第5章-热力循环---热力学第二定律及其应用3版

1、第五章 热力循环-热力学第二定律及其应用,广东工业大学,三大问题,热力学分析-以热力学第一、第二定律为基础，导出各种关系，从而对化工过程进行分析与评价，以求实现合理利用能源。,相平衡关系计算。对传质设备的设计和操作必不可少。,化学平衡计算。研究化学反应动力学以及设计反应器和操作分析计算的前提。,热力学第二定律,三种表达： 有关热流方向的表述，克劳修斯说法：热不可能自动地从低温物体传给高温物体。,有关循环过程的表述，开尔文说法：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。,有关熵的表述：孤立体系的熵只能增加，或者到达极限时保持恒定，其数学表达为St0。,克劳修斯的说法：指出热传导过

2、程的不可逆性。 开尔文说法：则指出了功转化为热这一过程的不可逆性。,热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。,水往低处流,气体由高压向低压膨胀,热由高温物体传向低温物体,我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。 第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必须守恒。 第二定律告诉我们过程发生的方向。,热源 是一个具有很大热容量的物质。可作取出热量的热源，也可作投入热量的热阱，且放热或取热时温度不变，因此热源里进行的过程视为可逆。,功源 是一种可作出功或接受功的装置，与外界只有功的交换而无热量和质量交换。功源里进行的

3、过程也可以设想为可逆过程。,热机 是一种产生功并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。,热效率 表示热转化为功的效率，即过程获得的功除以投入此过程的热量。,熵,内能是与体系内部微观粒子运动的能量发生联系的热力学性质；熵是与体系内部分子运动混乱程度发生联系的热力学性质。,熵值较小的状态对应于比较有序的状态，熵值较大的状态对应于比较无序的状态。,物理意义,孤立体系的熵只能增加永不减少，即熵增原理。,上述的推导证明：克劳修斯的说法是正确的。,热力学第二定律用于闭系,熵流,熵产,熵产生的原因是有序的能量耗散为热能，并被系统吸收，这样必然导致体系熵的增加。 熵产不是体系的性质，而仅与过程的的不可

4、逆程度相联系。过程的不可逆程度越大，熵产生的量越大，只有可逆过程无熵产生。,封闭体系的熵平衡式,体系的熵变可正、可负、可零。,孤立体系熵平衡式,熵产是孤立系统总熵变。熵产应包括封闭体系与外界环境热源两部分产生的熵。若外界环境热源中进行的是可逆过程，则外界环境熵产为零，这时的熵产全部是封闭系统内部产生。,敞开系统熵平衡式,绝热过程,热力学性质图表及其应用,热力学性质图都是根据实验所得的PVT数据、气化潜热和热容数据，经过一系列微分、积分等运算绘制而成。这些性质图表可用最简单的形式提供不同温度、压力下物质的热力学性质数据。,常用的热力学性质图表有T-S图（温熵图）、h-S图（焓熵图）、Ph图（压焓

5、图）等。,温度 压力 体积 熵 焓 干度 六种热力学性质。,干度：湿蒸汽中所含饱和蒸汽的质量百分数。 等压线：左高右低。 等比容：为斜线，因为蒸汽的比容比液体的大。,等焓线：可求湿蒸汽的焓。压力不高时，等焓线从左上方往右下方偏斜。压力很高时，分子间以排斥力为主，等焓线从左下方向右上方偏斜。,由干度计算湿蒸汽的焓或熵,汽液相对量： 蒸汽量/液体量2m线段/3m线段,物质状态一定，T-S图中P、T、h、s等均为定值。无论可逆与否，只要已知物系变化的途径和初终状态，其过程均可由T-S图来描述，同时状态函数的变化值可由T-S图求得。,等压加热和冷却过程,节流膨胀过程,等熵膨胀过程,焓熵图即莫理耳图（M

6、ollier图） 等温线和等压线在两相区内是倾斜的，因为饱和蒸汽的焓大于饱和液体的焓。 莫理耳图在计算等焓和等熵过程时最方便。,压焓图 制冷循环中很有用。 汽化潜热随着压力的升高而变小。 等温线在液相区或过热蒸汽区近乎垂直。,蒸汽动力循环,矿物燃料燃烧,化学反应热,蒸汽动力装置能源,驱动压缩机、泵、发电机,整个动力装置产出的净功是锅炉吸热和冷凝器放热的绝对值之差。,朗肯循环,卡诺循环缺点 2至3：透平出口点3饱和水过多，不能超过10。 4至1：水泵入口点4为汽水混合物，不能泵送。 朗肯循环 加热1至2：水在汽化后继续加热，至过热蒸汽。 冷凝3至4：完全冷凝，进入水泵的全是饱和水。,12：恒压加

7、热，水加热至沸，平衡汽化，至过热蒸汽。 23：可逆绝热膨胀至冷凝压力。乏汽含水不多。 34：乏汽冷凝变饱和液体。 41：可逆绝热压缩至锅炉压力。,不可逆：往熵增变化,朗肯循环的改进,整个吸热过程的平均温度与高温燃烧气温度相差很大，是朗肯循环最主要问题(见133页5-5式)。提高朗肯循环热效应的主要措施是设法减小传热的温差。关键是设法提高吸热过程的平均温度。 提高蒸汽的过热温度：一般不超过600，否则造价昂贵。 提高蒸汽压力：平均吸热温度提高，但压力影响有限，且乏汽干度下降，设备贵。 采用再热循环：,制 冷,制冷,将物系的温度降低至大气或天然水源的温度，是个自动的过程，不消耗外功；但是若将温度降

8、低至大气或天然水源温度之下，则必须消耗外功。因此，制冷的实质就是利用外功将热从低温物体传给高温环境介质。,工业上制冷方式：蒸汽压缩制冷、吸收制冷、喷射制冷。 制冷循环中：节流膨胀、作功膨胀。,理想制冷循环为逆卡诺循环，从低温吸热，在高温放热。,上述表明逆卡诺循环的制冷系数只是温度的函数，与工质的性质无关。,实际压缩制冷,12（或2）：压缩过程 23：冷却、冷凝过程 34：节流膨胀过程 41：蒸发过程。,蒸汽压缩循环在压焓图上的表示,压缩制冷,要获得较低的温度，单级压缩不仅不经济，甚至难实现，为此常采用多级压缩。 降低冷凝温度：提高制冷系数。 提高蒸发温度：提高制冷系数。 制冷工质的过冷也提高了制冷系数。,吸收式制冷循环,1、2、3、4四个设备组成“化学泵”。 首先，用稀氨水吸收低压氨气， 其次，把氨水溶液泵入压力高的解析器中加热。 再次，水中的氨气送