工程热力学第五章
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工程热力学第五章
Scv
dS21 = dSf + dSg ∆S21 = ∆Sf +∆Sg
Q
W
out(2)
熵的问答题
• 任何过程，熵只增不减 ╳ 任何过程， • 若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到
达同一终点，则不可逆途径的∆S必大于可 达同一终点，则不可逆途径的∆S必大于可 逆过程的∆ 逆过程的∆S ╳
• 可逆循环∆S为零，不可逆循环∆S大于零 ╳ 可逆循环∆ 为零 不可逆循环∆ 大于零 为零， • 不可逆过程∆S永远大于可逆过程∆S ╳ 不可逆过程∆ 永远大于可逆过程∆ 永远大于可逆过程
∴
ÑT ∫
δQ Q
=
' 1
T 1
−
Q
' 2
T2
<0
克劳修斯不等式的推导1 Q
2、反循环（卡诺循环） 、反循环（卡诺循环） （1）可逆循环 ）
Q2 = T T2 1
T1 Q1 R W Q2 T2
Ñ Q = − Q + Q < 0 放热 ∫δ
1 2
Q2 T2 1 1 εC = = = = T Q −Q2 T −T2 Q 1 1 1 1 −1 −1 T2 Q2
熵的总结
系统熵增加的过程： 系统熵增加的过程： 1）不可逆吸热 2）可逆吸热 3）不可逆绝热 4）不可逆放热 系统熵减少的过程： 系统熵减少的过程： 1）可逆放热 2）不可逆放热 系统熵不变的过程： 系统熵不变的过程： 1）可逆绝热 2）不可逆放热
• 熵是广延量
闭口系 ∆S21 = ∆Sf +∆Sg
§5-3 状态参数熵及熵方程
n n
开口系 dScv = dSf + dSg + ∑δ mi,in si,in − ∑δ mi,out si,out
工程热力学(6)第五章
5
5-2
水蒸气的状态参数
一般情况下，水蒸气的性质与理想气体差 别很大 , 为了便于工程计算，将不同温度和不 压力下的未饱和水、饱和水、干饱和蒸汽和过 热蒸汽的状态参数列成表或绘成线算图。
国际规定，蒸汽表取三相点（即固、液、汽 三相共存状态）液相水的热力学能和熵为零。
即：
p = 611.7 Pa，v = 0.00100021 m3/kg, T = 273.16 K, u = 0 kJ/kg， s = 0 kJ/(kg· K) h u pv 0.00061 kJ/kg 0 kJ/kg
湿空气：含有水蒸气的空气。
干空气：完全不含水蒸气的空气。
在干燥、空气调节以及精密仪表和电绝缘的防 潮等对空气中的水蒸气特殊敏感的领域，则必须考 虑空气中水蒸气的影响。 湿空气中水蒸气的分压力很低，可视水蒸气为 理想气体。一般情况下，湿空气可以看作理想混合 气体。根据道尔顿定律，湿空气的总压力等于水蒸 气的分压力与干空气的分压力之和：
1
液体 汽化
蒸发 ：任何温度下在液体表面进行的
汽化现象，温度愈高愈强烈。
沸腾 ： 沸腾是在给定压力所对应的温
度下发生并伴随着大量汽泡产生 的汽化现象。
p
饱和状态：液面上蒸气空间中 的蒸气和液体两相达 饱和蒸气 到动态平衡的状态 。
饱和液体
ts
饱和压力ps、饱和温度ts： ps f (ts ) 水蒸气：ps＝0.101325 MPa，ts=100 º C
hv 2501 1.863t
kJ/kg（干空气）
27
h 1.005t d (2501 1.863t )
6. 湿空气的焓－湿图
湿空气的焓-湿图是湿空气工程计算的重要工具。 （1） 定焓线簇 （2） 定含湿量线簇
【工程热力学精品讲义】第5章
T1
T2 2
2. 多热源可逆循环
t
1
q2 q1
1
A1B 2 mn1 A1A2mn1
1 Aqrmnq 1 TmL 1 T2
Aopmno
TmH
T1
T
T2
．2
． Tm
T1 1
o s1
s2 s
T
T2
．2
．o.. A
.. p TmH
q
B r Tm
T1 1
L
o s1
s2 s
18
循环热效率归纳：
t
wnet q1
讨论：1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；
2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的
方向判据。
27
3)
s2 s1
2 δq T 1
r irr
并不意味着
s12,rev
s12,irrev ，因
a)
2 1
δq Tr
irr
s12
b) 若热源相同，则说明 δqr δqirrev 或热源相同，热量
“有序”、“整齐”。
克劳修斯熵
dS
δQ T
rev
?
波尔茨曼熵 S k lnW
吸收热量，系统微观粒子的运动更为剧烈，微观粒子处于更
“无序”、“混乱”的状态，即熵值增大；反之放热系统微观粒子
的运动受“冻结”，使微观粒子“有序”、“整齐3”2 ，熵值减小。
33
5–4 熵方程与孤立系统熵增原理
一、熵方程 1. 熵流和熵产
q1 A34op3 THs34
t
wnet q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
1 TLs12 1 TL
工程热力学 第五章
S g 2
1 1 Q0 ( ) T0 T0
1 1 Exl Q0T0 ( ) T0 S g 2 T0 T0
温差传热引起的火用损失与熵产成正比。
温差传热火用损失
T
1
2
T
1
2
TA
TA
1’
2’
ExQ
T0
TB
ExQ
T0
7
AnQ
5 6
S
AnQ
5 6 8 S
Exl T0 Sg1
Exl ExQA ExQB
5.3.1 温差传热火用损失
1 1 QT0 ( ) TB TA
温差传热是不可逆过程
1 1 S g1 Q( ) TB TA
1 1 Exl QT0 ( ) T0 S g1 TB TA
温差传热火用损失
同理，放热温差传热也是不可逆过程。
δExQ
Wout ExQ
T0 (1 )δQ T
ExQ
T0
δQ Q T0 Q T0 S T
AnQ Q ExQ T0 S
热量火用 ExQ
恒温热源
T
ExQ
T T0 Q(1 ) Q T0 S T
AnQ
T0 T0 S Q T
E xQ
dsg 0
没有功损失，火用总量守恒。 不可逆过程： 损失。
功损失，火用总量减少，能量品质贬值，火用
火用和火无的基本概念
孤立系统熵 增原理
孤立系统火用 减火无增
过程进行方 向的判据
火用的分类
做功的能力
不平衡势
化学势差 温度和压力差 速度差 位置差 浓度差
火用
工程热力学第五章(热力学第二定律)09(理工)(沈维道第四版)
T2 w 300 有 t tC 1 1 70% 由 t q1 T1 1000
w t q1 0.7 100 70kJ
四、卡诺定理举例（2）
（2） 当吸热和放热均有温差时，工质实际在吸热温 度为800K和放热温度为400K的两个热源间工作， 则热效率为
T2 400 t tC 1 1 50% 70% T1 800
循环净功为
w t q1 0.5 100 50kJ
可见，由于传热温差的存在，循环热效率降低了。
§5-4 熵与克劳修斯不等式
热二律推论之一
卡诺定理给出热机的最高理想
热二律推论之二
克劳修斯不等式反映方向性
第五章 热力学第二定律
§5-1 热力学第二定律的实质
热力学第一定律
能量守恒与转换定律
能量之间数量的关系
所有满足能量守恒与转换定律 的过程是否都能自发进行？
一、自发过程的方向性
自发过程：不需要任何外界作用而自动进 行的过程。 摩擦生热： 机械能变热能 自动地热能变机械能？
水自动地由高处向低处流动 自动地低处流向高处？ 两液体混合过程自动进行 自动地将两种液体分离？ 热量自发地由高温物体传向低温物体
◆ §5-3 卡诺定理
热二律的推论之一 卡诺定理有两个分定理， 下面予以介绍
◆ 一、 卡诺定理
定理1：在相同的高温恒温热源和相同的低温 恒温热源间工作的所有可逆热机，热效率相 同，且与工质的性质无关。
定理2：在相同的高温恒温热源和相同的低温恒 温热源间工作的所有热机，以可逆热机的热效 率最高。不可逆热机热效率总小于这两个热源 间工作的可逆热机的热效率。 可见，在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机的热效率相同， tR = tC 在给定的温度界限间工作的一切热机，tC最高 热机极限 减小不可逆性，可提高热效率。
工程热力学__第五章气体动力循环
k 1 k
p2 p1
k 1 k
T2 T1
T1 1 1 1 1 1 k 1 T2 T2 p2 k T1 p1
T
2 1
3
4
t,C
T1 1 T3
热效率表达式似乎与卡诺循环一样
s
勃雷登循环热效率的计算
热效率：
t 1
p
2 3 2 4 T 3
4
1 1
v s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
放热量(取绝对值）
T 2
1
3
4
q2 cv T4 T1 热效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
s
定压加热循环的计算
k 1 热效率 t 1 k 1 k ( 1) t
T1
s
燃气轮机的实际循环
压气机： 不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 T
定义：
3 2 1
2’
4’
压气机绝热效率
h2 h1 c h2' h1
4
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
s
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' w净 h3 h4' h2' h1
oi h3 h4
h2 h1
T
2 1
2’
3
4’
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
4
吸热量
q h3 h2' h3 h1
' 1
工程热力学(第5章--水蒸汽的热力性质)
v′增大（因水的膨胀性大于压缩性）； v″减小（因汽的压缩性大于膨胀性）；
18
5-2 水蒸气的定压产生过程
所以：随着p升高，b点向右移动，d点向左移动，即 预热过程增长，汽化过程缩短，过热过程增加。
19
5-2 水蒸气的定压产生过程
当压力升高至pc=22.064MPa时，汽化过程缩成一点，即临 界点C，同时产生两线（CM、CN）和三区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。
D = t - ts
h
15
➢水蒸气定压产生过程中热量的计算
1.水的定压预热阶段：
液体热 ql h ' h0 kJ/kg
T
2.饱和水的定压汽化过程：
汽化潜热 r h" h ' kJ/kg
Ts
b
e d
r Ts s" s ' kJ/kg
3.干蒸汽的定压过热过程：
过热热 qs h h" kJ/kg
2
本章主要内容 水蒸气的饱和状态 水蒸气的定压产生过程 水蒸气的热力性质图表 水蒸气的基本热力过程
3
5-1 水蒸气的饱和状态
一、汽化：液态→汽态 （如锅炉水冷壁中水的汽化过程）
汽化方式有两种：1）蒸发，2）沸腾。
1、蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。
特点：它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于 液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。
饱和状态的特点： p s
①汽水共存；
ts
②汽水同温；
③饱和压力与饱和温度
成一一对应关系.
ts f ps
8
饱和温度与饱和压力的关系
ts f ps
ps上升， ts上升 ts上升， ps上升
饱和压力 0.005MPa
18
5-2 水蒸气的定压产生过程
所以：随着p升高，b点向右移动，d点向左移动，即 预热过程增长，汽化过程缩短，过热过程增加。
19
5-2 水蒸气的定压产生过程
当压力升高至pc=22.064MPa时，汽化过程缩成一点，即临 界点C，同时产生两线（CM、CN）和三区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。
D = t - ts
h
15
➢水蒸气定压产生过程中热量的计算
1.水的定压预热阶段：
液体热 ql h ' h0 kJ/kg
T
2.饱和水的定压汽化过程：
汽化潜热 r h" h ' kJ/kg
Ts
b
e d
r Ts s" s ' kJ/kg
3.干蒸汽的定压过热过程：
过热热 qs h h" kJ/kg
2
本章主要内容 水蒸气的饱和状态 水蒸气的定压产生过程 水蒸气的热力性质图表 水蒸气的基本热力过程
3
5-1 水蒸气的饱和状态
一、汽化：液态→汽态 （如锅炉水冷壁中水的汽化过程）
汽化方式有两种：1）蒸发，2）沸腾。
1、蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。
特点：它能在任何温度下进行；液体的蒸发速度取决于 液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。
饱和状态的特点： p s
①汽水共存；
ts
②汽水同温；
③饱和压力与饱和温度
成一一对应关系.
ts f ps
8
饱和温度与饱和压力的关系
ts f ps
ps上升， ts上升 ts上升， ps上升
饱和压力 0.005MPa
工程热力学-第五章 热力学第二定律
时作出的最大有用功称为冷量㶲，用Ex,Q0表示。
Q0即为冷量
5
孤立系统中㶲只会减少，不会增加，极限情况下 (可逆过程)保持不变—能量贬值原理。
dEx,iso ≤ 0 或 I≥0
孤立系统的熵增等于熵产，因此㶲损失为：
I = T0D Siso = T0Sg
6
ห้องสมุดไป่ตู้
火无 (anergy)：系统中不能转变为有用功的那 部分能量称为Wu；用An表示。
则： E Ex An
3
热量㶲
在温度为T0的环境条件下，系统（T>T0 ）所
提供的热量中可转换为有用功的最大值称为热量
㶲，用Ex,Q表示。
4
冷量㶲 把与温度低于环境温度的物体（T<T0 ）交换的热 量叫冷量；温度低于环境温度的系统，吸入热量Q0
第五章 总结
1、卡诺循环
c
1
T2 T1
2、热力学第二定律的数学表达式
2 δq
s2 s1 1 Tr
3、闭口系熵方程
δq ds
Tr
δq
Ñ Tr 0
dS Sg S f ,Q 或S12 Sg S f ,Q
1
4、开口系熵方程
dS (si mi s j mj ) Sf ,Q Sg
Sf,m Sf ,Q Sg
5、孤立系统熵增原理
dSiso dSg 0 或 Siso Sg 0
6、作功能力的损失与孤立系统熵增之间的关系
I T0Siso
2
㶲（exergy)： 1、在环境条件下，能量中可转化为有用功的最
高份额称为㶲；用Ex表示。
2、热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆 地变化到与环境平衡时，作出的最大有用功
Q0即为冷量
5
孤立系统中㶲只会减少，不会增加，极限情况下 (可逆过程)保持不变—能量贬值原理。
dEx,iso ≤ 0 或 I≥0
孤立系统的熵增等于熵产，因此㶲损失为：
I = T0D Siso = T0Sg
6
ห้องสมุดไป่ตู้
火无 (anergy)：系统中不能转变为有用功的那 部分能量称为Wu；用An表示。
则： E Ex An
3
热量㶲
在温度为T0的环境条件下，系统（T>T0 ）所
提供的热量中可转换为有用功的最大值称为热量
㶲，用Ex,Q表示。
4
冷量㶲 把与温度低于环境温度的物体（T<T0 ）交换的热 量叫冷量；温度低于环境温度的系统，吸入热量Q0
第五章 总结
1、卡诺循环
c
1
T2 T1
2、热力学第二定律的数学表达式
2 δq
s2 s1 1 Tr
3、闭口系熵方程
δq ds
Tr
δq
Ñ Tr 0
dS Sg S f ,Q 或S12 Sg S f ,Q
1
4、开口系熵方程
dS (si mi s j mj ) Sf ,Q Sg
Sf,m Sf ,Q Sg
5、孤立系统熵增原理
dSiso dSg 0 或 Siso Sg 0
6、作功能力的损失与孤立系统熵增之间的关系
I T0Siso
2
㶲（exergy)： 1、在环境条件下，能量中可转化为有用功的最
高份额称为㶲；用Ex表示。
2、热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆 地变化到与环境平衡时，作出的最大有用功
工程热力学-第五章热力学第二定律之卡诺循环
即 wnet q1 循环净功小于吸热量，必有放热q2。
3） 若TL TH ,c 0 第二类永动机不可能制成。
4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。
5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。
第五章 热力学第二定律 之
卡诺循环
CONTENTS
01. 卡诺循环 02. 概括性卡诺循环 03. 多热源可逆循环 04. 卡诺定理
01. 卡诺循环
01
卡诺循环及其热效率
1 绝热压缩 2 2 等温吸热3 3 绝热膨胀 4 4 等温放热1
是两个热源的可逆循环
THANK YOU
2. 多热源可逆循环
q
2 1
Tds
Tm
s2
s1
2
Tds
Tm
1
s2
s1
注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义
2)
Tm
T1
T2 2
循环热效率归纳：twnet q1
1 q2 q1
1 Tm放 Tm吸
1 TL TH
适用于一切工质，任意循环 适用于多热源可逆循环，任意工质 适用于卡诺循环，概括性卡诺循环,任意工质
04. 卡诺定理
04 表述一
在相同温度的高温热源和相同的低 温热源之间工作的一切可逆循环， 其热效率都相等，与可逆循环的种 类无关，与采用哪种工质也无关。
表述二
在同为温度T1的热源和同为温度 T2的冷源间工作的一切不可逆循
环，其热效率必小于可逆循环热 效率。
工程热力学五水蒸气和湿空气
工程热力学五水蒸气和湿空气
二.水蒸汽的定压发生过程
工程热力学五水蒸气和湿空气
工程热力学五水蒸气和湿空气
对未饱和水在某一确定的压力下加热， 直至产生过热蒸汽的过程。包括以下三 个过程。
１未饱和水的预热过程 需要吸热，p不变，v增加，t增大 (t<ts)；u，h，s增大；直至为饱和水 为止，参数为ts，v’，u’，h’，s’。
§1 水蒸汽的定压发生过程 一.水蒸汽的ｐ－ｖ图和Ｔ－ｓ图
二.水蒸汽的定压发生过程
工程热力学五水蒸气和湿空气
一.水蒸汽的ｐ－ｖ图和Ｔ－ｓ图
工程热力学五水蒸气和湿空气
１一点、两线、三区、五态
一点：临界状态（Critical State）
处于临界状态时饱和液体和干饱和蒸汽 不分而处于同一状态，并有确定的状态参 数值。
例题１ 确定ｔ=263℃时水的饱和压力 ps。
〔解〕显然属于饱和状态，可利用按温 度排列的饱和表 ｔ＝260℃时ps＝4.6940ＭＰａ ｔ＝270℃时ps＝5.5051ＭＰａ ∴ｔ＝263℃时 ps=4.694+(263-260)/(270-260)*(5.501-4.6940) ＝4.9374 ＭＰａ
工程热力学五水蒸气和湿空气
⑵按压力排列的饱和水与饱和蒸汽表(P376)
工程热力学五水蒸气和湿空气
⑶未饱和水与过热蒸汽表(P382)
工程热力学五水蒸气和湿空气
注意：
(A)零点的规定 t0=0.01℃，p0=0.6112kPa， v0=0.00100022m3/kg时，u0‘=０，s0’=０， h0‘=u0’+p0‘v0’=0.000611≈0 表中给出的ｈ，ｓ值是相对值，即 ｈ＝△ｈ＝ｈ－ｈ0，ｓ＝△ｓ＝ｓ－ｓ0
ux hx pxvx
二.水蒸汽的定压发生过程
工程热力学五水蒸气和湿空气
工程热力学五水蒸气和湿空气
对未饱和水在某一确定的压力下加热， 直至产生过热蒸汽的过程。包括以下三 个过程。
１未饱和水的预热过程 需要吸热，p不变，v增加，t增大 (t<ts)；u，h，s增大；直至为饱和水 为止，参数为ts，v’，u’，h’，s’。
§1 水蒸汽的定压发生过程 一.水蒸汽的ｐ－ｖ图和Ｔ－ｓ图
二.水蒸汽的定压发生过程
工程热力学五水蒸气和湿空气
一.水蒸汽的ｐ－ｖ图和Ｔ－ｓ图
工程热力学五水蒸气和湿空气
１一点、两线、三区、五态
一点：临界状态（Critical State）
处于临界状态时饱和液体和干饱和蒸汽 不分而处于同一状态，并有确定的状态参 数值。
例题１ 确定ｔ=263℃时水的饱和压力 ps。
〔解〕显然属于饱和状态，可利用按温 度排列的饱和表 ｔ＝260℃时ps＝4.6940ＭＰａ ｔ＝270℃时ps＝5.5051ＭＰａ ∴ｔ＝263℃时 ps=4.694+(263-260)/(270-260)*(5.501-4.6940) ＝4.9374 ＭＰａ
工程热力学五水蒸气和湿空气
⑵按压力排列的饱和水与饱和蒸汽表(P376)
工程热力学五水蒸气和湿空气
⑶未饱和水与过热蒸汽表(P382)
工程热力学五水蒸气和湿空气
注意：
(A)零点的规定 t0=0.01℃，p0=0.6112kPa， v0=0.00100022m3/kg时，u0‘=０，s0’=０， h0‘=u0’+p0‘v0’=0.000611≈0 表中给出的ｈ，ｓ值是相对值，即 ｈ＝△ｈ＝ｈ－ｈ0，ｓ＝△ｓ＝ｓ－ｓ0
ux hx pxvx
工程热力学第5章
Q
T2
T1 T2
第五章 热力学第二定律
mgz
z
高 压 气 体
机械能——物体的 重力势能转变成动 能又通过摩擦变成 热能，机械能消耗 完，过程终止
高压气体总是自发 地向低压空间流动 压差消失过程终止
第五章 热力学第二定律
向清水中滴一滴墨水， 黑色自动地向周围扩散， 浓度差消失，过程终止
以上全是自发过程
第五章 热力学第二定律
qr Tr Tr 112.2 K cv T5 T2 Tr 522.3 112.2 634.5K T6 T4 Tr 746.7 112.2 634.5K
q53 cv (T3 T5 ) 553.5 T1 998.3K T3 s53 0.554 cv ln T5 q61 cv (T6 T1 ) 222.3 T2 401.3K T1 s61 0.554 cv ln T6
第五章
热力学第二定律
武汉大学动力与机械学院 杨 俊 2009.08
第五章 热力学第二定律
§5-1 过程的方向性与能量的品质特性
一、自发过程与非自发过程
有限势差作用下无需其它帮助 就能自动进行的过程称为自发过程
T1
热量自发地从高温物体 传递到低温物体，高温 物体传出热能温度降低 低温物体得到热能温度 升高直到两物体温度相 同传热过程终止
(4) 0.5平均温度
466.5 1 49.72% 927.8
第五章 热力学第二定律
回热度 热效率 吸热均温 放热均温 σ K K （%） 解释
1
59.8
998.3
401.3
吸热均温高 放热均温低 效率高 吸热均温低 放热均温高 效率低
工程热力学第五章热力学第二定律
W0 ＝Q1 - Q2 = Q1’- Q2’
T1
若 tA > tB 则
W0 W0 Q1 Q1 '
Q1’- Q1 = Q2’ - Q2 >0
Q1' Q1 Q1 A W0
Q1’ B
热量Q2’ - Q2 自动地从冷源流向热源
Q2
Q2’
∴假设 tA > tB 不成立
T2
若 tA ＝ tB
则 Q1’- Q1 = Q2’ - Q2 ＝0
第五章 热力学第二定律
本章主要内容
1、热力学第二定律的实质与表述 2、卡诺循环与卡诺定理 3、状态参数熵及熵方程 4、孤立系统熵增原理与作功能力
损失
§5-1热力学第二定律的实质及表述
热力学第一定律（能量守恒与转换定律）： 能量之间数量的关系
所有满足热力学第一定律的过程是否都能自发 进行？ 热力学第二定律：
§5-2 卡诺循环与卡诺定理
热不能全部转换为功！ 热机能达到的最高效率是多少？ 1824年法国工程师卡诺 (S. Carnot)，提出 卡诺循环（效率最高的循环）。
热力学第二定律的奠基人
一、卡诺循环
a-b 可逆定温吸热过程， q1 = T1(sb-sa) 二热源、
b-c 可逆绝热膨胀过程，对外作功
热力学第二定律的实质：论述热力过程的方向性及 能质退化或贬值的客观规律。
是热力过程能否进行，及进行到何种程度的判据。
三、热力学第二定律的表述 传热
热功转换
1850年 克劳修斯表述
热量传递的角度
1851年 开尔文－普朗克表述
热功转换的角度
克劳修斯表述
不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起
其它变化。
工程热力学课件第5章火用分析基础
热力学第一定律的应用
在工程热力学中，热力学第一定律用于分析热力系统中的能量转换和平衡，是火用分析的基础。
火用与热量转换
火用的定义
火用是指一种能量的度量单位，表示能量中可用于有用功的部分。
热量转换与火用的关系
热量转换过程中，火用的变化量等于系统能量的变化量。因此，通过分析热量转换过程中火用的变化 ，可以了解能量的利用效率和损失情况。
通过火用分析，我们可以评估循环的热效率和火用效率，从 而找出提高循环效率的途径。例如，通过改进循环结构、优 化操作参数等方式，可以提高循环的火用效率，从而实现能 源的高效利用和减少能源浪费。
04
火用分析与热力学系统
热力学系统的分类
开口系统
与外界有物质交换的热力学系 统，包括质量流和能量流。
闭口系统
工程热力学课件第5章火用 分析基础
contents
目录
• 火用分析概述 • 火用与热力学第一定律 • 火用与热力学第二定律 • 火用分析与热力学系统 • 火用分析与热力学过程
01
火用分析概述
火用的定义
火用
表示能量品质的一种度量，是能量的 可用部分，是能量中能够转化为有用 功的部分。
火用值
衡量能量品质高低的物理量，其值越 高，能量的品质越高，反之则越低。
提高火用效率的方法
通过改进设备、优化工艺参数、采用先进的热力学循环等方式可以提高火用效率，降低 能量损失，提高能源利用效率。
火用效率与环境温度的关系
环境温度对火用效率有一定影响，不同环境温度下理想过程火用不同，因此需要根据实 际情况进行火用效率的计算和评估。
感谢您的观看
THANKS
节能减排
通过火用分析，可以发现能源利 用中的浪费和排放问题，提出相 应的节能减排措施。
在工程热力学中，热力学第一定律用于分析热力系统中的能量转换和平衡，是火用分析的基础。
火用与热量转换
火用的定义
火用是指一种能量的度量单位，表示能量中可用于有用功的部分。
热量转换与火用的关系
热量转换过程中，火用的变化量等于系统能量的变化量。因此，通过分析热量转换过程中火用的变化 ，可以了解能量的利用效率和损失情况。
通过火用分析，我们可以评估循环的热效率和火用效率，从 而找出提高循环效率的途径。例如，通过改进循环结构、优 化操作参数等方式，可以提高循环的火用效率，从而实现能 源的高效利用和减少能源浪费。
04
火用分析与热力学系统
热力学系统的分类
开口系统
与外界有物质交换的热力学系 统，包括质量流和能量流。
闭口系统
工程热力学课件第5章火用 分析基础
contents
目录
• 火用分析概述 • 火用与热力学第一定律 • 火用与热力学第二定律 • 火用分析与热力学系统 • 火用分析与热力学过程
01
火用分析概述
火用的定义
火用
表示能量品质的一种度量，是能量的 可用部分，是能量中能够转化为有用 功的部分。
火用值
衡量能量品质高低的物理量，其值越 高，能量的品质越高，反之则越低。
提高火用效率的方法
通过改进设备、优化工艺参数、采用先进的热力学循环等方式可以提高火用效率，降低 能量损失，提高能源利用效率。
火用效率与环境温度的关系
环境温度对火用效率有一定影响，不同环境温度下理想过程火用不同，因此需要根据实 际情况进行火用效率的计算和评估。
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节能减排
通过火用分析，可以发现能源利 用中的浪费和排放问题，提出相 应的节能减排措施。
工程热力学第5章PPT课件
-
25
循环热效率计算式：
t
wnet q1
1q2 q1
适用于一切循环、任意工质
t
1
Tm , L Tm , H
适用于多热源可逆循环、任意工质
t
1 TL TH
适用于卡诺循环、概括性卡诺 循环、任意工质
-
26
5–4 熵和热力学第二定律的数学表达式
一、熵的导出 比熵的定义式： ds δqrev
T
比熵是由热力学第二定律导出的状态参数。
Q1C > Q1R多 Q2C < Q2R多 T
t
1
Q2 Q1
∴ C > tR多
1 a
平均温度法：
4
b2 cT1 T2
d3
Q1R多 = T1(sc-sa) Q2R多 = T2(sc-sa)
tR多
1
T2
_
6
- T1
5s
21
§5-3 卡诺定理
定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的
所有热机，以可逆热机的热效率为最高。
源的温度。
-
29
对于质量为 m 的工质，
dSδQrev δQrev
T
Tr
δQrev 0 Tr
注意：
1. 熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向与大小。
2. 熵的定义式中的热量是可逆过程中交换的热量；温 度是热源温度或工质温度，要用绝对温度。
3. δQrev 0 Tr
热量是工质与热源交换的热量，温度 是热源温度。
定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源 之间工作的一切可逆循环，其热效率都相 等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种 工质也无关。
定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源 间工作的一切不可逆循环，其热效率必小 于可逆循环热效率。
工程热力学与传热学(中文)第5章水蒸气与湿空气
是否有400 ºC的水？ 0ºC或-10 ºC的水蒸气
1点
临界点 (critical point )
2线
下临界线 (saturation liquid line )： 不同压力下饱和水状态
上临界线( saturation vapor line )： 不同压力下干饱和蒸汽状态
3区
液相区 (liquid region )
工程热力学与传热学
工程热力学 第五章 水蒸气与湿空气
水蒸气
内容要求
掌握水蒸气的定压产生过程 分析确定水蒸气的状态 了解水蒸气的热力过程 掌握蒸汽热力性质图表的结构和应用
蒸气：泛指刚刚脱离液态或比较接近液态的气态物质。 是一种实际气体。
常用蒸气：水蒸气，氨蒸气，氟里昂蒸气。 水蒸气特点：
人类在热力发动机中最早广泛使用的工质。 来源丰富，价格便宜，耗资少。 比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能。 无毒无味，不污染环境。
即：
p ptp 611.7Pa, T Ttp 273.16K , v 0.00100021m3 / kg, u 0kJ / kg, s 0kJ /(kg K )
焓： h u pv 0 611.7Pa 0.00100021m3 / kg
0.00061kJ / kg 0
5-2-2 水与水蒸气表（steam tables for water）
按线性插值求得：
t 323.6C, h 3112.4kJ / kg, s 7.5422kJ /(kg.K )
结论 判断工质所处状态
已知（p, t）查饱和蒸汽表，确定蒸汽状态。
t ts ( p) 未饱和液体状态 t ts ( p) 饱和状态，还需再给定干度x t ts ( p) 过热蒸汽状态
工程热力学 第5章
d-c工质从冷源可逆定温吸热，q2 = T2(sc-sd)
26
逆卡诺循环卡诺制冷循环
T0 q1 制冷系数：
q2 q2 T2 1 c w0 q1 q2 T1 T2 T1 1 T2
Rc w 0 q2
T2
27
T0
c
T2
c
逆卡诺循环卡诺热泵循环
T1 q1 热泵系数：
第五章 热力学第二定律
The second law of thermodynamics
5-1 热力学第二定律
5-2 卡诺循环和多热源卡诺循环分析
5-3 卡诺定理 5–4 熵和热力学第二定律的数学表达式 5–5 熵方程 5–6 孤立系统熵增原理 5-7 （火用）参数的基本概念 热量（火用）
5-8 工质（火用）及系统（火用）平衡方程
c
33
四、多热源可逆循环
q Tds Tm s2 s1
1
1. 平均吸（放）热温度
2
Tm
2
1
Tds
s2 s1
注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义
T1 T2 2) Tm 2 2. 多热源可逆循环 q2 面积1B2mn1 t 1 1 q1 面积1A2mn1
重物下落，水温升高; 水温下降，重物升高？ 只要重物位能增加小于等于水降内能 减少，不违反第一定律。
电流通过电阻，产生热量 对电阻加热，电阻内产生反向 电流？ 只要电能不大于加入热能，不 违反第一定律。
6
二、热力过程的方向性举例
功量
摩擦生热 100% 发电厂
热量
功量
40%
热量 放热
自发过程具有方向性、条件、限度
工程热力学-第五章热力学第二定律之做功能力
4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上讲不是状 态参数。
02. 冷量的作功能力
冷量的作功能力 02
冷量——低于环境温度传递的热量。
δqa
1
T T0
δq
1
T T0
δqc
δqa
整理
δqa
T0 T
1 δqc
qa
2 1
T0 T
1δqc
T0
2 δqc 1T
qc
ExQc qa T0s12 qc
ExQ qa q1 T0s12 —热量火用
02
讨论：
ExQc qa T0s12 qc —冷量火用
1）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，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 “热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。”
第五章 热力学第二定律 之
作功能力
CONTENTS
01. 热源热量的作功能力 02. 冷量的作功能力 03. 定质量物系的作功能力 04. 稳流工质的作功能力
系统的作功能力（火用）
系统与环境有不平衡存在，即具备作功能力， 作功能力也可称为有效能，可用能等。 热源热量的作功能力 冷量的作功能力 定质量物系的作功能力 稳流工质的作功能力
1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高份额，称 为热量火用（ExQ）；
2）qun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能消除，称为热量火无 （AnQ）；
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废热，而环境介质中的内热能全部是废热。
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S与传热量的关系
热力过程 S12 S 2 S1 12 T
对于循环 △S=0
S
Q
r
= 可逆 >不可逆 <不可能
克劳修斯不等式
Q
Tr
除了传热,还有其它因素影响熵
12
不可逆绝热过程 Q 0 dS 0 不可逆因素会引起熵变化 总是熵增
熵流和熵产
对于任意微元过程有 dS 定义 熵流
Tr为热源温度
注意：过程可逆， 传热温差为0，故热源 温度Tr=工质温度T
δQrev 循环积分 0 Tr 或 Qrev T 0
该积分称为克劳修斯积分
定义 定义
熵 比熵
Qrev Qrev dS Tr T qrev qrev ds Tr T
热源温度 =工质温 度
对所有微元不可逆循环积分求和 对该不可逆循环 δQ Tr 0
δQ T 0 r
克劳修斯积分不等式
克劳修斯积分含义： （1）工质经过任何不可逆循环，克劳修斯积分小于零； （2）工质经过任何可逆循环，克劳修斯积分等于零； （3）工质经过任何循环，克劳修斯积分不可能大于零。 可以利用来判断一个循环是否能进行，是可逆循环， 还是不可逆循环。
熵变的计算方法
水和水蒸气：查图表 固体和液体： 通常 cp cv c 常数 例：水 c 4.1868kJ/kg.K
Qre dU pdv dU cmdT
Qre cmdT 熵变与过程无关，假定可逆： dS T T T2 S cm ln T1
熵变的计算方法
Q
Tr
2 B 1
0
Qห้องสมุดไป่ตู้
Tr
1 A 2
Q
Tr
2 B 1
过程是否可逆的判据
对于可逆过程1-B-2
Q
Tr
1 B 2
Q
Tr
2 B 1
S 2 S1
不可逆过程1-A-2
Q
Tr
1 A 2
S 2 S1
不可逆过程的熵变大于过程热量与热源温度比 值的积分
W
功 源
孤立系熵增原理举例(5)
冰箱制冷过程
△Siso=△S+△ST1+△ST2
T0 Q1 W Q2
Q1 Q2 T0 T2
若想 Siso 0 必须加入功W,使
Q1 Q2
T2
理想气体绝热自由膨胀
典型的不可逆过程
A B 真空
U 0
T 0
Siso
T2 v2 S2 S1 m cv ln R ln T1 v1
将δQ2改为代数值
任意可逆循环 1-A-2-B-1
Q1
Tr1
Q2
Tr 2
0
将一般可逆循环分割为无穷多个微元卡诺循环， 对全部微元循环积分求和
Q1 Q2 1 A2 Tr 2 2B1 Tr 2 0
Qrev
Tr
1 A 2
Qrev
Tr
2 B 1
0
a
S f Q
Tr
Q
Tr
=：可逆过程 >：不可逆过程
熵产：纯焠由不可逆因素引起
S g dS Q
Tr
熵产永远大于0
dS Sf Sg
S Sf Sg
结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。
熵流、熵产和熵变
熵变可正可负可为零，只取决于过程的初、终 态 S 0 S 0 可逆绝热过程 熵流和熵产与过程有关
克劳修斯积分说明
注意：克劳修斯积分适用于热力循环，其热 量的正和负是以循环工质为对象进行分析 1000 K 问题：热机A能否作为制冷机 使用？(则相对于工质来说，吸 收了800kj能量，放出了2000kJ 能量。
2000 kJ
A
1200 kJ Q Q1 Q2 2000 800 0.66kJ / K 0 800 kJ 300 K
热源（蓄热器）：与外界交换热量，T几乎不变 假想蓄热器
热源的熵变
T1 T1 Q1
R
Q1 S T1
W
Q2
T2
熵变的计算方法
功源（蓄功器）：与只外界交换功 无耗散
功源的熵变
S 0
理想弹簧
三、克劳修斯积分不等式——循环 可逆与否的判据
将循环中所有可逆循 环部分积分，有
Q
T 0
任意不可逆循环 1-A-2-B-1
两恒温热源间工作的不可逆热机
Siso Q1 ' Q2 ' 0 T1 T2
T1
Q1’ Q1 W’
R
T T1
IR
W
Q2’
T2 S
Siso
Q2
T2
孤立系熵增原理举例(4)
功热是不可逆过程
Siso ST1 S功源 Q 0 T1
T1 Q
单热源取热功是不可能的
Siso ST1 S功源 Q 0 T1
第五章
热力学第二定律
能量的品质、自发过程 卡诺循环和卡诺定理 状态参数熵 孤立系熵增原理
§5-4 熵和克劳修斯积分
热二律推论之一
卡诺定理给出热机的最高理想
热二律推论之二
克劳修斯不等式反映方向性
热二律推论之三
熵反映方向性
一、状态参数熵的导出
取微元卡诺循 环a-b-f-g-a
Q1 Tr 2 1 1 Q2 Tr1 Q1 Q2 Tr1 Tr 2
在热源T1和环境间工作的卡诺热机，做功为 WT1=Q(1-T0/T1) 在热源T2和环境间工作的卡诺热机，做功为 WT2=Q(1-T0/T2) 由于T1 >T2 , WT2<WT1 热量从高温物体传至低温物体时，其数量不 变，但不可逆传热导致其做功能力降低。即 能量贬值，或耗散。
孤立系熵增原理举例(2)
由于2-B-1过程可逆
Qrev
Tr
2 1
Qrev
Tr
2 B 1
1 B 2
代入公式(a):
Qrev
Tr Tr
2
Qrev
Tr
1 A 2
1 B 2
Qrev
Qrev
T
1
p A
2
Qrev
Tr
1 A 2
Qrev
Tr
1 B 2
从状态1到状态2,无论
熵流与系统和外界的热传递有关，吸热为正放热为负
绝热过程
Sf 0
任意过程
Sf 0
熵产与系统是否可逆有关，不可能为负
可逆过程 Sg 0
不可逆过程 Sg 0
熵的问答题
• 任何过程，熵只增不减 ╳ • 若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到
达同一终点，则不可逆途径的S必大于可 逆过程的S ╳
汽轮机、水泵
h h1 h2’ h2 p1 p2
2 2’
q = 0
可逆过程：
s
wt h1 h2
1 不可逆过程 wt h1 h2'
汽轮机相对内效率
s
h1 h2' oi h1 h2
§5-5 孤立系统熵增原理
无质量交换
孤立系统
dSiso
无热量交换
无功量交换
Sf 0
= ：可逆过程 Sg 0 >：不可逆过程
例题
A 热机是否能实现
方法：将热源、冷 源和热机组成一个 孤立系统，孤立系 统的熵变为其组成 部分熵变之和
1000 K
不可逆 A 2000 kJ 1200 kJ
注意：熵增原理适用于孤立系 统，其热量的正和负是以各 组成部分为对象进行分析， 吸热为正，放热为负
800 kJ
300 K
过程能否实现的判据
0
作功能力损失
卡诺定理tR> tIR
假定 Q1=Q1’ ， WR > WIR 作功能力损失
可逆
作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功
T1
Q1’ WIR
IR
WR WIR
两恒温热源间工作的可逆热机
△Siso=△S+△ST1+△ST2
Q1 Q2 0 T1 T2
T1 Q1 W
t t,C
Q2 T2 1 1 Q1 T1
R
Q2
T2
孤立系熵增原理举例(2)
两恒温热源间工作的可逆热机
Siso Q1 Q2 0 T1 T2
T1 Q1 W Q2
1
B v
沿哪条可逆路线,
Qrev 积分都相等 Tr
熵是状态参数
熵变与路径无关, 只与初终态有关
dS 0
S dS
1 2 2
Qrev
T
1
熵的物理意义
熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小
可逆时
dS 0 dS 0 dS 0
Q 0 Q 0 Q 0
二、熵变的计算方法
克劳修斯积分例题
A 热机是否能实现
Q
2000 800 可能 T 1000 300 0.667kJ/K 0 不可逆
1000 K
2000 kJ A 1200 kJ 1500 kJ 800 kJ 500 kJ 300 K
如果：W=1500 kJ Q 2000 500 T 1000 300 不可能 0.333kJ/K 0
孤立系熵增原理举例(1)
有温差传热过程(T1→T2) Q
用克劳修斯不等式
Tr