第四章 热力循环-热力学第二定律及其应用

孤立体系的总熵变 物理意义 St Ssys Ssur 0
孤立体系的熵只 能增加永不减少 ，即熵增原理。
H Q1 Q2 0, Ssys Ssur 0, Ssys 0
S sur
Q1 T1
Q2 T2
Q1
1 T2
1 T1
Q1
1 T2
1 T1
0
上述的推导证明： 克劳修斯的说法是 正确的。
j
i
可逆绝热Sg 0
mjS j out
mi Si in
j
i
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）、P－h图（压－焓图）等。
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。
T
Ws Q
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。
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
WN W12341
不可逆：往熵增变化
1→2：恒压加热，水加热至沸，平衡汽化，至过热蒸 汽。
2→3：可逆绝热膨胀至冷凝压力。乏汽含水不多。
3→4：乏汽冷凝变饱和液体。
4→1：可逆绝热压缩至锅炉压力。
朗肯循环的改进
第四章 热力循环---热力学 第二定律及其应用
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
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Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
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
WN TH TL
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
高温 环境 冷凝器
蒸发器 低温 冷室
1→2（或2’）：压缩过 程
2→3：冷却、冷凝过程
3→4：节流膨胀过程
4→1：蒸发过程。
蒸发器中吸热： qL
h
41
h1
h4
冷凝器排放热： qH
h
2'3
h3
h2'
压缩机中的功： ws
热力学第二定律用于闭系
dSsys dSsur 0
dSsur dS热源 dS功源
dS热源
Qsur
Tsur
Qsys
Tsur
，dS功源
0
dS sys
Qsys
Tsur流 熵产
把
QR
T
称为随QR热流产生的熵流
dS f
QR
T
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。
• 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 的过程也可以设想为可逆过程。
熵产不是体系的性质，而仅与过程的的不可逆 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
dS sys
Q
T
中引入熵产
dS
g
, 可得
dS sys
Q
T
dS g
Ssys
Q 0
Q
T
S g
体系的熵变可正、可负、可零。
孤立体系熵平衡式
Ssys Ssur Sg St Sg
hm hg x 1 xh1 sm sg x 1 xs1
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
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
dSopsys dt
S f
Sg
i
mi Si in
j
m j S j out
S f
K
QK TK
稳流过程，dSopsys 0 dt
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
卡诺循环过程作的净功 WN WS ,Tur WS ,Pump 根据热力学第一定律， H Q WN
理想制冷循环为逆卡诺循环，从低温吸热，在高 温放热。
QH
QH
QL
WN QL
WN QH QL WN QH QL
制冷系数
＝低消温耗下的吸功的热＝
QL WN
WN QH QL ,两边除以QL
WN QH 1, QL QL
QL TL QH TH
WN TH 1 TH TL
QL TL
TL
QL TL
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，水中的氨气送往冷凝 器。
热力系数 ＝QL
Q QL为制冷量，Q为解析器提供的热量。
热泵
热泵的工作原理与制冷完全相同。热泵可以使低 温热变为高温热。热泵相当一种能源采掘机械， 消耗一部分高质量的能量为代价，把自然环境介 质中的余热中贮存的能量加以挖掘，进行利用。
制冷
高温 环境
低温 环境
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。
WSR H S H1 H 2或wSR hS h1 h2
不可逆绝热过程 WS H1 H 2'或wS h1 h2'
等熵膨胀效率
S
WS WS R
H1 H2' H1 H2
或S
wS wS R
h1 h2' h1 h2
等熵压缩过程
S
wS R wS
h1 h2 h1 h2'
焓熵图即莫理耳图（Mollier 图）
克劳修斯的说法：指出热传导过程的不可 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。
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△St≥0。
孤立体系的总熵变 St Ssys Ssur 0
热泵的操作费用取决于驱动压缩机的机械能或电
能的费用，制热系数ω
1
QH
Ws
制冷系数为4的热泵，其制热系数为5， 可逆热泵制热系数
即供热量QH是压缩机消耗功的5倍。 TH
TH TL
谢谢观看
渴望梦想的光芒，不要轻易说失望
Write in the end, send a sentence to you, eager to dream of light, don't easily say disappointed
物系与外界交换的热量 QP为
QP H
S2 TdS 积分值用12341所围面积表示
S1
节流膨胀过程
节流过程与外界无热和 功交换
sg st ssys s2 s1 由于s2 s1 所以是不可逆过程。
温度很低时，进入汽液 共存区， 汽液比＝46
54
等熵膨胀过程
可逆绝热过程是等熵过 程
h 12'
h1
h2'
实际制冷系数：＝ qL h1 h4
ws h1 h2'
制冷工质循环速率 m m QL QL
qL h1 h4
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。
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。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：
m j S j out miSi in S f Sg
j
i
Sg m j S j out miSi in S f
j
i
绝热过程
Sg m j S j out miSi in
j
i
单股物流
Sg mS j mSi mS
不可逆绝热Sg 0
m j S j out miSi in
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。
循环过程H 0, 故
WN Q QH QL QH QL
热机效率c
WN QH
QH QL QH
1 QL QH
1 TL TH
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 。