上海交大 高等工程热力学 童钧耕 第2章 基本定律和能量可用性下

1、1 2-6 能量的转换的特性能量的转换的特性 ?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 工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。工程应用中，热力学第二定律具有特殊意义。 一、能量转换的限度一、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 max0 t 1 wT qT = 0 max 1 T wq T = 或 循环过程中从热源吸取的热量循环过程中从热源吸取的热量q不能全部不能全部 转换为功，其最大值为转换为功，其最大值为。 max w 2 ?热力学能转换为有用功的限度热力学能转

2、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:能转化为功: 21 uuw= 初态一定时，其终态2初态一定时，其终态2 不能随意给出:不能随意给出: 12 ss max10012 ()wuup vv= 相反，任意数量有用功可以通过耗散全部转换为热力学能。相反，任意数量有用功可以通过耗散全部转换为热力学能。 绝热系统热力学转换为有用功最大值为绝热系统热力学转换为有用功最大值为 能量转换的非对称性能量转换的非对称性机械能和电能可以不受限制地转机械能和电能可以不受限制地转 换为热力学能；但即使是可逆过程热力学能和热量

3、不能全部转换为热力学能；但即使是可逆过程热力学能和热量不能全部转 换为功。换为功。 这里这里0不是环境态不是环境态 与热力学能与热力学能不矛盾不矛盾 3 二、二、能量转换的规律能量转换的规律 ?能量转换程度作为准则能量转换程度作为准则 1、无限转换能、无限转换能 2、有限转换能、有限转换能 3、非转换能、非转换能 ?一切形式的能量由一切形式的能量由和 组成，和 组成，是能量的属性。是能量的属性。 能量能量 可转换为任何其他形式能量的部分可转换为任何其他形式能量的部分 能量中无法转变为能量中无法转变为的部分的部分 在给定的环境介质下在给定的环境介质下 能量=能量=+ + ，其中每一组成部分可分别

4、为，其中每一组成部分可分别为零。零。 ?根据根据和 和 ，热力学第二定律热力学第二定律也可表述为：也可表述为： （1）一切不可逆过程中，必有（1）一切不可逆过程中，必有转化为 。转化为 。 （2）由 转化为（2）由 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（3）孤立系统的只减不增。只减不增。 4 ?一切过程都是不可逆的，一切过程都是不可逆的，转变 是无法改变的，转变 是无法改变的， 无限转换能（无限转换能（）的储存会不断地减少）的储存会不断地减少 ，所以人类，所以人类 活动不能建立在无节制向自然界的索取上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

5、参数对能量转换的影响 环境介质作为一个无限蓄热系统，认为它永远处环境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或放出热量而不改变其强度参数T0及及p0。 环境中积聚的能量是无法利用的，全球海水质量约为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，如海水温度降低3.36 106K ，其热力学，其热力学 能减小量相当于能减小量相当于20世纪世纪80年代中期全年代中期全 球一年用电量。球一年用电量。 系统与环境平衡的状态称为系统与环境平衡

6、的状态称为“死态死态”，在死态系统的热，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量中可转变为功的部分的计算都 以环境状态为基点。以环境状态为基点。 5 三、三、系统能量分析方法系统能量分析方法 ?目的目的：确定系统各部位的能量损失的性质、大小，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。 ?方法方法：第一定律分析法和第二定律分析法第一定律分析法和第二定律分析法 ?依据依据能量在数量上守恒；能量在数量上守恒； ?方法方法计算各部位能

7、量转换、传递、利用计算各部位能量转换、传递、利用 和损失的数量，确定该系统的能量利用或和损失的数量，确定该系统的能量利用或 转换效率；转换效率； ?特征特征能量数量上的平衡，考虑了能量数量能量数量上的平衡，考虑了能量数量 利用程度，反映能量数量的利用程度，反映能量数量的“外部损失外部损失”。 如蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排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；散热损失及冷凝器的热损失； ?标志标志装置的热效率。装置的热效率。 第一定律分析法 第一定律分析法 6 第二定律分析法 第二定律分析

8、法 ?依据依据综合第一定律、第二定律综合第一定律、第二定律 ； ?方法方法从能量的数量和质量来分析系统从能量的数量和质量来分析系统 各部位揭示出能量中各部位揭示出能量中的转换、传递、的转换、传递、 利用和损失情况；利用和损失情况； ?特征特征抓住不可逆过程中抓住不可逆过程中转变为 、 转变为 、 不可能转变为不可能转变为，揭示系统内部能量，揭示系统内部能量“质质” 的贬值和损耗；的贬值和损耗； ?标志标志系统系统效率效率 7 ?两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同 设 备设 备 能量损失占输入能量损失占输入 能量的比（能量的比（%） 损失占输入损

9、失占输入 量的比（量的比（%） 锅炉：锅炉： 燃烧过程燃烧过程 传热过程传热过程 烟道损失烟道损失 其他损失其他损失 汽轮机汽轮机 冷凝器冷凝器 加热器加热器 其他其他 合计合计 9 0 47 0 3 59 49 29.7 14.9 0.68 3.72 4 1.5 1.0 5.5 61 某蒸汽动力装置两种分析结果某蒸汽动力装置两种分析结果 8 系统与外界有系统与外界有不平衡不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可存在，即具备作功能力，作功能力也可 称为有效能，可用能等。称为有效能，可用能等。 2-7 一、一、热量热量和冷量和冷量 ?热量热量 0 x,0 1 Q T eqqTs T = ?热量

10、热量 sT T T qan= 0 0 ?冷量冷量 ?冷量冷量 x,021 () nQ aqeT ss= a012c qTsq= 9 二、二、闭口系统工质的闭口系统工质的热力学能热力学能 x,U00 00000 00000 ()()() ()()() eupvTs uup vvT ss uup vvT ss = + =+ =+ 闭口系统工质的闭口系统工质的 为：为： ,U,U00000 ()() nx aueup vvT ss=+ 闭口系统由状态1变化到状态2时的最大可用功闭口系统由状态1变化到状态2时的最大可用功 12 x,Ux,U10 10 120 20 2 ()()eeup vT sup

11、vT s=+ )()()( 21021021 ssTvvpuu+= 10 三、稳流开口系统工质的三、稳流开口系统工质的焓焓 x,H000000 0 ()()()()ehhT sshT shT s=+= 开口系统工质开口系统工质 ,H,H000 () nx ahehT ss=+ 当开口系统从初态1变化到终态2时，工质所能做的最当开口系统从初态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大有用功就是初态与终态焓之差之差 12 x,Hx,H10 120 2 ()()eehT shT s= 11 熵图 四、四、熵图和熵图和焓图焓图 12 焓图正丁烷 压力：105Pa 13 2-8 损失和

12、损失和平衡方程平衡方程 一、一、不可逆过程的不可逆过程的损失和损失和减原理减原理 孤立系统中一切过程孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程均不改变其总内部储能，即任意过程 中中能量守恒能量守恒。但各种不可逆过程均造成机械能损失，。但各种不可逆过程均造成机械能损失，任何不任何不 可逆过程均是可逆过程均是Siso 0，所以，所以熵产与熵产与损失存在必然联系损失存在必然联系。例。例 1 1 H q s T = a) 热能热能机械能机械能 2 L q s T = 2 net w 热源：失热源：失q1 冷源：得冷源：得q2 0s = 热机：输出热机：输出 14 1212 iso HLHL 0

13、0 qqqq s TTTT = += + rev “=” irrev “” 1 t,revt,irrevnet,revnet,irrev q ww 同样 不可逆使不可逆使孤立系熵增大孤立系熵增大造成后果是造成后果是机械能（机械能（）减少）减少 若可逆循环，循环净功及放热中的若可逆循环，循环净功及放热中的 02 x,rev12210102 LL ()1 Tq eqqqqTqTs TT =+=+= 若不可逆循环，循环净功及放热中的若不可逆循环，循环净功及放热中的 02 x,irrev12210102 LL ()1 Tq eqqqqTqTs TT =+=+= x,revx,irrev10210202

14、20 g ()()IeeqTsqTsTssT s= 15 b) 热量：高温热量：高温低温低温 A A q s T = iso 11 0 BA sq TT = rev “=” irrev “” 若不可逆，若不可逆，TATB，以，以A为热源为热源B为冷源，利用热机可使一为冷源，利用热机可使一 部分热能转变成机械能，所以部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大孤立系熵增大意味意味损失损失。损失。损失 值为从值为从A传出热量中含的传出热量中含的与从与从B传出热量中含传出热量中含之差。之差。 B B q s T = A：失：失q B：得：得q 00 11 AB TT Iqq TT = 00 g 11 BA

15、 qTT s TT = 16 c) 机械功（或电能）转化为热能机械功（或电能）转化为热能 输入输入Ws?Q（=Ws），气体由），气体由T1上升到上升到 T2，v1 = v2。 工质熵变工质熵变 2 2 1 rev1 ln0 V TQ Smc TT = 工质 热能不可能热能不可能100%转变成机械能，故转变成机械能，故Siso0还是意味还是意味损失损失。 iso 0SSSS 外界外界 S外 外=0= += 外工质工质 sx,s00 U IWEWUTSpV= + 工质 损失等于输入轴功与气体热力学能损失等于输入轴功与气体热力学能的增量差的增量差 由于容器体积不变，散热不计，输入轴功等与热力学能增量

16、，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气体熵增即为过程熵产 00 ITST S= g工质 17 d) 有压差的膨胀（如自由膨胀）有压差的膨胀（如自由膨胀） 2 g 1 ln0 v sR v = iso 0ss= 2 g0 1 ln v QR T v = iso 0s= 孤立系熵增孤立系熵增（即熵增即熵增）意味意味损失，损失， 0=W QW = 2 g 1 ln v sR v = 2 g 01 ln vQ sR Tv = 外界 0s= 外界 2 0g0g 1 ln v IWT ST R v = 0g IT S= 18 一切自发过程都不可逆一切自发过程都不可

17、逆转变为 无法改变转变为 无法改变 ，任何，任何 不可逆过程必引起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。 ?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系统的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（所有过程都可逆）使系统的减少，其极限（所有过程都可逆）使系统的保持不保持不 变。任何使孤立系统的变。任何使孤立系统的增加的过程是不可能发生的。增加的过程是不可能发生的。 ?系统或过程系统或过程平衡方程：平衡方程： 输入系统的输入系统的 输出系统的输出系统的损失损失 =系统=系统的变化的变化 19 二、封闭系统的

18、二、封闭系统的平衡方程平衡方程 21 x,x,losx,x,QuUU EWEEE= x,losx,ux,QU EEWE= 或或 损失损失系统输出的有用功系统输出的有用功 机械功机械功 热量热量 2 0 x, 1 r 1 Q T EQ T = 热力学能热力学能差差 21 x,x,x, 21021021 ()() UUU EEE UUp VVT SS = =+ x,u1 2021 () W EWWp VV = 20 ?损失和熵产损失和熵产 能量平衡：能量平衡： 热源熵变量：热源熵变量： 环境熵变量：环境熵变量： 封闭系统不可逆过程的封闭系统不可逆过程的 损失，等于该系统及损失，等于该系统及 其外界

19、组成的孤立系统其外界组成的孤立系统 熵增（或过程熵产）与熵增（或过程熵产）与 环境温度的乘积。环境温度的乘积。 0 0 0 Q S T = () x,los021r0 0iso0g ETSSSS TST S =+ = 021021u ()0QQUUp VVW+= 2 r 1 r Q S T = 2 0 x,losux, 1 r 2 21021021u0 1 r 1 ()() U T EQWE T Q QUUp VVT SSWT T = =+ 21 三三、稳定流动系统、稳定流动系统平衡方程平衡方程 系统能量平衡：系统能量平衡： 熵方程熵方程 2 22 0 21021f 2f1u0g 1 r 1

20、1()() 2 T QHHT SSm ccWT S T =+ 2 0021g 1 r () Q QTSSS T =+ 2 0 21g 1 r0 QQ SSS TT =+ 22 021f 2f1u () 2 m QQHHccW+=+ 22 2 22 0 21021f 2f1u0g 1 r 1 1()() 2 T QHHT SSm ccWT S T =+ 2 2 0 10010f1 1 r 2 20020f 2u0g 1()() 2 ()() 2 Tm QHHT SSc T m HHT SScWT S + =+ 12 22 x,x,f1x,f 2x,0g 22 QHHW mm EEcEcET S+

21、=+ 21 22 x,x,x,f 2f1x,0g ()() 2 QHHW m EEEccET S=+ 2 0 x,x2x1ux,los 1 r 1 Q T QEEEWE T =+ 2 xx,f 1 2 H EEc=+物流物流 移项移项 例例2-7.ppt 下一章下一章 23 0 a1 H 1 T qq T = a101 2 qqTs 因因T0基本恒定，故基本恒定，故quns12 = 01 un1a1001 2 HH Tq qqqqTTs TT = 热量的可用能热量的可用能热量热量 讨论讨论： 1）1）q qa a是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最

22、高分额，称为热量高分额，称为热量； 24 2）2）q qun un是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分， 是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分， 是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不 能消除减少，称为热量能消除减少，称为热量 ； 3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力， 但循环中排向低温热源的热量未必是但循环中排向低温热源的热量未必是废热废热，而，而 环境介质中的内热能全部是废热（ ）。环境介质中的内热能全部是废热（ ）。 4）4）q qa a与热源放热过程特征有关，因此与热源放热过程特征有关，

23、因此q qa a从严格意义上从严格意义上 讲不是状态参数讲不是状态参数。 冷量的作功能力冷量的作功能力 冷量冷量 低于环境温度传递的热量。低于环境温度传递的热量。 25 a 0 1 T qq T = 0 ac 1 T qq T = 2 0 ac 1 1 T qq T = () ca 0 1 T qq T =+ 2 c 0c 1 q Tq T = a01 2c qTsq = a01 2c qTsq =冷量可用能冷量可用能 a101 2 qqTs =热量可用能：热量可用能： 26 讨论讨论： 1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号；）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号； 2）物体吸热，

24、热量中可用能使物体作功能力增大；）物体吸热，热量中可用能使物体作功能力增大； 但物体吸冷，使物体的作功能力下降，即但物体吸冷，使物体的作功能力下降，即 “热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。” 3）热（冷）量可用能与）热（冷）量可用能与T 的关系。的关系。 27 x, 12341 1 12561 Q E Q = 面积 面积 c x, c 12341 , , 1 12651 Q E Q = = 面积 面积 28 定定质量物系的作功能力（热力学能质量物系的作功能力（热力学能） 工质的作功能力工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备的作工质因其状态不同于

25、环境而具备的作 功能力功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡 状态作出的最大理论有用功状态作出的最大理论有用功。 29 气体从初态气体从初态（p，T）?（p0，T0） 据据 u,10 d dd quwwqu wqupv =+= = 微卡诺机微卡诺机 () 0 net0 1 Tq wqTq TT = uu,1net www=+ 00 dd q qupvTq T =+ 00 ddduT spv= + ()() umax00000 wuuTsspvv=+ 30 讨论：讨论： 1）相对于）相对于p0，T0，wu， ，max是状态参数，称之为 是状态参数，称之为热力学能热力学能， 用用Ex,U（ex,U）表示。）表示。 2）从状态）从状态1?状态状态2，闭口系的最大有用功。，闭口系的最大有用功。 ()() 12 u,max,1 2x,x,12012012UU weeuuTsspvv =+ 3）p p0，T T0 时物系的作功能力时物系的作功能力 4）因是最大有用功，所以一）因是最大有用功，所以一 切过程必须可逆；最终向环境切过程必须可逆；最终向环境