由稳流过程的能量平衡式可得： )(RSWQH LHRSQQW )(由热力学第二定律：由热力学第二定律： 可逆过程：可逆过程： 0)( sursysSS热机为系统热机为系统 循环过程：循环过程： 0 sysS则：则： 0 功源低温源SSSSsur高温源高温源0 HHHTQS 高温源LL

5、TQS 低温源可逆：可逆： 0 LLHHsurTQTQS可逆热机效率：可逆热机效率： HRSRTQW)()( HLHQQQ HLQQ 1HLTT 1即使在可逆热机中做了最大功即使在可逆热机中做了最大功(可逆功可逆功)，也，也不可能将热全部转化为功，不可能将热全部转化为功，T0，说明体系做功，说明体系做功能力损失了，而损失做功能力大小与能力损失了，而损失做功能力大小与St成正比。成正比。循环循环装置装置热源热源LT热源热源HTHQLQ两个热源之间两个热源之间的传热的传热5.2 熵熵由稳流过程的能量平衡式可得：由稳流过程的能量平衡式可得： )(RSWQH 0)( RSW则，则，Q=QH+QL=0，

6、即，即，QH= - QL 0)( sursysSS 循环过程：循环过程： 0 H LHLLHHsurTTQTQTQS11101 LHLHTTHTQa. THTL，成立，自发从高温热源传向低温热源，成立，自发从高温热源传向低温热源b. 传热温差传热温差T，熵增，熵增，即不可逆程度越小，即不可逆程度越小，导致传热过程缓慢。增加传热面积，设备费用导致传热过程缓慢。增加传热面积，设备费用。1. 闭系热力学第二定律闭系热力学第二定律5.2 熵熵Ssys+Ssur0微分形式微分形式dSsys+dSsur0dSsur=dS热源热源+dS功源功源dS功源功源=0dSsur=dS热源热源=Qsur/T= -Qs

7、ys/TdSsysQsys/T通常形式通常形式dSsysQ/T不可逆不可逆 可逆可逆 闭系热力学闭系热力学第二定律第二定律5.2 熵熵 熵流熵流dSf可逆过程：可逆过程：TQdSRsys 我们称我们称TQR 为随为随RQ 热流产生的热流产生的熵流熵流。 熵流定义熵流定义： /TQdSRf 功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。功源熵变为零，因此功的传递不会引起熵的流动。 由于传热由于传热QR而引而引起体系熵的变化起体系熵的变化(2) 熵产熵产dSggRsysdSTQdS gdS熵产生熵产生，由于过程的不可逆性引起的熵变。由于过程的不可逆性引起的熵变。gQsysSTQS 0 dSsysQ/

8、T等式等式 积分积分 过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远不会小于零。不会小于零。 Sg0，不可逆过程不可逆过程 Sg=0，可逆过程可逆过程 Sg0ggfSTQSSSS A outjjjiniiigfAopsyssmsmSSSdtdS gtSSS AP125，例题，例题5-2，3 概述概述5.3 热力学图表热力学图表用于纯物质用于纯物质使用方便：使用方便：T-S，H-S，lnp-H查热力学数据查热力学数据分析热力学过程分析热力学过程 T-S图图5.3 热力学图表热力学图表CT(1)构成构成 TSC 临界点临界点T-S 示意图示意图 (

9、1)饱和蒸汽曲线饱和蒸汽曲线汽液共存区汽液共存区A饱和液体曲线饱和液体曲线B液相区液相区蒸汽区蒸汽区气相区气相区5.3 热力学图表热力学图表等焓线等焓线TSCBA3pp2p1p1H3H2HT-S 示意图示意图 (2)等压线等压线x等干度线等干度线 湿蒸汽中所含饱湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量百和蒸汽的质量百分数称为干度分数称为干度x 等容线等容线规律规律5.3 热力学图表热力学图表(2)使用使用 单相区：单相区：f = 2 两相区：两相区：f = 1 用相律分析用相律分析 如：如： xhxhhlgm 1 xSxSSlgm 1 xVxVVlgm 1 已知某物系在两相区的位置，可由已知某物系在两相区的

10、位置，可由T-S图求出图求出汽液相对量，汽液混合物系的热力学性质可通过汽汽液相对量，汽液混合物系的热力学性质可通过汽液性质及干度求出。液性质及干度求出。 5.3 热力学图表热力学图表a. 等压过程等压过程无相变无相变TCBA1p加热加热),( 212pT),(111pTppHQ 外界所交换的热：外界所交换的热： 12hh 21ssTdSSS1S25.3 热力学图表热力学图表有相变：有相变：TS=S2 S112hhHQp 外界所交换的热：外界所交换的热： ),( 111pT),( 212pTCBAp1H=粉线区域的面积粉线区域的面积S1S2S5.3 热力学图表热力学图表b. 节流膨胀过程节流膨胀

11、过程TS1p2p3p1H),( 111pT),( 222pT无相变：无相变：S=Sg =S2 S1有相变：有相变：5446液液汽汽),( 313pT),( 424pT655.3 热力学图表热力学图表c. 等熵膨胀过程等熵膨胀过程TS2p可逆绝热过程可逆绝热过程 2T等熵过程的焓变：等熵过程的焓变： 12-HHWHRS 2T1p),( 111pT),(222pT实际过程实际过程对外实际做的轴功：对外实际做的轴功： 12HHWS 或或 12hhws 等等熵熵过过程程2未知未知2121)(hhhhWWRssS 等熵膨胀效率等熵膨胀效率实验测得实验测得8060.s T2T2，S2 S2S2S2P130

12、，例题，例题5-4，焓熵图，压焓图，焓熵图，压焓图5.3 热力学图表热力学图表热力学性质图的共性热力学性质图的共性1. 制作原理及步骤相同，仅适用于特定物质。制作原理及步骤相同，仅适用于特定物质。2. 图形中内容基本相同，图形中内容基本相同，p,V,T,H,S都有。都有。热力学图表与普遍化热力学图表的区别热力学图表与普遍化热力学图表的区别l制作原理不同制作原理不同l应用范围不同应用范围不同热：以实验数据为基础热：以实验数据为基础普：以对比参数作为独立变量作出的普：以对比参数作为独立变量作出的热：只适应于特定的物质热：只适应于特定的物质普：对物质没限制，适用于任一物质普：对物质没限制，适用于任一

13、物质1. 卡诺循环卡诺循环5.4 水蒸气动力循环水蒸气动力循环HRSRTQW)()(HLHQQQ HLQQ 1HLTT 1以水蒸气为工质的卡诺循环示意图：以水蒸气为工质的卡诺循环示意图：LT5HT锅锅炉炉冷凝冷凝器器THQ水泵水泵PumpSW,LQ6S图图1 简单的蒸汽动力装置简单的蒸汽动力装置图图2 TS图上的卡诺循环图上的卡诺循环43412312TurSW,卡诺循环各步骤的能量平衡和熵平衡式卡诺循环各步骤的能量平衡和熵平衡式2. 问题问题5.4 水蒸气动力循环水蒸气动力循环第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是郎肯循环郎肯循环。 （1）湿蒸汽对透平和水泵有浸蚀

14、作用，透平带水）湿蒸汽对透平和水泵有浸蚀作用，透平带水量不得超过量不得超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；，水泵不能带入蒸汽进泵；（2）绝热可逆过程实际上难以实现。）绝热可逆过程实际上难以实现。 5.4 水蒸气动力循环水蒸气动力循环TS1432312：高温吸热：高温吸热21 HQH23：等熵膨胀做功：等熵膨胀做功要求：湿蒸气干度要求：湿蒸气干度90%32)( HWRS实际轴功：实际轴功：32, HWTurS透平产功：透平产功： )(,RSsTurSWW 34：低温放热：低温放热43 HQLTS143235.4 水蒸气动力循环水蒸气动力循环P135，例题，例题5-541：水泵输送：水泵输送14),

15、( HWpumpRS水不可压缩：水不可压缩：)(41),(2ppVWOHpumpRS 循环过程：循环过程：SpumpSTurNWWW 实际功：实际功：41,/ )(2sOHpumpSppVW LHQQQ 循环热效率：循环热效率：T = WN / QH思考：郎肯循环与卡诺循环的不同思考：郎肯循环与卡诺循环的不同3. 朗肯循环的改进朗肯循环的改进提高热效率提高热效率5.4 水蒸气动力循环水蒸气动力循环HLHscTTQW 1 12HHQQQWLHHN 对卡诺循环：对卡诺循环：对郎肯循环：对郎肯循环：(3) 采用再热循环采用再热循环 (1) 提高水蒸气的过热温度提高水蒸气的过热温度(2) 提高水蒸汽的

16、压力提高水蒸汽的压力总结总结原因，原因，P138，例题，例题5-6制冷定义与方法制冷定义与方法5.5 制冷制冷l 使物系温度小于环境温度的操作称为使物系温度小于环境温度的操作称为制冷制冷。l 当冷冻温度大于当冷冻温度大于-100 ，称普通冷冻。，称普通冷冻。l 小于小于-100 称深度冷冻。称深度冷冻。制冷循环为逆向卡诺循环制冷循环为逆向卡诺循环 正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。 工业上制冷循环工业上制冷循环蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷 蒸汽喷射制冷（拉法

17、尔喷嘴）蒸汽喷射制冷（拉法尔喷嘴） 吸收式制冷吸收式制冷 5.5 制冷制冷1. 制冷原理与逆卡诺循环制冷原理与逆卡诺循环工质在低温下不断吸热工质在低温下不断吸热 形成的蒸汽可逆绝热压缩形成的蒸汽可逆绝热压缩 高压液体绝热可逆膨胀高压液体绝热可逆膨胀 在高温下放热在高温下放热4312T工质吸热蒸发工质吸热蒸发压缩升温压缩升温放热冷凝放热冷凝恒熵膨胀恒熵膨胀S5.5 制冷制冷对于工质完成一个循环：对于工质完成一个循环： NWQH 0衡量制冷机效能的参数为衡量制冷机效能的参数为制冷系数制冷系数，用，用表示；其定义为：表示；其定义为： 消消耗耗的的净净功功在在低低温温下下吸吸的的热热 4141SSTT

18、SSTLHL NLWQ LHLQQQ 413241SSTSSTSSTLHL LHLTTT 4321,SSSS 意义：意义：每消耗单位量的外功所获得的每消耗单位量的外功所获得的制冷量制冷量(QL) 。 (1) LHTTf制冷系数仅是工作温度的函数，与工质性质无关。制冷系数仅是工作温度的函数，与工质性质无关。结论：结论：(2)在在TH和和TL两个温度之间操作的任何循环，逆卡诺循两个温度之间操作的任何循环，逆卡诺循环的制冷系数最大。环的制冷系数最大。(3)提高提高，必须提高，必须提高TL或降低或降低TH，而，而TH为环境温度，一为环境温度，一般不变，所以提高低温热源温度般不变，所以提高低温热源温度T

19、L，提高提高(很有使用价值，很有使用价值，TL提高，可少消耗功提高，可少消耗功)5.5 制冷制冷2. 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环要实现逆卡诺循环有两个困难：要实现逆卡诺循环有两个困难： (1)饱和蒸汽膨胀产生液体，透平难以承受饱和蒸汽膨胀产生液体，透平难以承受。 (2)实现绝热可逆压缩有困难，压缩机不能承受。实现绝热可逆压缩有困难，压缩机不能承受。 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环为克服以上两个困难而提出。为克服以上两个困难而提出。 绝热压缩过程：绝热压缩过程：12(可逆可逆) 或或12(不可逆不可逆)冷凝过程：冷凝过程：23 节流膨胀过程：节流膨胀过程：34 蒸发过程：蒸发过程：415

20、.5 制冷制冷蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器节流减压阀节流减压阀压缩机压缩机HQLQSW4321TS32214实际循环制冷系数：实际循环制冷系数： SLwq 1241hhhh 若已知制冷量若已知制冷量QL ，制冷剂的循环流量：，制冷剂的循环流量：LLsqQm 41hhQL P141，例题，例题5-7提高提高的措施的措施(1)降低冷凝温度降低冷凝温度TH，消耗功减少，制冷量增加，消耗功减少，制冷量增加，升高；升高； (2)提高提高TL，即提高蒸发温度，制冷量增加，所以，即提高蒸发温度，制冷量增加，所以升高；升高； (3)使饱和液体过冷，使之节流膨胀。制冷量加大，使饱和液体过冷，使之节流膨胀。制冷量加大，提高。提高。5.5 制冷制冷3. 吸收式制冷循环吸收式制冷循环 吸收制冷吸收制冷是是不用机械功不用机械功，通过吸收和精馏装置，通过吸收和精馏装置来完成循环过程。以溶液为工质来完成循环过程。以溶液为工质(例如，氨例如，氨)。 吸收式制冷装置运行的经济指标成为吸收式制冷装置运行的经济指标成为热力系数热力系数，定义：定义： QL为吸收的热量为吸收的热量(制冷量制冷量)，Q为外界提供的热量为外界提供的热量。=QL /Q优点：优点： 可以利用低温热能，尤其是利用工业余热可以利用低温热能，尤其是利用工业余热或废热；耗电量少。或废热；耗电量少。 缺点：缺点： 较低一般为较低