清华大学工程热力学课件 第4章04

1、作 业4-94-104-114-12 熵与不可逆讨论(例4 续7)800 KsT285 K750 K300 K 第四章 习题课例1(4-7) ：设有一个能同时产生冷空气和热空气的装置，参数如图所示，判断此装置是否可能？ 如果不可能，在维持各处原摩尔数和 环境t0 0不变的情况下，改变哪一个参数就能实现？a2 kmol1 atm25b1 kmol1 atm1 kmol1 atm-15 60 c热二律 例1 教材（4-7） 续1a2 kmol1 atm25b1 kmol1 atm1 kmol1 atm-15 60 c不可能 例1 教材（4-7）续2a2 kmol1 atm25b1 kmol1 at

2、m1 kmol1 atm-15 60 c热一律需向环境放热若吸热，无热源，不可能t0Q 例1 教材（4-7）续3a2 kmol1 atm25b1 kmol1 atm1 kmol1 atm-15 60 ct0Q不可能注意：在使用热二律时，不要忘了热一律 !例1 教材（4-7）续4例1：（4-7）设有一个能同时产生冷空气和热空气的装置，参数如图所示，判断此装置是否可能？ 如果不可能，在维持各处原摩尔数和环境 t0 0不变的情况下，改变哪一个参数就能实现？a2 kmol1 atm25b1 kmol1 atm1 kmol1 atm-15 60 ct0paTaTcpcTbpb 例1 教材（4-7）续5a

3、2 kmolpab1 kmolpb1 kmolpcct0QTaTcTb热一律 例1 教材（4-7）续6a2 kmolpab1 kmolpb1 kmolpcct0QTaTcTb热二律 例1 教材（4-7）续71) 当Ta Tb Tc不变当pb、pc不变, pa当pa不变, pb pc真空不易实现1) 当pa pb pc不变Tb Tc不变Ta316.35K43.2 (25 ) 例 2 有人声称已设计成功一种热工设备, 不消耗外功, 可将65 的热水中的20%提高到95 , 而其余80%的65 的热水则降到环境温度15 , 分析是否可能? 若能实现, 则65 热水变成95 水的极限比率为多少?已知水

4、的比热容为解：热一律, 能量守恒设有1kg 65 的热水从65 提高到95 , 吸热从65 降低到15 , 放热如果 吸热量放热量不满足热一律 例 2 （续1）水从65 降低到15 , 放热量：水从65 提高到95 , 吸热量：吸热量：不可逆过程=：可逆过程相同初态s1相同，请你简答（2） 若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆膨胀过程，到达同一终态，已知两过程热源相同，问传热量是否相同？相同初终态，s 相同，：不可逆过程=：可逆过程热源T相同请你简答（3） 若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点？可逆绝热:不可逆绝热: STp1p2122请你简答（4） 理

5、想气体绝热自由膨胀，熵变？典型的不可逆过程AB真空热二律解决的典型问题 2. 循环、过程的最大或最小可能性1. 循环或过程能否实现可逆时What is Entropy ？Entropy can be viewed as a measure of molecular disorder, or molecular randomness. As a system becomes more disordered, the positions of the molecules become less predictable and the entropy increases.EntropyGasLiqu

6、idSolid Molecules in the gas phase possess a considerable amount of kinetic energy. However, we know that no matter how large their kinetic energies are, they will not rotate a paddle wheel inserted into the container and produce work. This is because the gas molecules, and the energy they possess,

7、are disorganized. Probably the number of molecules trying to rotate the wheel in one direction at any instant is equal to the number of molecules that are trying to rotate it in the opposite direction, causing the wheel to remain motionless. Therefore, we cannot extract any useful work directly from

8、 disorganized energy. Being an organized form of energy, work is free of disorder or randomness and thus free of entropy. There is no entropy transfer associated with energy transfer as work. wshThe paddle-wheel work will be converted to the internal energy of the gas, as evidenced by a rise in gas

9、temperature, creating a higher level of molecular disorder in the container. wshGasTOnly a portion of this energy can be converted to work by partially reorganizing it through the use of a heat engine. Therefore, energy is degraded during this process, the ability to do work is reduced, molecular di

10、sorder is produced, entropy is increased. The quantity of energy is always preserved during an actual process (the first law), but the quality is bound to decrease (the second law). This decrease in quality is always accompanied by an increase in entropy.Quality and Quantity熵的物理意义 可逆过程传热的大小和方向 孤立系熵增

11、 (或任何系统的熵产) 表征过程不可逆的程度， 熵增越大，表明系统不可逆程度越甚。 自然界的过程总是朝着孤立系熵增的方向进行， 所以熵可以作为过程方向性的判据。热力学第二定律的局限性 热 高温 低温，功 热 ， 宇宙将失去运动的能量而趋于停息？ “热寂说” 热二律揭示 有限空间中客观现象的规律， 不能无限推广 ！4-8 Ex及其计算1956，I. 郎特 (I. Rant) Available Energy Energy Exergy 东南大学夏彦儒教授译为如何评价能量的品质? Availability Anergy 可用能、有效能 可用度 火无 火用 Unavailable energy无效能

12、 哪个参数才能正确评价能量的价值 热量500 K293 K100 kJ1000 K100 kJ293 K哪个参数才能正确评价能量的价值（续1） 焓h1 = h2p1p2w1w2w1 w2哪个参数才能正确评价能量的价值（续2） 内能u1 = u2p0p0w1w2 三种不同品质的能量1、可无限转换的能量如： 理论上可以完全转换为功的能量 高级能量2、不可转换的能量理论上不能转换为功的能量 如：环境（大气、海洋）3、可有限转换的能量 理论上只能部分转换为功的能量 低级能量 如：热能、焓、内能（Ex）（An）（Ex+An）机械能、电能、水能、风能4-8-1 Ex与An Ex的定义 当系统由一任意状态可

13、逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其它能量形式的那部分能量，称为Ex 100%相互转换 功 能量中Ex 以外的部分就是 An Ex即作功能力Ex 作功能力 环境一定，能量中最大可能转换为功的部分500 K100 kJ1000 K100 kJT0=293 KT0=293 K热一律、热二律 与 Ex 一切过程， Ex+An总量恒定热一律： 热二律：可逆过程中，Ex保持不变 不可逆过程中， 部分Ex退化为An Ex损失、作功能力损失、能量贬值任何一孤立系， Ex只能不变或减少，不能增加 孤立系Ex减原理 An不可能转换为Ex Degradation of energy4-8

14、-2 Ex的计算 1、恒温热源 T 下 Q ExQ: 可逆变到环境态时，Q中最大可能转换为功的部分 TST0ExQAnQ 卡诺循环的功 T1. 热量的Ex热量的Ex （续） 2、变温热源下的 QTST0ExQAnQ 微元卡诺循环的功 热量Ex的说明 1、Q中最大可能转换为功的部分，就是ExQTST0ExQAnQ2、 ExQ = Q-T0S = f (Q ,T,T0 )Ex损失 3、单热源热机不能作功 T=T0, ExQ=0 4、 ExQ是过程量T0, Q一定，T一定，Q ExQEx 损失、作功能力损失T ExQ2. 冷量的Ex T0 T 的冷量Q2 , 有没有Ex 卡诺循环的功 T0TT0Q1WmaxQ2 或 冷量Ex的说明 实际上，只要系统状态与环境状态有差别，就有可能对外作功，就有Ex TST0TExQ2Q2冷量Ex: T系统吸热Q2 ，达到与环境平衡时，外界得到的最大有用功。3. 闭口系统内能的