华电热力学第五章
热力学第五章
哪个参数才能正确评价能的价值
焓：绝热节流
p1 p2
h1 = h2
等焓节流
w1
w2
w1 > w2
焓相同，但做功不等。 焓相同，但做功不等。
哪个参数才能正确评价能的价值 内能： 内能：绝热膨胀
u1 = u2
p0 w1 w2 p0
w1 > w2
内能相同，但做功不等。 内能相同，但做功不等。
三种不同品质的能量
从可转换成机械能的角度出发能量的组成为环境一定能量中最大可能转换为功的部分500100kjmax293100500414max2931001000707100kj热量温差温差化学化学势差物理温差与压力差物质或物流动能速度差位能位置差扩散浓度差电力电位差水力水位差风力风压差地力压力差波浪压力差与各种不平衡势差有关nq1恒温热源nq卡诺循环的功nqxqxqnqnq微元卡诺循环的功xqnq1q中最大可能转换为功的部分就是exq损失3单热源热机不能作功热ex损失作功能力损失xqt一定qxq51空气由空气由200200经冷却器定压冷却到经冷却器定压冷却到4040试计算空气放出的热量算空气放出的热量火用或空气作出的最大功或空气作出的最大功是是多少
1、可无限转换的能量 、
Ex An
无效能
理论上可以完全转换为功的能量 高级能量 机械能、电能、水能、 如：机械能、电能、水能、风能 2、不能转换的能量 、 理论上不能转换为功的能量 环境（大气、海洋） 如：环境（大气、海洋） 3、可有限转换的能量 Ex + An 、 理论上不能完全转换为功的能量 热能、 如：热能、焓、内能
3、单热源热机不能作功， T =T0， ExQ′=0 、单热源热机不能作功，
冷量的ExQ′与AnQ′的说明
华北电力大学工程热力学考研必做题3
故是吸热过程 思 考 题1 绝热过程是否一定是定熵过程？2 定熵过程的过程方程式是否一定是pvk ＝常量？3 是否所有的热力过程都是多变过程？4 试根据p -v 图上四种基本热力过程的过程曲线的位置，画出自点1出发的下述过程的过程曲线，并指出其变化范围：(1)热力学能增大及热力学能减小的过程； (2)吸热过程及放热过程。
5 试根据T -s 图上四种基本热力过程的过程曲线的位置，画出自点1出发的下述过程的过程曲线，并指出其变化范围：(1)膨胀作功的过程及压缩耗功的过程； (2)压力升高的过程及压力降低的过程。
6 如图4-8所示，1-2及1-3为两个任意过程，而2-3为一多变 过程。
试问：当多变过程的多变指数n ＝0.9或n ＝1.1时，1-2 和1-3两过程的热力学能的变化Δu 1,2和Δu 1,3哪一个大？ 第五章 热力学第二定律 第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地 从低温物体传向高温物体。
2.开尔文—普朗克叙述——不可能制造循环热机， 只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。
3.第二定律各种表述的等效性试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。
证明：设等熵线S 与同一条等温线T 有两个交点A 和B 。
令工质从A 经等温线到B ，再经等熵过程返回A ，完成 循环。
此循环中工质在等温过程中从单一热源吸热，并 将之转换为循环净功输出。
这是违反热力学第二定律的， 故原假设不可能成立。
卡诺循环及其热效率 1.卡诺循环14−−−→−等温放热43−−−→−绝热膨胀32−−−→−等温吸热21−−−→−绝热压缩(),,tCh L h L f T T T T η=↑↓0,1L h tC T T η≠≠∞<net 1Lw q q <即循环必需有放热,0L h tC T T η==⇒若是两个热源的可逆循环卡诺循环热机效率1） 2）3） 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w net 太小，若考虑摩擦，输出净功极微。
华北电力大学《发电厂动力部分》复习纲要
n 再热循环 热效率：
2．喷 管 ：在火电厂中应用较多的喷管湿一种使流体速度得以提高的热力设备。 n 工质流经喷管时，压力和焓值降低，速度提高。 n 工质流经喷管时间极短，可认为该过程是不对外散热的绝热流动过程，且不对外做功
—1—
二、考点 1．水的定压形成过程（会 T-‐S 及 P-‐V 画图，会“一点、两线、三区、五态”）
1 点：C 点为临界点
2 线：AC 饱和水线（上界线）
CB 干饱和蒸气线（下界线）
3 区：AC 以左——过冷水区（液相区）
ACB 以下——湿蒸汽区（汽液两相区）
CB 以右——过热蒸汽区（汽相区）
5 态：a 未饱和水、b 饱和水、c 湿蒸汽、
《发电厂动力部分》复习纲要
◆ 第 一 章 ◆
一、基本概念 1．热 力 学 系 统 ：热力系（简称系统）是一个可识别的物质集团，其物理特性和可能产生的 作用就是我们要研究的内容。系统总是由边界包围的，其边界叫做界面，界面以外就是外界。 2．热 机 ：凡是能将热能转换为机械能的机器统称为热力发动机，简称热 机 。例如蒸汽轮机、 燃气轮机、内燃机和喷气发动机皆为热机。 3．热 力 学 第 一 定 律 （1）热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗 一定量的功时，必产生数量与之相当的热。 （2）对于任何一个系统，输入系统的能量减去输出系统的能量，等于系统储存能量的增加。 4．热 力 学 第 二 定 律 （1）克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。 （2）开尔文说法：任何发动机都不可能只从单一的热源吸热，并把它连续不断地转变为功。 二、考点 1．状态参数——6 个名称及单位 （1）可直接测量：压力 p（Pa 或 N/m2）、温度 T（K 或℃）、比容 v＝V/m（m3/kg） （2）不可简单测量（导出）：比内能 u（kJ/kg）比焓 h（kJ/kg） 比熵 s（kJ/(kg.K)） 2．热 力 学 第 一 与 第 二 定 律 — — 两 者 的 区 别 与 联 系 第一定律指出了不同能量形式之间转化的可能，以及转换过程中的数量关系，但它没有揭示 这种转化的的方向性和转化的深度，热力学第二定律指出了一些自然过程的不可逆性。 3．卡 诺 循 环 ——过程？循环效率公式（会对该公式分析给出提高循环效率的办法）
热力学第5章2011
32/103
34
2.卡诺循环热机效率
t
w q1
q1 q2 1 q2
q1
q1
t,C
1
T2 T1
s2 s2
s1 s1
1
T2 T1
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T1
q1
Rc
w
q2
T2
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卡诺循环热机效率的说明
t,C
1
T2 T1
• t,c只取决于恒温热源T1和T2 ；而与工质
② 自发过程的例子
功和热的转换，摩擦过程：重物下降带动 搅拌器搅动液体
有限温差传热：高温物体向低温物体传热 自由膨胀：气体侧向真空侧膨胀
混合过程：两侧不同气体互相扩散混合
这些过程自发地只朝一个固定的方向发展，
过程进行的深度都有一定限度。
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Water always flows downhill
第五章 热力学第二定律
（The Second Law of thermodynamics）
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1
第五章 热力学第二定律
§5-1 热力学第二定律 §5-2 卡诺循环 §5-3 状态参数熵的导出 §5-4 熵增原理 §5-5 熵方程及火用
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§5-1 热力学第二定律
th
Wnet,out Qin
100 %
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So What is the Best You Can Do?
• We know that thermal efficiencies for heat engines must be less than 100%, but how much less?
热力学 第5章 2011
•
에너지변환시스템연구실(ECOS) Energy Conversion System Lab.
CONSERVATION OF MASS
Conservation of mass: Mass, like energy, is a conserved property, and it cannot be created or destroyed during a process. Closed systems: The mass of the system remain constant during a process. Control volumes: Mass can cross the boundaries, and so we must keep track of the amount of mass entering and leaving the control) Energy Conversion System Lab.
7 Chung H. Jeon
Special Case: Incompressible Flow
The conservation of mass relations can be simplified even further when the fluid is incompressible, which is usually the case for liquids. Steady, incompressible Steady, incompressible flow (single stream) There is no such thing as a “conservation of volume” principle. For steady flow of liquids, the volume flow rates, as well as the mass flow rates, remain constant since liquids are essentially incompressible substances.
热力学第五章6162474页PPT文档
四冲程高速柴油机的理想化
1. 工质
p3 4
定比热理想气体
工质数量不变
2
P-V图p-v图
2’
2. 0—1和1’ —0抵消 开口闭口循环
3. 燃烧外界加热
p0 0
5 1’
1
4. 排气向外界放热
V
5. 多变绝热
6. 不可逆可逆
理想混合加热循环（萨巴德循环）
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
1
2’ 喷柴油
V
2 开始燃烧
2—3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
2 2’
4 停止喷柴油
5
4—5 多变膨胀
p0
1’
p5=0.3~0.5MPa
0
1
t5500℃
V
5—1’ 开阀排气， V 降压
1’—0 活塞推排气,完成循环
p 3
T
3
2
2
4
4
1
1
v
s
定容加热循环的计算Βιβλιοθήκη 吸热量T3
q1cvT3T2
放热量(取绝对值）
2
4
q2cvT4T1
1
热效率
s
t
wq1q21q21T 4T 1
q1 q1
q1 T 3T 2
定容加热循环的计算
热效率
T
t
1 T4 T3
T1 T2
1
T1
T4 T1
T2
T3 T2
热力学与统计物理第五章知识总结
§5.1 热力学量的统计表达式我们根据Bolzman分布推导热力学量的统计表达式一、配分函数粒子的总数为令（1）名为配分函数，则系统的总粒子数为（2）二、热力学量1、内能（是系统中粒子无规则运动的总能量的统计平均值）由（1）（2）得（3）此即内能的统计表达式2、广义力，广义功由理论力学知取广义坐标为y时，外界施于处于能级上的一个粒子的力为则外界对整个系统的广义作用力y为（4）此式即广义作用力的统计表达式。
一个特例是（5）在无穷小的准静态过程中，当外参量有dy的改变时，外界对系统所做的功为（6）对内能求全微分，可得（7）（7）式表明，内能的改变分为两项：第一项是粒子的分布不变时，由于能级的改变而引起的内能变化；地二项是粒子能级不变时，由于粒子分布发生变化而引起的内能变化。
在热力学中我们讲过，在无穷小过程中，系统在过程前后内能的变化dU等于在过程中外界对系统所作的功及系统从外界吸收的热量之和：（8）与（6）（7）式相比可知，第一项代表在准静态过程中外界对系统所作的功，第二项代表在准静态过程中系统从外界吸收的热量。
这就是说，在准静态过程中，系统从外界吸收的热量等于粒子在其能级上重新分布所增加的内能。
热量是在热现象中所特有的宏观量，它与内能U和广义力Y不同。
3、熵1）熵的统计表达式由熵的定义和热力学第二定律可知（9）由和可得用乘上式，得由于引进的配分函数是，的函数。
是y的函数，所以Z是，y的函数。
LnZ的全微分为：因此得（10）从上式可看出：也是的积分因子，既然与都是的积分因子，我们可令（11）根据微分方程关于积分因子的理论，当微分式有一个积分因子时，它就有无穷多个积分因子，任意两个积分因子之比是S的函数（dS是用积分因子乘微分式后所得的全微分）比较（9）、（10）式我们有积分后得（12）我们把积分常数选为零，此即熵的统计表达式。
2）熵函数的统计意义由配分函数的定义及得由玻耳兹曼分布得所以（13）此式称为Boltzman关系，表明某宏观状态的熵等于玻耳兹曼k乘以相应的微观状态数的对数。
(16)热力学第五章3
孤立系统熵增原理
孤立系统 = 非孤立系统 + 相关外界
Siso 0
=：可逆过程 >：不可逆过程 <：不可能过程
最常用的热二律数学表达式
孤立系统熵增原理的应用
• 选取孤立系统
• 分析计算子系统：热源、冷源、工质、物
质源及环境的熵变 • 所有子系统的熵变之和为孤立系统总熵变 • 根据总熵变判断过程或变化 • 总熵变即为孤立系统的熵产
Q1 T1 Q2 T2
0
T1 Q1 W功 R 源 Q2 T2
Q2 T2 t t ,c 1 1 Q1 T1
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 T1 Q2 T2 0
T T1
T1 Q1 W功 R 源 Q2 S T2
T2
孤立系熵增原理举例(3)
S f m(s2 s1 )
例 题
• 气体在气缸中被压缩，气体的热力学能
和熵的变化分别为45kJ和-0.289kJ/K， 外界对气体做功165kJ。过程中气体只 与环境交换热量，环境温ห้องสมุดไป่ตู้为300K。问 该过程是否能够实现？
热二律解决的典型问题
1. 某循环或过程能否实现?
Q
Tr 0
熵变的计算方法
功源：只与外界交换功 无耗散
功源的熵变
S 0
理想弹簧
分析系统熵变时，做功项熵变为零。
例 题
• 有1mol的某种理想气体，从状态1经过一
个不可逆过程变化到状态2。已知状态1的 压力、体积和温度分别为p1、V1、T1，状 态2的体积V2＝2V1，温度T2=T1。若设比 热容为定值，求熵变化量（S2-S1）。
热力学第五章
WA '
T1
WB '
A
QA2 '
B
QB 2 '
′ WA ηA = , QA1
′ WB ηB = QB1
低温热源
η A < ηB
QA1 = QB1,
T2
则由 QA1 = WA '+QA2 ' , 如果
QB1 = WB '+QB2 ' 知 QB2 '−QA2 ' = WA '−WB '
首先看出， 克劳修斯 (Clausius) 首先看出，有必要在热力学第一定律之外建立
2
一条独立的定律来概括自然界的不可逆现象。 一条独立的定律来概括自然界的不可逆现象。
可逆过程与不可逆过程的定义 一个系统由某一状态出发，经过某一过程达到另一个状态， 一个系统由某一状态出发，经过某一过程达到另一个状态， 如果存在另一个过程使得系统和外界都完全复原（ 如果存在另一个过程使得系统和外界都完全复原（即系统恢 复到原来的状态，同时消除对外界的一切影响），则原来的 复到原来的状态，同时消除对外界的一切影响），则原来的 ）， 过程称为可逆过程。反之， 过程称为可逆过程。反之，如果用任何方式都不可能使系统 和外界都完全复原，则称原来的过程为不可逆过程。 和外界都完全复原，则称原来的过程为不可逆过程。 可逆过程举例
T ν 2a ∂U ∂U U = ∫ +U0 dT + ∫ dV = ∫ CV dT − T0 V ∂T V ∂V T
所有准静态过程都是可逆过程。 所有准静态过程都是可逆过程。
Vf V 3
不可逆过程举例 气体向真空的自由膨胀。 → ： 气体向真空的自由膨胀。i→f：∆U = 0, Q = 0, W = 0。尽管可以经一等温过程由 。 f→i, W → f →i ≠ 0,
热力学七年级第五章教学方案
热力学七年级第五章教学方案一、教学目标通过本章的学习，学生应能够：1. 了解热力学的基本概念和原理；2. 掌握温度、热量和热平衡等基本概念；3. 能够运用热力学定律解决相关问题；4. 培养学生观察、实验和分析问题的能力。
二、教学内容本章主要包括以下几个方面的内容：1. 温度和热量的概念；2. 热平衡和热力学定律；3. 热传导、热对流和热辐射；4. 理想气体的性质和状态方程；5. 热力学循环和热效率。
三、教学步骤第一步：引入通过实例引入热力学的概念，如讲解热水器工作原理，引发学生对于温度和热量的思考。
第二步：温度和热量的概念讲解1. 温度的定义和单位。
2. 热量的定义和单位。
3. 热平衡的概念和条件。
第三步：热力学定律的介绍1. 热力学第一定律的表述和意义。
2. 热力学第二定律的表述和意义。
第四步：热传导、热对流和热辐射1. 热传导的基本原理和特点。
2. 热对流的基本原理和特点。
3. 热辐射的基本原理和特点。
第五步：理想气体的性质和状态方程1. 理想气体的特点和假设条件。
2. 理想气体状态方程的推导和应用。
第六步：热力学循环和热效率1. 热力学循环的基本概念和分类。
2. 热效率的定义和计算方法。
第七步：实验和练习设置实验环节，让学生通过实际操作来感受热传导和热对流现象，并进行数据记录和分析。
布置相关练习，让学生巩固所学的知识。
四、教学评价与反思通过课堂上的讲解和实验操作，学生对热力学的基本概念和原理有了一定的了解，掌握了相关的计算方法和应用技巧。
在实验和练习中，学生通过观察、记录和分析数据，提高了自身的观察和实验能力，培养了解决问题的能力。
此外，本教学方案还注重培养学生的合作意识和创新精神，通过小组讨论和合作实验，促进了学生间的互动与交流。
教学方案符合教学要求，并运用了多种教学手段，既注重了理论的传授，又注重了实践的操作。
在今后的教学中，可以进一步提升学生实验操作的能力，加强对热力学实践应用的讲解与引导。
热力学第5章课后答案
5.-5 答：热力学第二定律的两种说法反映的是同一客观规律——自然过程的方向性 是一致的，
只要一种表述可能，则另一种也可能。
假设热量Q2能够从温度T2的低温热源自动传给温度为T1的高温热源。
现有一循环热机在两热源间工作，并且它放给低温热源的热量恰好等于Q2。
整个系统在完成一个循环时，所产生的唯一效果是热机从单一热源（T1）取得热量Q1-Q2，并全部转变为对外输出的功W 。
低温热源的自动传热Q2给高温热源，又从热机处接受Q2，故并未受任何影响。
这就成了第二类永动机。
违反了克劳修斯说法，
必须违反了
开尔文说法。
反之，承认了开尔文说法，克劳修斯说法也就必然成立。
5-10从点a 开始有两个可逆过程：定容过程a –b 和定压过程a –c ，b 、c 两点在同一条绝热线上（见图5–34），问q a –b 和q a –c
哪个大？并在T –
s 图上表示过程a –b 和a –c 及q a –b 和q a –c 。
答：可逆定容过程a-b 和可逆定压过程a-c 的逆过程c-a 以及可逆绝热线即定熵线上过程b-c 构成一可逆循环，它们围成
的面积代表了对外
作功量，过程a-b 吸热，过程c-a 放热，根据热力学第一定律，必然有∣q a-b ∣>∣q c-a ∣，才能对外输出净功。
也就是，q a-b >q a-c 。
图中，q a-b 为abs b s a a 围成的面积，q a-c
为acs b s a a 围成的面
积。
5-10. 答：由图5-2可知
为1-a-b-2-1的面积； 为1-a-c -2-1的面积
图5–34。
《化工热力学》热力学第五章
法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出 卡诺循环
效率最高
热二律奠基人
卡诺循环— 理想可逆热机循环
1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1) 2-3绝热膨胀过程，对外作功 3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1) 4-1绝热压缩过程，对内作功
冷源 T2 <T1
热二律的实质
• 自发过程都是具有方向性的 • 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 • 若想逆向进行，必付出代价
热一律与热二律
热一律否定第一类永动机 热二律否定第二类永动机
t >100％不可能 t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
§4-2 卡诺循环与卡诺定理
WIR Q1
WR Q1'
Q1 < Q1’ Q1-Q2= Q1’-Q2 ’
Q1 WIR
IR
Q1’ R WR
Q1’- Q1 = Q2’ - Q2 > 0
Hale Waihona Puke 从T2吸热Q2’-Q2 向T1放热Q1’-Q1
违反克表述
Q2
Q2’ Q2’
T2 把R逆转
T1和T2无变化，作出净功W-W ’, 违反热一律
卡诺证明的错误
• 热质说 • 用第一定律证明第二定律
恩格斯说卡诺定理头重脚轻
• 开尔文重新证明 • 克劳修斯重新证明
开尔文的证明—反证法
要证明 tIR tR
若 tIR > tR
T1
假定Q1= Q1’ WIR WR
Q1’
Q2’ T2(<T0)
卡诺定理— 热二律的推论之一
热力学讲义——第五章
2
5．2 高压相平衡 ． 高压相平衡的计算一般采用状态方程方法， 高压相平衡的计算一般采用状态方程方法，常用的状 等简单实用的立方型方程。 态方程为 SRK、PR 等简单实用的立方型方程。 、 相平衡的判据： 相平衡的判据： TL=TV PL=PV
f i L = f iV
SRK 方程： P = 方程：
12
对于一级相变： 对于一级相变：
∂T ∂µ iα ∂P
µ iα = µ iβ ∂µ iα
P , nj T , nj
∂µ iβ ≠ ∂T ∂µ iβ ≠ ∂P
P , nj T , nj
标度律和指数律只适用于临界区，而传统的状态方程不适用于非 标度律和指数律只适用于临界区， 经典流体，因此应开发一种热力学模型， 经典流体，因此应开发一种热力学模型，可以连续地从经典区过渡到 非经典区。 非经典区。 方法之一为采用跨接函数（ ）将经典方程与非经典方程相连接。 方法之一为采用跨接函数（Y）将经典方程与非经典方程相连接。 该函数为距临界点的距离的函数，在临界点， 该函数为距临界点的距离的函数，在临界点，其为 0，而在远离临界 ， 区，其为 1。从而使得在临界区非经典模型起作用，而在非临界区 ， 。从而使得在临界区非经典模型起作用，而在非临界区， 经典模型起作用。 经典模型起作用。 f = Yf classical + (1 − Y ) f nonclassical
* Huron-Vidal 混合规则
ai G E ( p = ∞) a = ∑ xi + b bi q
b = ∑ xi bi
* MHV1 混合规则
a 1 a = ∑ xi i + [G E ( p = 0) + RT ∑ xi ln(b / bi )] b bi q
热力学统计物理 第五章 课件
此式是能量守恒定律的表达式，其中J u 是内能流密度。
由基本方程可知，当粒子数密度增加dn时，内能密度 的增加为μdn，μ是一个粒子的化学势。 因此当存在粒子流时，内能流密度可以表示为
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ju J q J n
即内能流密度是热流密度与粒子流携带的能流密度之和。
把上式代入内能密度的连续性方程，得 u J q J n t
第五章 不可逆过程热力学简介
§5.1 局域平衡 熵流密度与局域熵产生率
在第一章中根据热力学第二定律得到不等式 dQ dS T 式中等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。
将上式中dS推广为下述等式
dS=deS+diS 式中deS是由于系统与外界交换物质和能量所引起的系统 熵变，是可正可负的；diS表示系统内部发生的过程引起 的熵产生，不能取负值。
根据系统熵的积分式，整个系统熵的增加率可表为 dS d s = sd d J s d dt dt t 利用高斯定理将右方第一项化为面积分，得 dS = J s d d dt 上式右方第一项表示单位时间通过系统表面从外界流入的 熵，第二项表示单位时间内系统各体积元的熵产生之和。 将上式与 dS=deS+diS 比较可得 de S di S = Js d ， = d dt dt 由于在任何宏观区域中熵产生都是正定的，故有Θ≥0。
T 1 T Jq Jq 2 2 0 T T T 由于导热系数恒正，热传导过程中局域熵产生率Θ是正定
2
的。 例2 如果系统内部除了温度不均匀外，化学势也不均匀，
工程热力学(华北电力大学)全套课件
3
绪论
0-1 火力发电厂的生产过程
0-2 热能及其利用
0-3 热力学发展简史 0-4 工程热力学的内容 0-5 工程热力学的学习
4
火力发电厂的生产过程
5
火力发电厂系统图
汽轮机
锅 B 炉
锅炉
Boiler（B）
T
G
发电机
汽轮机
Turbine（T）
凝汽器（冷凝器）
Condenser（C）
11
热能的动力应用
热能—机械能
车用内燃式发动机、船用燃气轮机、船用蒸汽 轮机、飞机喷气式发动机
热能—机械能—电能
蒸汽轮机发电 内燃机发电 燃气轮机发电
12
我国的能源结构
煤是一次能源主体，石油天然气部分依靠进口。 2002年，我国煤炭产量13.8亿吨，居世界第一位； 原油产量1.67亿吨，居世界第五位；天然气产量 326.6亿立方米，居世界第十六位，发电量16540 亿千瓦时，居世界第二位。 2002年，我国一次能源总消费中煤炭占66.1％， 石油23.4%，天然气2.7%，水电7.1%，核电0.7%。 我国是世界第二大能源消费国。
19
热力学的建立—热二律
1824年，卡诺提出了卡诺循环和卡诺定理，发现 了热能转变为机械能的根本条件，即必须有温度 不同的热源和冷源，这从本质上说明了热力学第 二定律。 开尔文在1848年根据卡诺定理制定了“热力学温 标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了 “熵”。 在卡诺研究的基础上，1850-1851年间，克劳修斯 和开尔文先后提出了热力学第二定律。
水泵
P
给水泵
C
凝汽器
Pump（P）
发电机
热力学第五章2
4R 1
s
无穷多级的极限情况
两个等温过程
T
3
两个等压过程
+
回热
2 4
概括性卡诺循环
1
s 级数越多，越复杂，造价越高，一般2~3级
第五章 小 结
活塞式内燃机循环：( 特点、计算、比较 ) 燃气轮机循环：理想循环和实际循环的计算
和比较 提高热效率的手段：回热
间冷+回热 再热+回热
动力循环问题讨论(1)
存在最佳 ，使 w净最大
T1
t 1
1
k 1
k
s
T3
T1
最佳增压比 op（t w净）的求解
1k
k1 T
w净 cpT1 k k 1
T3
令 w净 0
k
opt (w净 ) 2(k1)
T1
s
最大循环净功
wopt cpT1
2
1
燃气轮机的实际循环
压气机：不可逆绝热压缩 T
3
1、为了提高效率，燃气轮机的废气能否再继续 膨胀作功，能否废气不放热再压缩再膨胀作功
不能使 p p0
p
可逆时，wtu wc
2
3
不可逆时，wtu wc
p0
4 1
v
动力循环问题讨论(2)
2、回热器能否装在压气机前
t 简
w净
3 T
2’
4
2
1’ 1
s
动力循环问题讨论(3)
3、能否先加热，后压缩
T
吸热量
q1'
h3
h2'
h3
h1
h2 h1
c
s
燃气轮机的实际循环的热效率
(15)热力学第五章4
稳定流动 dScv 0
min mout m
Scv Q out(2)
in(1) 0 S f S g (sin sout )m
Q S f Tr
W
Q S g (sout sin )m Tr
按照孤立系统分析熵方程
稳定流动，取孤立系统
'
Q1 Q2 T1 T0
T1
Q 1’ IR W’ Q1 R W
T0 S Q 作功能力损失 I Q iso 2 2
Siso ST1 ST2 SIR SR
Q1 ' Q1 Q2 ' Q2 T1 T1 T0 T0 Q2 ' Q2 T0 T0 Q2 t t,C 1 1 Q1 T1
Q2’
T0
Q2
Ex损失
作功能力损失 I T0 Siso T0 S g
普适公式
例题
求下列三种情况下由不可逆传热造成的 Ex损失，设Q=100kJ，环境温度T0=300K： （1） tA=420℃，tB=400 ℃ ； （2） tA=70℃，tB=50 ℃； （3） TA=200K，TB=220K。
5-7 Ex参数的基本概念 热量Ex
根据卡诺定理，同样数量的能量在不同热源条 件下，能做出的功的数量是不同的。 如何评价能量价值? Exergy Anergy 火用 火无
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TmL TL 面积qrmnq 1 1 1 面积opmno Tmh Th
两种表述的关系
开尔文－普朗克 表述 克劳修斯表述：
完全等效!!!
违反一种表述,必违反另一种表述!!!
热一律与热二律
热一律否定第一类永动机
t >100％不可能
热二律否定第二类永动机
t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
§5-2 卡诺循环与卡诺定理
既然
t =100％不可能
例： 某项专利申请书上提出一种热机，它从167℃的 热源接受热量，向7℃冷源排热，热机每接受1000kJ热 量，能发出0.12kw· h的电力。 请判定专利局是否应受理其申请，为什么？ 解：从申请是否违反自然界普遍规律着手
Wnet 0.12 3600 432kJ Q1 1000 kJ
热二律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换 1851年 开尔文－普朗克表述 热功转换的角度 传 热 1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度
二.第二定律的两种典型表述 1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地 从低温物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造循环热机， 只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而 不对外界留下任何影响。 3.第二定律各种表述的等效性
归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。
无限可转换能—机械能，电能
能量转换方向性的 实质是能质有差异
部分可转换能—热能 T T0
不可转换能—环境介质的热力学能
能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件— 补偿过程，其总效果是总体能质降低。
2）
TL 0, Th
tC 1
若TL Th ,tC 0 第二类永动机不可能制成； 3）
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。
即wnet q1循环必需有放热qL
TR s41 TR TR T0 s41 TR T0
c ' 1
三.概括性卡诺循环 1.回热和极限回热 2.概括性卡诺循环及其热效率
q2 面积1mn2 TL s12
q1 面积34op3 Th s34
wnet q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
TL s12 TL 1 1 Th s 34 Th
tC
四.卡诺定理 定理1：在两个恒温热源之间工作的一切可逆循环， 其热效率等于同样热源间工作的卡诺循环效率，与工 质性质无关。
定理2：在两个恒温热源之间工作的一切不可逆热
机的热效率必小 于可逆热机热效率。
理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2 2）提高热机效率的极限。
热机能达到的最高效率有多少？
法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出环及其热效率 1.卡诺循环
1 2
绝热压缩
2 3
等温吸热
3 4
绝热膨胀
4 1
等温放热
是两个恒温热源间的可逆循环
2.卡诺循环热机效率
第五章 热力学第二定律
§5–1 热力学第二定律
一、自发过程的方向性
Q
?
Q'
只要Q'不大于Q，B向A传热并不违反第一定律
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 等于水的内能减少，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。 3
5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率 的方向。
二.逆向卡诺循环
卡诺制冷系数：
qc qc c wnet q0 qc
Tc s 23 Tc T0 Tc s 23 T0 Tc
卡诺供暖系数： q1 q1 ' c wnet q1 q2
c可大于，小于，或等于1
tC =65.9% 实际t =40%
回热t 可达50%
五.多热源可逆循环 1.平均吸（放）热温度 2 q Tds Tm s2 s1
1
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1B 2mn1 t 1 1 q1 面积1A2mn1
故不违反第一定律 根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间 工作的热机，以可逆机效率最高
t ,c
TL 273.15 7 1 1 0.364 Th 273.15 167
t ,c t ,max
Wnet ,max Q1
Wnet,max t ,c Q1 0.3641000 364kJ P 432kJ
卡诺定理举例
A 热机是否能实现
T2 300 tC 1 1 70% T1 1000
1000 K
2000 kJ A 1200 kJ 1500 kJ 800 kJ 500 kJ 300 K
w 1200 t 60% 可能 q1 2000
如果：W=1500 kJ
1500 t 75% 不可能 2000
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
T1
q1 Rc w
卡诺循环热机效率
t,C
T2 s2 s1 T2 1 1 T1 s2 s1 T1
q2
T2
讨论：
TL tC 1 Th
1） tC f Th , TL
Th , TL tC
or W0 432 t 0.432 t ,c Q1 1000
违反第二定律，所以不可能
实际循环与卡诺循环
卡诺热机只有理论意义，最高理想 实际上 T s 很难实现 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC =74.7% 实际t =40% 火力发电 t1=600oC，t2=25oC