高等工程热力学第3章

1、第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 第一节第一节 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第二定律热力学第二定律的实质是热能利用的方向性、的实质是热能利用的方向性、不可逆性和有限性。不可逆性和有限性。 热力学第二定律的三种不同的表述法：热力学第二定律的三种不同的表述法： 克劳修斯叙述：热能不可能从低温物体传到高温克劳修斯叙述：热能不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，即热从低温物体传给高物体而不引起其他变化，即热从低温物体传给高温物体不能自发进行。温物体不能自发进行。 热传递具有方向性。热传递具有方向性。能量的数量关系 第一定律将不同形式的能量在数量上联系了起来，指出

2、不同形式的能量可以互相转换，而且在转换中数量不变。 比如：电能动能、势能、热能；热能机械能、电能等。能量的品质关系 但在长期的生产实践中，人们发现满足第一定律的过程不一定能够实现。 也就是说，热过程是有方向性的，比如，电可以很方便地转化为热，而热要变成电就困难得多，低温物体的热量不会自动地传至高温物体。揭示热过程方向性的是第二定律。热力学第二定律揭示：能量不但有数量之分，还有方向之别，品质之别。 电热（100） 但热/电（100） 1000的热能比100的热能更有用，更有价值。 能量的品质不能自动升高，只能自动降低，理想情况是不变。 2.1 热力过程的方向性 热过程是有方向性的，是不可逆的，下

3、面举例说明并分类。 不等温传热过程是不可逆的两个物体、，设，那么、接触，就有从中传出，就有流入。 第一定律指出： 但相反的过程，即放热，吸热，即使满足，也不会发生。 即低温物体热量不会自动流入高温物体，否则将会出现很多怪现象。 A TA B TB 自由膨胀过程是不可逆的 第一定律指出：膨胀前与后必须满足： 但相反过程，即使仍满足 ，也不可能发生， 没有谁见过气体能自动恢复一半真空的。12 功热转换过程是不可逆的 功可以自动地转换为热（注意：自发、自动） 焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动，通过摩擦使功自发变为热。相反的过程不可能发生。 总之：有摩擦、电阻、磁阻、非弹性形变等耗散效应存在的过程都

4、是不可逆的。 混合过程是不可逆的，任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的。 虽然，实际过程是不可逆的，但减小不可逆因素，过程的不可逆性就会相应减少，减少到可以忽略，过程就趋于可逆过程。可逆过程的共同特征： a它必须是准平衡过程。（力、热、化学平衡） b过程中不包括有摩擦、磁电阻等耗散效应。 上述不可逆过程，我们强调了不能“自动”发生，不是说不能发生，不然盐、真空、冷饮从何来？ 如果要发生，外界必须提供能量、某种补偿，制冷过程就必须消耗机械作为补偿。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 开尔文叙述：不可能从单一热源取得热使之完全开尔文叙述：不可能从单一热源取得热使之完全

5、变为功，而不产生其它影响。变为功，而不产生其它影响。 热功转换具有方向性；热功转换具有方向性； 第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。 喇嘛氏叙述：在物系中给定任意平衡态附近，总喇嘛氏叙述：在物系中给定任意平衡态附近，总有这样的状态存在，使给定状态不可能沿绝热过有这样的状态存在，使给定状态不可能沿绝热过程到达已知的平衡态。程到达已知的平衡态。 它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影响。 如果这种设想能成立，就可利用环境中无限的热能做功。 所以：第二类永动机是造不成的。历史上还出现过违反第二定律的第二类永动机的设想（不违反第一定律）热力学不可逆性不是孤立的 一切不可逆过程是相互联

6、系的，各种表述是等效的，它反映的是热力过程的不可逆性。 第二定律是经验定律，但没有违反之例，只有同时遵守一、二定律的过程才能发生。第二定律有多种表述，但是等效的，一种表述成立则另一种表述也必然成立。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 第二节第二节 熵熵 熵方程熵方程一、熵的导出一、熵的导出3-1 3-1 任何可逆循环任何可逆循环定熵线定温线第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 导出熵参数有多种不同的方法，这里只介绍导出熵参数有多种不同的方法，这里只介绍一种经典方法，即是一种经典方法，即是1865年克劳修斯依据卡诺年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可

7、逆循环时提出来的。图循环和卡诺定理分析可逆循环时提出来的。图3-1表示一任意可逆循环。表示一任意可逆循环。 假设用许多定熵线分割该循环，并相应地配假设用许多定熵线分割该循环，并相应地配合上定温线，从而构成一系列微元卡诺循环。取合上定温线，从而构成一系列微元卡诺循环。取其中一个微元卡诺循环（如图中斜影线所示），其中一个微元卡诺循环（如图中斜影线所示），则有则有22,1111t cqTqT第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 考虑到考虑到 为负值，即得为负值，即得 对于整个可逆循环对于整个可逆循环 （3-13-1） 式（式（3-13-1）称为）称为克劳修斯等式克劳修斯等式。式中

8、被积函数。式中被积函数 的循环积分为零，表明该函数与积分路径无关，的循环积分为零，表明该函数与积分路径无关，是一个状态函数。是一个状态函数。12120qqTT2q1212()0reabccdaqqqTTT()reqT第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 令令 式中式中s三系对单位质量工质而言，称为比熵。三系对单位质量工质而言，称为比熵。 对任意过程对任意过程 （a a） 对可逆过程对可逆过程 （b b） ()reqdsT(/()Jkg Kqwuqwu第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 将将(b)(b)式代入（式代入（a a）有有 所以有所以有 其中，上

9、式中第一项是系统的熵流，第二项为过其中，上式中第一项是系统的熵流，第二项为过 程不可逆产生的熵。程不可逆产生的熵。qqwwqwwdsTT第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 二、熵方程二、熵方程 输入熵输入熵- -输出熵输出熵+ +熵产熵产= =系统熵变系统熵变 1 1、闭系、闭系 熵方程也称不可用能方程，方程中不体现功，熵方程也称不可用能方程，方程中不体现功，所以也称上方程为第二定律的数学表达式。所以也称上方程为第二定律的数学表达式。 2 2、开系、开系 称称 为质流熵，由质量流动带来的熵变。为质流熵，由质量流动带来的熵变。fgsssfi ie egcvsms msss

10、ms第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 第三节第三节 能量的可用性能量的可用性 一、能量的可用性一、能量的可用性 各种不同形式的能量对人类的有用程度不同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能量的转换过程具有方向性与不可逆性 所以所以, 能量不但有数量之分，而且有质量能量不但有数量之分，而且有质量（品位）之分。对于（品位）之分。对于1kJ的功和的功和1kJ的热不能看作的热不能看作是一样的，从热力学第一定律来看，它们的数量是一样的，从热力学第一定律来看，它们的数量是相等的，但从热力学第二定律考察，它们的质是相等的，但从热力学第二定律考察，

11、它们的质量及作功能力是不相当的，功的质量高于热。量及作功能力是不相当的，功的质量高于热。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 能量按其作功能力的大小可以分为三大类：能量按其作功能力的大小可以分为三大类： 1.理论上可无限转化为其他形式的能量，而不受理论上可无限转化为其他形式的能量，而不受第二定律约束的能量称为高级能量，如机械能、第二定律约束的能量称为高级能量，如机械能、电能、水利能和风力能等；电能、水利能和风力能等； 2.理论上有限转化为其他形式的能量，而不受第理论上有限转化为其他形式的能量，而不受第二定律约束的能量称为低级能量，如热能、内能二定律约束的能量称为低级能量，

12、如热能、内能等；等； 3.完全不能转化的能量称为僵态能量，如大气、完全不能转化的能量称为僵态能量，如大气、大地、天然水源等环境下的内能等。大地、天然水源等环境下的内能等。第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 定义：工质从任意状态，经可逆过程到达环境状定义：工质从任意状态，经可逆过程到达环境状态，理论上可最大限度地转化为其他形式的能的态，理论上可最大限度地转化为其他形式的能的那部分能量，称为工质的那部分能量，称为工质的 或工质的可用能，或工质的可用能，用用 表示；理论上完全不能转化为其他形式的表示；理论上完全不能转化为其他形式的能的那部分能量，称为工质的能的那部分能量，称为工

13、质的 ，用，用 表示。表示。 用能量的用能量的 和和 可将上述三种能表述为：可将上述三种能表述为： 第一类第一类 : 第二类第二类 : 第三类第三类:xEnAnxEEnxnEEAnnEA第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 用能量的用能量的 和和 热力学第一定律可表达为热力学第一定律可表达为: : 第二定律可表达为第二定律可表达为: :根据根据和和，热力学第二定律也可表述为：，热力学第二定律也可表述为： （1）一切不可逆过程中，必有）一切不可逆过程中，必有转化为转化为。 （2）由）由转化为转化为的过程是不可能的。的过程是不可能的。 （3）孤立系统的）孤立系统的只增不减。只增

14、不减。 nxnEEA()0 x isoldE1865年，德国科学家克劳修斯（Clausius）提出了熵（entropy）的概念。 1868年，英国科学家泰特（Tait）第一次使用了能量可用性（availability）概念，理论上确定了热量中的有效部分为: 与无效部分为: QTT)(QTT0火用火用 概念的历史沿革概念的历史沿革火用火用 概念的历史沿革概念的历史沿革 1871年至1875年间，麦克斯韦（Maxwell,英）第一次提出了可用能（available energy）的概念，并于1873年用封闭系统达到死态时的可逆净功表示系统的可用能。火用火用 概念的历史沿革概念的历史沿革 1873年

15、，吉布斯（Gibbs,美）第一次导出了封闭系统内能火用 的公式，即把净功扣除对环境的容积功以后的封闭系统总功输出作为物质的可用能，推导出流动过程的输出总轴功，即 )()(0000010101STVPUSTVPUWex1889年，高乌（Giuy，法）用总可逆轴功分析了可用能，得出了可用能损失和熵增的关系，即)(SSTWex火用火用 概念的历史沿革概念的历史沿革火用火用 概念的历史沿革概念的历史沿革 1898年，斯托多拉（Stodola，瑞士），研究了工程实践上有重要意义的稳定物质流，导出了稳定物质流的最大技术功，即)()(000101maxSTHSTHW第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律

16、 可用可用能能 二、能量转换的限度二、能量转换的限度 热量转变为功的限度热量转变为功的限度 热力学能转换为功的限度热力学能转换为功的限度 闭口系统绝热过程，系统由初态闭口系统绝热过程，系统由初态1 1变化到终态变化到终态2 2，热力学能转化为功，热力学能转化为功: : 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 初态一定时，其终态初态一定时，其终态2 2 不能随意给出不能随意给出: : 所以系统热力学转换为有用所以系统热力学转换为有用功最大值为功最大值为 相反，任意数量的功可以通相反，任意数量的功可以通过耗散全部转换为热力学能。过耗散全部转换为热力学能。 第三章第三章 热力学第二

17、定律热力学第二定律 可用可用能能 能量转换的非对称性能量转换的非对称性机械能和电能机械能和电能可以不受限制地转换为热力学能和热量；可以不受限制地转换为热力学能和热量；但即使是可逆过程热力学能和热量不能全但即使是可逆过程热力学能和热量不能全部转换为功。部转换为功。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 三、下面介绍几种形式的三、下面介绍几种形式的 : : 1、热量、热量和冷量和冷量 定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，定义：热量相对于环境所具有的最大作功能力，称为称为热量热量 。 系统从高温热源系统从高温热源 中，中，吸热吸热 ，到达，到达 ，经可逆，经可逆过程到达另一

18、状态，过程到达另一状态，xQETQ0T第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 从从的变化能算出传递热量的可用性和传热的变化能算出传递热量的可用性和传热中的不可逆损失为中的不可逆损失为 即即 其中其中 称为热量称为热量， 称为热量称为热量 。 定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界定义：冷量是系统温度低于环境温度下通过边界 所吸收的热量。冷量相对于环境所具有的最大作所吸收的热量。冷量相对于环境所具有的最大作功能力称为功能力称为冷量冷量。 0 xQfQETSxQE0nQfATS0max0(1)xQfTEWQQ T ST 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能

19、 当当 时，系统吸收了从环境中来的热时，系统吸收了从环境中来的热量量 ，而能对外输出最大有用功，而能对外输出最大有用功 。 因为因为 所以所以0TTQmaxWmax0(1)TWQTmax0WQQmaxmax000(1)(1)TTWWQTT第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可可用能用能 整理得整理得 所以所以 因为因为 ，在可逆过程中加给系统的冷量，在可逆过程中加给系统的冷量为一个负值，意味着系统从冷物体或冷库吸收冷为一个负值，意味着系统从冷物体或冷库吸收冷量时却放出了量时却放出了，而放出冷量的冷物体或冷库则，而放出冷量的冷物体或冷库则得到了得到了。所以，冷量。所以，冷量流的方向和冷量

20、流的方流的方向和冷量流的方向是相反的。向是相反的。 0max0(1)TWQTmax00 xQfEWTSQ0TT第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 2、内能、内能 在闭系内，工质从在闭系内，工质从 、 经过可逆到达环经过可逆到达环境境 、 ，内能，内能可表示为可表示为 由第一定律有由第一定律有 所以有所以有TP0T0Pmax0()xuuEWPP dV0000max0SvuuSvuT dsPdVduWPdVdumax00000()()()xuuEWuuP VVT SS第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 在在 图上表示图上表示 。 使任意使任意 、 先绝热

21、，后定温，可达到先绝热，后定温，可达到 、 ， 如下图所示，图中斜影线面积所示为内能如下图所示，图中斜影线面积所示为内能 ：p VxuETP0T0P第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 图中图中1-2过程为绝热过程过程为绝热过程 2-3为定温过程为定温过程 所以此过程的有用能为所以此过程的有用能为max0Wuuu max03200()()WQ T SST SSmax00000()()xuEWu uT SSP V V 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 例例 容量为容量为300300升的刚性容器盛有空气，最初升的刚性容器盛有空气，最初处于处于3MPa3M

22、Pa，室温，室温2525，阀门打开后，压力下降为，阀门打开后，压力下降为 1.5MPa1.5MPa，关闭阀门。如同期内进行可逆绝热膨胀，关闭阀门。如同期内进行可逆绝热膨胀, , 求：求： （1 1）容器内空气最初的）容器内空气最初的 （2 2）刚关闭阀门时的）刚关闭阀门时的 （3 3）长时间后，又回到室温，容器内空气的）长时间后，又回到室温，容器内空气的第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 解：解： (1)(1)取刚性容器为系统，空气取刚性容器为系统，空气值为闭口系统的值为闭口系统的 内能内能。 初态空气质量初态空气质量: : 初态空气比容：初态空气比容：1113000 0

23、.310.5230.287298pVmkgRT3110.30.0285/10.523Vvmkgm第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 环境状态空气比容：环境状态空气比容： 空气初态空气初态值：值：30000.287 2980.8553/100RTvmkgp111Exmex111001001011110010000()()()()()(lnln)310.5230 100(0.02850.8553)298(00.287ln)0.12191vpExmuup vvT ssTpm c TTp vvT cRTpkJ第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 ( () )迅

24、速排气可理想化为可逆绝热过程，迅速排气可理想化为可逆绝热过程， 终态空气温度终态空气温度: : 终态空气比容：终态空气比容：11.4 121.42111.5()298()244.43kkpTTKp32220.287 244.40.0468/1500RTvmkgp第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 终态空气质量终态空气质量: : 空气终态空气终态值：值：220.36.410.0468Vmkgv111Exmex26.410.7165(244.4298) 100(0.0468 0.8553)244.41.5298(1.004ln0.287ln)2980.11101ExkJ第三章

25、第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 (3)(3)长时间后，又回到室温长时间后，又回到室温, ,可视为等容过程。可视为等容过程。 由等容过程得由等容过程得 即即 空气的空气的值：值：32mm32vv333m RTPV3223PPTT333003003033330030000()()() ()()(lnln)vpExmuup vvT ssTpm c TTp vvT cRTp2332PPTT第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 3、焓、焓 开口系中，工质从开口系中，工质从 、 经过可逆到达环经过可逆到达环境境 、 ，可输出最大功由第一定律可表示为，可输出最大功由第

26、一定律可表示为 max0000()()WQhTdshh hT SS TP0T0P第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 在在 图上表示图上表示 。 使任意使任意 、 先绝热，后定温，可达到先绝热，后定温，可达到 、 ， 如下图所示，图中斜影线面积所示为焓如下图所示，图中斜影线面积所示为焓 ：TP0T0Pp VxhE第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 四、四、 方程方程可用能方程可用能方程输入输入-输出输出-损损=系统系统变变 1、闭口系统、闭口系统 即即120()xQxLxuEWP VEE0120120120120210()()()()()xLffEQ

27、T SWP VU UT SSP V VT SST S fgSSS 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 2、开口系统、开口系统 整理上式得整理上式得 因为因为2211122211()()22qsLexcgzexwexcgzexex21201() ()02sLexexQ T swcg zex 120120()() ()ftLhhT ssQ T SWEx 12()tWQhh第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 所以有上式可变成所以有上式可变成 3、孤立系、孤立系 孤立系统的孤立系统的减少原理：减少原理： 孤立系统中一切实际的或不可逆的过程都使孤立系统中一切实

28、际的或不可逆的过程都使系统的系统的减少，其极限（所有过程都可逆）使系减少，其极限（所有过程都可逆）使系统的统的保持不变。任何使孤立系统的保持不变。任何使孤立系统的增加的过增加的过程是不可能发生的。程是不可能发生的。 0LgExTS0LgExTS第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 总结：一切自发过程都不可逆总结：一切自发过程都不可逆转转变为变为无法改变无法改变 ，任何不可逆过程必引起，任何不可逆过程必引起损失，因此实际过程中损失，因此实际过程中不守恒。不守恒。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用可用能能 第四节第四节 分析分析目的：确定系统各部位的能量损失的性

29、质、大小，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。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方法：第一定律分析法和第二定律分析法 。 能量分析是建立在热力学第一定律的基础上能量分析是建立在热力学第一定律的基础上的第一类热力学分析方法，它可以表示为的第一类热力学分析方法，它可以表示为 能量分析只反映能量的数量损失，即外部损能量分析只反映能量的数量损失，即外部损失，无法反映能量可用能即内部损失。失，无法反映能量可用能即内部损失。 12nEnQEnWE第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 熵分析是以热力学第一、二定律

30、为基础的第熵分析是以热力学第一、二定律为基础的第二类热力学分析法，它可以表示为二类热力学分析法，它可以表示为 熵分析通过计算设备、装置或过程的熵产生熵分析通过计算设备、装置或过程的熵产生量及理想功、损耗功，从而确定过程的功损耗及量及理想功、损耗功，从而确定过程的功损耗及热力学效率，分析查找功损耗大的原因，提出节热力学效率，分析查找功损耗大的原因，提出节能降耗，提高能量利用率的途径及措施。但它只能降耗，提高能量利用率的途径及措施。但它只反映不可用能的变化。反映不可用能的变化。 0gS第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 分析是以热力学第一、二定律为基础分析是以热力学第一、二定

31、律为基础的第二类热力学分析法，它是对装置或过程，的第二类热力学分析法，它是对装置或过程，在物料和能量衡算的基础上，计算各物流和在物料和能量衡算的基础上，计算各物流和能流的能流的值，通过值，通过平衡，确定平衡，确定损失及其损失及其分布，找出损失或损耗的原因以及能量利用分布，找出损失或损耗的原因以及能量利用上的薄弱环节，从而为节能降耗提高能量利上的薄弱环节，从而为节能降耗提高能量利用率指明正确的方向。用率指明正确的方向。第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 第五第五节节 合理合理一、一、效率和效率和损失系数损失系数 所以，能量的合理利用，是能量中所以，能量的合理利用，是能量中的

32、合理利用的合理利用。 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 系统或设备系统或设备效率：效率： 效率效率: :热力系统或热工设备中热力系统或热工设备中的利用程度的利用程度, , 或系统中进行热力过程的热力学完善程度。或系统中进行热力过程的热力学完善程度。 在系统或设备进行的过程中，被利用或收益在系统或设备进行的过程中，被利用或收益的的 与支付或耗费的与支付或耗费的 的比值的比值: :, x gainE, x payE第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 损失系数损失系数 系统或过程中耗费系统或过程中耗费与收益与收益之差即为系统之差即为系统或设备进行的不可逆

33、过程所引起的或设备进行的不可逆过程所引起的损失：损失： 所以，所以，损失系数为损失系数为 又又第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 可以看出，可以看出， 效率是耗费效率是耗费的利用分额，的利用分额， 损失系数是耗费损失系数是耗费的损失分额。的损失分额。二、二、合理合理 先分析用电采暖的不合理性：设环境温度为先分析用电采暖的不合理性：设环境温度为0，室内要求温度为，室内要求温度为20 。 因为因为 所以用能系数为所以用能系数为0(1)QTExQT0273110.068293QyongExTQT 第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可可用能用能 而供能系数为而供能系数为

34、 所以所以 ，称为能质不匹配。故用电采，称为能质不匹配。故用电采 暖是不合理的。暖是不合理的。1gongExExyonggong第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 可用能可用能 总结用能原则总结用能原则: : 1. 1.能质匹配原则，即合理能质匹配原则，即合理。 2.2.逐级串联，分级使用总能系统，使逐级串联，分级使用总能系统，使向向退化时充分利用，例如燃气蒸汽轮机退化时充分利用，例如燃气蒸汽轮机低沸点。低沸点。 3.3.可以作为能量的稀释剂。可以作为能量的稀释剂。 能量的转换能力越强能量的转换能力越强, ,或说能量的可转换性或说能量的可转换性越好越好, , 则可利用性就越好，从技术使

35、用和经济价则可利用性就越好，从技术使用和经济价值角度，其品位（质量）就越高，越宝贵。因值角度，其品位（质量）就越高，越宝贵。因此上述三类能量中第一类此上述三类能量中第一类“品质品质”最高，第二最高，第二类次之，第三类最次，完全没有经济价值类次之，第三类最次，完全没有经济价值。 能量的转换能力能量做功能力的强弱，还与环境条件和转换过程的性质（是否可逆）有关。为了有共同的比较基础，还必须附加两个约束条件： (1) 以给定的环境为基准； (2) 以可逆条件下最大限度（又称“理论上的最大限度”）为前提。 能量转化的约束条件可用能利用程度的评价指标 起初，人们只注重能量在数量上被利用的份额，后来人们更注

36、意到能量在“质量”上的被利用程度。 对于可用能利用程度的评价，通常用热力学完善度和火用 效率作为判断标准。 热力学完善度 对于产功装置来说，热力学完善度定义为：可逆过程输出的有用功实际过程输出的有用功对耗功装置则为实际过程输入的有用功可逆过程输入的有用功完善度不可能达到100%，作为产功装置的氢-氧燃料电池的效率一般在5090%之间。 火用 效率 也有人用火用 效率来作为装置的评价指标 火用 效率的计算是建立在对热力系统进行火用 平衡分析基础上的。 热力过程的火用 平衡方程式为： 输入系统的火用 =输出系统的火用 +系统内部的火用 损失+系统火用 的变化（增加或减少）。 投入（或消耗）的火用用

37、被利用（或收益）的火1能量的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 1 q T T 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 wmax。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:w u1 u2初态一定时，其终态2不能随意给出:s2 s1绝热系统热力学转换为有用功最大值为wmax u1 u0 p0 (v1 v2 )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

38、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。这里0不是环境态与热力学能不矛盾3二、能量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3、非转换能一切形式的能量由和组成，是能量的属性。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

39、介质作为一个无限蓄热系统，认为它永远处于平衡状态，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。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；方法计

40、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设 备锅炉：燃烧过程传热过程烟道损失其他损失汽轮机冷凝器加热器其他合计能量损失占输入能量的比（%）904

41、70359损失占输入量的比（%）4929.714.90.683.7241.51.05.561两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装置两种分析结果1 称为有效能，可用能等。2-7 系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可一、热量和冷量热量 T0 T 热量an q T0 sT0T冷量冷量二、闭口系统工质的热力学能ex,U u p0 v T0 s (u u0 ) p0 (v0 v) T0 (s0 s) (u u0 ) p0 (v v0 ) T0 (s s0 )闭口系统工质的为：an ,U u ex ,U u0 p0 (v v0 ) T0 (s s0 )闭口系统由状态1变化

42、到状态2时的最大可用功ex,U1 ex,U2 (u1 p0v1 T0 s1 ) (u2 p0v2 T0 s2 ) (u1 u 2 ) p0 (v1 v2 ) T0 (s1 s2 )9三、稳流开口系统工质的焓ex,H (h h0 ) T0 (s0 s) (h T0 s) (h0 T0 s0 )开口系统工质an,H h ex,H h0 T0 (s s0 )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：105Pa2-8 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

43、不可逆过程均造成机械能损失，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q1THs1 a) 热能机械能q2TLs2 热源：失q1冷源：得q2热机：输出 wnet s 013ex,rev (q1 q2 ) q2 q1 T01 ex,irrev (q1 q2 ) q2 q1 T01 q1 q2TH TLq1 q2TH TLsiso 0 0rev “=”irrev “”1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q2TL T0 TL 若不可逆循环，循环净功及放热中的q2TL T0 TL siso q 0 1 1 TB A I q q 1 1 15b)

44、 热量：高温低温qTAsA Trev “=”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传出热量中含的与从B传出热量中含之差。qTBsB A：失qB：得q T0 T0 TA TB 1 1 TB TA S工质 mcV lnT revT116c) 机械功（或电能）转化为热能输入Ws Q（=Ws），气体由T1 上升到T2，v1 = v2。 工质熵变 0外界 S外=02 Q T21Siso S工质 S外 S工质 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I Ws

45、 Ex,U Ws U T0 S工质 p0 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I T0 S工质 T0 Sgs Rg ln Rg lnI W T0 g T0 Rg lnv217d) 有压差的膨胀（如自由膨胀）v2v1s Rg ln 0siso s 0v2v1siso 0W 0W QQ RgT0 lnv2v1Q v2T0 v1s外界s外界 0Sv1孤立系熵增（即熵增）意味损失， I T0 Sg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

46、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 损失=系统的变化181 Tr 二、封闭系统的平衡方程Ex,Q Wu Ex,los Ex,U 2 Ex,U1Ex,los E x , Q W u E x ,U或损失系统输出的有用功机械功热量 E2 T0 1热力学能差Ex,W Wu W1 2 p0 (V2 V1 )Ex,los 1 20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。Q0T0环境熵变量： S0 损失和熵产能量平衡： Q Q0 U 2 U1 p0 (V2 V1 ) Wu 021热源熵变量： Sr 21 T0 Tr S2 1 SQ0 0 (S2 S1 ) TTr Sg 1 H21三、稳定流动系统平衡方程系统能量平衡：12121 Sgm2Q Q0 H 2 H1 熵方程 HEx,Q Ex, H1 2 1 Tr 1 0 Q ( H1 0 0 (S1 S0 ) H ) T2cf 12 Ex, H Q Ex,