第二章节能的热力学原理
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化工节能原理与技术2
【例2-11】
热泵
q1 TH
wnet TH TL
能量利用的经济指标
效率
收益 代价
能量品质 动力循环 制冷循环 热泵循环 间壁换热器
热效率(数量)
t
W Q1
Q2 W
Q1 W
Q2 Q1
火用效率(质 量)
ex
E x ,W E x ,Q1
ex
E x ,Q2 E x ,W
ex
E x ,Q1 E x ,W
一个系统与环境处于热力学平衡，可以是完全的热力学 平衡，也可以是不完全的热力学平衡，这取决于研究的 问题。当取不完全平衡环境状态作为基准计算时，一个 系统的能量所具有的火用称为该能量的物理火用；当取 完全平衡环境状态作为计算基准时，一个系统所具有的 火用为物理火用和化学火用之和。一个系统的能量的化 学火用是系统在p0、T0时相对于完全平衡环境状态因化学 不平衡所具有的火用。
z2
h1 h2 T0 (s1 s2 )
例2-4 p46
(3) 理想气体火用的计算
e h h0 T0 (s s0 )
利用理想气体状态方程也可以进行计算
① 温度火用 ② 压力火用
e(T )
T T0
C
p
(1
T0 T
)dT
e(P)
RT0
ln
p p0
e e(P) e(T ),当CP为常数时：
Tm (T2 T1) / ln(T2 / T1)
(3) 热量火用的计算
温差传热要引起火用损失，并且在温差相同、传热 量相同时，低温的火用损失要比高温时大得多。
例2-2（P43),例2-3（P44)
(4) 化学火用
任何一个系统，当其与环境处于热力学平衡的状态时， 称其处于环境状态，这时系统所具有的各种形式能量的 火用值为零。而与环境不同的任何系统所具有的能量都 含有火用。
热泵
q1 TH
wnet TH TL
能量利用的经济指标
效率
收益 代价
能量品质 动力循环 制冷循环 热泵循环 间壁换热器
热效率(数量)
t
W Q1
Q2 W
Q1 W
Q2 Q1
火用效率(质 量)
ex
E x ,W E x ,Q1
ex
E x ,Q2 E x ,W
ex
E x ,Q1 E x ,W
一个系统与环境处于热力学平衡，可以是完全的热力学 平衡，也可以是不完全的热力学平衡，这取决于研究的 问题。当取不完全平衡环境状态作为基准计算时，一个 系统的能量所具有的火用称为该能量的物理火用；当取 完全平衡环境状态作为计算基准时，一个系统所具有的 火用为物理火用和化学火用之和。一个系统的能量的化 学火用是系统在p0、T0时相对于完全平衡环境状态因化学 不平衡所具有的火用。
z2
h1 h2 T0 (s1 s2 )
例2-4 p46
(3) 理想气体火用的计算
e h h0 T0 (s s0 )
利用理想气体状态方程也可以进行计算
① 温度火用 ② 压力火用
e(T )
T T0
C
p
(1
T0 T
)dT
e(P)
RT0
ln
p p0
e e(P) e(T ),当CP为常数时：
Tm (T2 T1) / ln(T2 / T1)
(3) 热量火用的计算
温差传热要引起火用损失，并且在温差相同、传热 量相同时，低温的火用损失要比高温时大得多。
例2-2（P43),例2-3（P44)
(4) 化学火用
任何一个系统，当其与环境处于热力学平衡的状态时， 称其处于环境状态，这时系统所具有的各种形式能量的 火用值为零。而与环境不同的任何系统所具有的能量都 含有火用。
热力学第二定律
•热力学第二定律揭示了：一切与热现象有关 的实际宏观过程都是不可逆的（具有方向性）。
违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以 发生。
第一类永动机和第二类永动机比较
它们都不可能制成，第一类 永动机的设想违反了能量守恒定 律；第二类永动机的设想虽不违 反能量守恒定律，但违背了跟热 现象相联系的宏观过程具有方向 性的自然规律。
总结；机械能和内能的转化过程具有方向性 机械能可以全部转化成内能，但内能却不能 全部转化成机械能，同时不引起其他变化。
热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热源吸收热量，使之完全变 成功,而不产生其他影响。
第二类永动机：人们把想象中能够从单一 热源吸收热量，全部用来做功而不引起 其他变化的热机叫做第二类永动机。
高二物理
第十章第四节
热力学第二定律
一个值得深思的问题： ？？？
既然能量是守 恒的，不能创造， 也不会消失，那我 们为什么还要节约 能源呢？
扩散现象有方向性
热传递有方向性
机械能和内能的转化有方向性
气体的膨胀有方向性
一、热力学第二定律的一种表述:
热量不能自发地从低温物体传到高温 物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表 述。
BD
热力学第二定律的克劳修斯表述: 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
AC
考点：
热力学第一定律：
C
ΔU=W+Q
热力学第二定律的开尔文表述:
不可能从单一热源吸 收热量，使之完全变成功,而 不产生其他影响。
谢谢
作业：
第二类永动机不可能制成
定律的两种表述
热量不能自发地从低温物体传到高温体（不可能将热量 从低温物体传到高温物体而不引起其它变化）。
违背热力学第一定律的过程都不可能发生。 不违背热力学第一定律的过程不一定都可以 发生。
第一类永动机和第二类永动机比较
它们都不可能制成，第一类 永动机的设想违反了能量守恒定 律；第二类永动机的设想虽不违 反能量守恒定律，但违背了跟热 现象相联系的宏观过程具有方向 性的自然规律。
总结；机械能和内能的转化过程具有方向性 机械能可以全部转化成内能，但内能却不能 全部转化成机械能，同时不引起其他变化。
热力学第二定律的开尔文表述
不可能从单一热源吸收热量，使之完全变 成功,而不产生其他影响。
第二类永动机：人们把想象中能够从单一 热源吸收热量，全部用来做功而不引起 其他变化的热机叫做第二类永动机。
高二物理
第十章第四节
热力学第二定律
一个值得深思的问题： ？？？
既然能量是守 恒的，不能创造， 也不会消失，那我 们为什么还要节约 能源呢？
扩散现象有方向性
热传递有方向性
机械能和内能的转化有方向性
气体的膨胀有方向性
一、热力学第二定律的一种表述:
热量不能自发地从低温物体传到高温 物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表 述。
BD
热力学第二定律的克劳修斯表述: 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
AC
考点：
热力学第一定律：
C
ΔU=W+Q
热力学第二定律的开尔文表述:
不可能从单一热源吸 收热量，使之完全变成功,而 不产生其他影响。
谢谢
作业：
第二类永动机不可能制成
定律的两种表述
热量不能自发地从低温物体传到高温体（不可能将热量 从低温物体传到高温物体而不引起其它变化）。
《工程热力学》第二章—热力学基本定律
五、功量与热力过程直接相关
在既定的始、终状态之间，可以有许多过程途径。 在既定的始、终状态之间，可以有许多过程途径。不同 过程中的功量交换是完全不同的。 过程中的功量交换是完全不同的。即：功的大小除与过程的 有关——功 初、终状态有关外，还与描述过程的函数p=f(v)有关 终状态有关外，还与描述过程的函数 有关 功 过程量。 而不能用dw表示 是一个过程量 微元过程功只能用δw而不能用 表示， 是一个过程量。微元过程功只能用 而不能用 表示，即
在孤立系统中，能的形式可以相互转换， ● 在孤立系统中，能的形式可以相互转换，但能 的总量保持不变。 的总量保持不变。 第一类永动机是不可能制成的。 ● 第一类永动机是不可能制成的。 ● 工程热力学中常以热力系统为对象来研究能量 的传递、转换和守恒。 的传递、转换和守恒。 对任一热力系统，热力学第一定律可表述为： ● 对任一热力系统，热力学第一定律可表述为： 进入系统的能量 － 离开系统的能量 = 系统中储存能量的变化
无论哪一种情况， 无论哪一种情况，当系统与外界发生功量 交换时，总与系统本身所经历的过程有关。 交换时，总与系统本身所经历的过程有关。
三、功量交换的基本表达式
δW = F • dx
W = ∫ F ( x)dx
x1
x2
热力学最常见的功——容积功 容积功 热力学最常见的功
δW = F • dx = pA • dx = pdV
宏观位能（位能）：系统在外力场作用下， ）：系统在外力场作用下 ◆ 宏观位能（位能）：系统在外力场作用下，相对于 某参考坐标系中某一位置所具有的能量。 某参考坐标系中某一位置所具有的能量。
E p = mgz
二、内能
储存于系统内部的能量称为内能 内能， ● 储存于系统内部的能量称为内能，内能与物质 的分子结构和微观运动形式有关。 的分子结构和微观运动形式有关。 ● 对于闭口系统来说，工质经历一个循环之后又 对于闭口系统来说， 回复到原来的状态， 回复到原来的状态，所以系统储存能量的变化为 零，即：进入系统的能量（吸热量）等于离开系 进入系统的能量（吸热量） 统的能量（对外做功量）。 统的能量（对外做功量）。
节能的热力学原理 -热力学第二定律III-火用损失和平衡方程式
E X ,Q E X ,W E X , L E X ,U
㶲损失： 其中，
E X , L E X ,Q E X ,U E X ,W
E X ,Q
2
Hale Waihona Puke 1 T0 1 T
Q
E X ,Wu Wu W p0 V2 V1
E X ,U U 2 U1 T0 ( S 2 S1 ) p0 (V2 V1 )
EX ,L
1 TH TL 1 T0 Q T0 Q TH TL TL TH
在相同传热温差条件下，高温的㶲损失比低温的 要小； 如果要求㶲损失不超过某一定值，那么温度水平 高（锅炉）的情况允许使用较大温差；反之，温度 水平低（低温换热量）的情况只允许使用较小的传 热温差。
入-(出+损)=增量
闭口系㶲平衡方程及㶲损失
以汽缸里的气体作为研究对象， 热力学第一定律： 系统所得的㶲量： 从热源得到的热量㶲EX,Q 输出的㶲： 对外所做的有用功EX,W 系统㶲的增量：内能㶲的增量△EX,U 设㶲损为EX,L
1 2 W
Q U W
Q
㶲的一般关系式：入- (出+损) =增量 根据㶲平衡方程：
这一点具有很大的实用意义，因为传递一定 热量时，换热器的面积与冷、热流体的传热温差 成反比，故而低温换热器比高温换热器的传热面 积大。
换热器的㶲平衡方程和㶲损失
EX ,L
1 TH TL 1 T0 Q T0 Q TH TL TL TH
•
TH和TL一般随热量传递而变化，需通过积分求解 传递一定热量的㶲损失，计算困难；
•
㶲损失：(1)冷、热流体温差传热; (2)工质粘性 摩擦阻力。
汽车发动机原理课件——第2章热力学第二定律
循环净功量
对空气：Rg=0.287kJ/kg.K, cv0=0.718 kJ/kg·K
空气质量： m
p1V1 RT1
1.01 0.287
105 10 3
0.014 288
0.0171kg
循环吸热量： Q1=mcv0(T3–T2) =0.017×0.717（1054－548）kJ=6.2 kJ
利用、、表示t
1 2
有
T2
T1
v1 v2
1
T1 1
23
有
T3
T2
p3 p2
T1 1
34
有
T4
T3
v4 v3
T1 1
5 1
有
T5
T1
p5 p1
求 p5 因 p1v1 p2v2
p5 v5 p4v4 两式相除，考虑到
p1
p4 p3 v1 v5 v2 v3
p5 p1
p4 p2
2.1.4 卡诺循环及热效率
例1 某理想气体动力循环，空气从初始状态 p1=1.01bar、t1=15℃、V1=0.014m3，绝热压缩到 V2=0.0028m3，再定容加热到p3=18.5bar，然后绝 热膨胀到p4=1.01bar，最后定压放热到初始状态完 成循环。试计算：（1）循环净功量；（2）理想 循环热效率，并与同温度范围内的卡诺循环热效 率相比较。
2.2.1 对发动机实际工作过程的简化
•
混合加热循环
• 1 - 2 绝热压缩 2 - 3定容加热 3 - 4定压加热 4 5绝热膨胀 5 - 1定容放热
混合加热理想循环（dual combustion cycle）
12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热
节能减排第2章 节能的热力学原理
WA,max (H T S ) [( H2 TS2 ) ( H1 TS1 )]
(G2 G1 ) G
15
2.4.4 热量的㶲和
• 热机为例来说明
T
δQ
可逆机
δQ -δQ0 δWA
Q
T dS产
δWA - δ Q0
Q0
T0
T0 W A Q Q T0dS产 T
W A Q T0
T0
（T>T0）
（可逆 S产 0 ）
Q
T
T0 S产
16
由给定的状态到环境状态积分得
e wA,max u u0 p0 (v v0 ) T0 ( s s0 )
封闭系统的 为
a u e u0 p0 (v v0 ) T0 (s s0 )
封闭系统从状态1 到状态2 所能作得最大有用功：
wA,max e1 e2 (u1 u2 ) p0 (v1 v2 ) T0 ( s1 s2 )
能量衡算式为
Q H mc 2 / 2 mgz W
对于单位质量为
q h c 2 / 2 gz w
对于多股物质流进出开口体系时
Q out mi (h c2 / 2 gz )i in mi (h c2 / 2 gz )i W
6
热量
AQ T0 ( S2 S1 )
（3） 热量的㶲和
热源温度恒定：
T0 T0 EQ (1 )Q Q Q T T
T0 AQ Q T
热源温度变化：
T0 EQ mc p (1 ) T T T0 AQ =∫ mc p δT T
热力学第二定律在过程节能控制中的应用
热力学第二定律在过程节能控制中的应用1 热力学第二定律的基本概念热力学第二定律是热力学的重要基础之一，它建立在能量守恒和热量流动规律的基础上，用于描述热力学过程中的热流动方向和熵增加的规律，可以用来解释许多自然界中的现象。
物理学家开尔文在19世纪初提出了热力学第二定律的原始概念，主要包括以下几个方面：1. 不能从一个恒温体系向温度较低的恒温体系传递热量，而不引起其他的影响。
2. 不能将热量全部转化为功，即不能永久地将热能转化为机械能。
3. 在一个绝热体系中，熵永远不会减少。
这些规律描述了自然界中对热量的转化和利用的基本限制和规律，为能量守恒和熵增加提供了科学依据。
2 过程节能控制过程节能控制是指在工业生产和生活中，通过优化工艺流程和装置设计，采用科学的管理和控制手段，以提高能源利用效率，降低能源消耗和浪费，实现经济效益和环境保护的一种综合性措施。
过程节能控制主要包括以下几个方面：1. 能源审计和分析，确定能源消耗和浪费的主要来源和方式，制定优化方案和措施。
2. 优化工艺流程和装置设计，采用先进的能源节约技术和装备，提高能源转换效率，降低能量损失和排放。
3. 合理使用能源，建立科学的能耗监测和管理制度，控制能源消耗和浪费，实现节能降耗。
4. 加强技术培训和人员教育，提高技术水平和节能意识，促进节能文化的形成和传播。
过程节能控制是一项复杂的系统工程，需要多个方面的协调和配合，同时也是一个长期的任务，需要不断进行改进和完善。
3 热力学第二定律在过程节能控制中的应用热力学第二定律在过程节能控制中有着重要的应用价值和意义。
通过热力学第二定律的原理和规律，可以对工业生产和生活中的能源流动和转化进行分析和优化，实现更加高效、环保、可持续的生产和生活方式。
热力学第二定律在过程节能控制中的应用主要包括以下几个方面：1. 分析系统的热力学效率，确定系统的能源利用效率和能耗水平等指标，为节能改进提供科学依据。
2. 优化系统的热力学流程，采用先进的节能器材和技术，提高系统的能源转化效率，降低能耗和排放。
节能-2热力学基础
26
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
（2）出变换炉变换气中各组分量（kmol）: 变换化学反应 CO+H2O=CO2+H2
变换率为85%，则参加反应的CO量
33×85%=28.05（kmol） 则： CO CO2 H2 N2 CH4 0.5 H2 O 169.95
27
4.95 37.05 64.05 21.5
与假定很接近，不必再修正。
32
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
（2）统一基准焓法 为了简便起见，可采用普遍适用的焓基准或叫做 统一基准。 一般有两种情况：规定273.15K时稳定单质的理 想气体的焓为零；298.15K是稳定单质的理想气体 的焓为零。 则基准态下化合物的焓便随之而定，即等于该状 态下标准生成焓。
753.15K -36.4 -9.15 2.18 2.23 -22.3 -3.50
33
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
于是，即使是对于化学反应过程，虽然发生了 物质的变化及物质数量的变化，但元素是平衡的， 计算焓变时，基准态的焓仍然可以被消去。 因此，无论是物理过程或化学反应过程，过程 的热效应均可用焓变计算。 ΔH=H终态 - H始态 简单方便。
34
（1）状态函数法 根据状态函数的特点，为便于计算设计过程如下 半水煤气、水蒸 ΔH=0 变换气 T=? 气 653.15K 绝热反应 ΔH1 半水煤气、水蒸 气 298.15K ΔH2
ΔHR
变换气 298.15K
29
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
则：ΔH= ΔH1+ ΔH2+ ΔHR=0 a. 在有关手册中查出各组分298.15-653.15K温 度区间的平均摩尔热容[ C P KJ/Kmol·K]。 则： CO CO2 H2 N2 CH4 H2 O 29.81 43.05 29.22 29.64 45.34 35.04 ΔH1=（9×43.50+33×29.81+36×29.22 +21.5×29.64+198×35.04+0.5×45.34）× （298.15-653.15）=-3.56×106（KJ）
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
（2）出变换炉变换气中各组分量（kmol）: 变换化学反应 CO+H2O=CO2+H2
变换率为85%，则参加反应的CO量
33×85%=28.05（kmol） 则： CO CO2 H2 N2 CH4 0.5 H2 O 169.95
27
4.95 37.05 64.05 21.5
与假定很接近，不必再修正。
32
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
（2）统一基准焓法 为了简便起见，可采用普遍适用的焓基准或叫做 统一基准。 一般有两种情况：规定273.15K时稳定单质的理 想气体的焓为零；298.15K是稳定单质的理想气体 的焓为零。 则基准态下化合物的焓便随之而定，即等于该状 态下标准生成焓。
753.15K -36.4 -9.15 2.18 2.23 -22.3 -3.50
33
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
于是，即使是对于化学反应过程，虽然发生了 物质的变化及物质数量的变化，但元素是平衡的， 计算焓变时，基准态的焓仍然可以被消去。 因此，无论是物理过程或化学反应过程，过程 的热效应均可用焓变计算。 ΔH=H终态 - H始态 简单方便。
34
（1）状态函数法 根据状态函数的特点，为便于计算设计过程如下 半水煤气、水蒸 ΔH=0 变换气 T=? 气 653.15K 绝热反应 ΔH1 半水煤气、水蒸 气 298.15K ΔH2
ΔHR
变换气 298.15K
29
2. 节能的热力学原理
2.2 稳流体系热力学第一定律及其应用
则：ΔH= ΔH1+ ΔH2+ ΔHR=0 a. 在有关手册中查出各组分298.15-653.15K温 度区间的平均摩尔热容[ C P KJ/Kmol·K]。 则： CO CO2 H2 N2 CH4 H2 O 29.81 43.05 29.22 29.64 45.34 35.04 ΔH1=（9×43.50+33×29.81+36×29.22 +21.5×29.64+198×35.04+0.5×45.34）× （298.15-653.15）=-3.56×106（KJ）
工程热力学第2章 热力学基本定律(热二律)_OK
Q1 = T1(S2-S1)
Q1 / T1 =S2-S1 T2
Q2 = T2(S1-S2)
Q2 / T2 = S1-S2
Q2
两式相加，得： Q1 Q2 0
T1 T2
S1
S2 S
∵ Q已作正负号规定， Q1、 Q2可统一写成Q；
T1、 T2可为热源温度（=工质温度），可统一写成T
∴ Q 0
2021/7/2
内燃机 ：t1=2000℃，t2=300 ℃
卡诺循环：tC =74.7%； 实际：t =30~40%
火力发电： t1=600 ℃ ，t2=25 ℃ 卡诺循环 ： tC =65.9%；实际：t =40%
2021/7/2
20
§2.9 熵与克劳修斯不等式
§2.9.1 熵的引入
1、卡诺循环的Q/T
T
Q1
T1
2021/7/2
T
Q1
T1
T1
A
T2
T2 Q2
S1
Q’1
B
Q’2
S2
S
17
卡诺定理的意义
1、从理论上确定了通过热机循环，实现热能 转变为机械能的条件。
2、指出了提高热机热效率的方向，是研究热 机性能不可缺少的准绳。
对热力学第二定律的建立具有重大意义。
2021/7/2
18
卡诺定理应用举例
该循环能否实现？
1、自发过程都是具有方向性的，不可逆的。
2、要使非自发过程得以进行，必须伴随一个 适当的自发过程作为补充条件
例：
1、热量：高温→ 低温：自发过程，不可逆
低温→高温：补充条件：W →Q（空调），自发
2、 W →Q ： 自发过程，不可逆
物理化学简明教程(第四版)第二章热力学第二定律解析
• Q表示不可逆过程的热效应。由上式得
Q1* Q2* 0 T1 T2
• 对一任意不可逆循环来说，必有
Q*
T
0
(2) 不可逆过程的热温商
• 假定有一不可逆循环如图所示
2 T T 2 Q 2 Q r ir > 1 T 1 T 2 Q > 不可逆 S 1 T = 可逆 Q > 不可逆 dS T = 可逆 1
自发过程的实例
• (1) 理想气体向真空膨胀 • 此过程Q＝0；W＝0；U＝0；T=0。如 果要让膨胀后的气体变回原状，必须要 对系统做压缩功。 • (2) 热由高温物体传向低温物体 • 如果要使已经传到低温物体的热回到高 温物体，则必须要做功。 • (3) 自发化学反应 • Cd(s) + PbCl2 (aq) ＝ CdCl2 (aq) + Pb(s)
Q=0 ，W=ΔU=nCV,m (T2－T1) ③恒温可逆压缩
Q2 W2
V4
V3
V4 pdV nRT2 ln( ) V3
④绝热可逆压缩 Q=0，W= ΔU= nCV,m (T1－T2) 状态1和4 在一条绝热线上，2和3 在另外一条绝热线上。
按理想气体的可逆绝热过程方程式 TVγ-1=常数，有
§2.5 熵变的计算及其应用
• (1)定温过程的熵变 • 对定温可逆过程来说，则
Qr Qr S T T
• 对理想气体定温可逆过程来说
V2 nRT ln V1 V2 p1 S nR ln nR ln T V1 p2
例题3
• (1) 在300K时，5mol的某理想气体由 10dm3定温可逆膨胀到100dm3。计算此过 程中系统的熵变； • (2)上述气体在300K时由10dm3向真空膨 胀变为100dm3。试计算此时系统的S。 并与热温商作比较。 V 100 S nR ln 5 8.314 ln • 解 (1) J K 95.7J K V 10 • (2) 熵变仍为95.7J K-1。热温商为
李崇祥主编_节能原理与技术_第2章
不可逆传热引起了损失 ，其值为： 1 1 I Ex ,Q, A Ex ,Q, B T0 T T Q B A 节能的实质就是尽可能地减少损失。 平衡方程式：
E X ,1 E X E X , 2 I
ΔEx I
第2章 节能原理
2.3 合理利用能量的原则 能量合理利用的原则：能量系统中能量在数量上保持平衡，在 质量上合理匹配。 总结： 1、热力学第一定律：能量转换与守恒定律。 2、热力学第二定律：克劳修斯说法：不可能把热从低温物体 传至高温物体而不引起其他变化，揭示能量“质”的属性。 3、能量合理利用的原则，就是要求能量系统中能量在数量上 保持平衡，在质量上合理匹配。 举例：假设环境温度为0℃，为使室内温度保持20 ℃，单位时 间内需向室内供热10kJ。如果采用电炉供暖，在没有外部损失的情
画在方框内， 若在体系外循 环，则在方框 外画一循环线 用方框表示热平衡 的对象，进出的能 量标于四周
外界供给的热量画于下面
第2章 节能原理
热力学第一定律的本质就是能量守恒和转换定律。 任何系统：能量守恒和转换定律可表示为：E1=ΔE+E2
ΔE
ΔE
热力系统：热力学第一定律可表示为： Q=ΔE+W 闭口系：与外界没有质量交换的热力系统。 开口系：与外界有质量交换的热力系统。 稳定流动系 ：其内流动不随时间变化的开口系 。 取一定体积内稳定流动的工质作为研究对象的热力系统，就是
第2章 节能原理
节能的目的是提高能量的利用效率 热力学第一定律：能量在“数量”上是守恒的，它既不会无故 （无中生有）产生，也不会无缘消失； 热力学第二定律：能量在“质量”上是有差异的，不同形式能 量间的转换存在“不等价”现象； 能量合理利用的原则，就是要求能量系统中的能量在数量上保 持平衡，在质量上合理匹配。 2.1 能量分析的基本概念 2.1.1 对能量的再认识 物理现象和实验告诉我们：能量在不同形式之间可以转换， 并且总量守恒。 描述能量的“数量”和“质量”上的转换规律总结为：热力 学第一定律和第二定律。
节能原理
节能原理与方法2 节能分析方法与原理2.1 节能分析方法（1）热力学第一定律分析法热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，数量不变。
热力学第一定律的具体应用方法及优缺点具体应用方法：用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越高说明节能潜力越大。
用能量平衡法将能量的来龙去脉搞清楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。
优缺点：优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起到重要作用。
缺点：仅反映能量数量上的守恒关系，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。
（2）热力学第二定律分析法热力学第二定律的基本内涵当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或蜕变，绝不可能提高。
能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量的全面本性。
热力学第二定律的应用方法有熵分析法和火用分析法。
由于熵分析法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且本身也不是一种能量，现在已被火用分析法取代。
火用分析法认为：能量=火用+ 火无火用是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量，而火无是一种不可能转化的能量形式。
火用主要是针对热提出的，即热量中最大能转化为功的部分。
采用火用分析法，能从本质上找出能量损失。
（3）热经济学20世纪60年代以来，在节能领域产生了将火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济学方法，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用。
第一定律和第二定律分析法，在方案比较中仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论。
热经济学分析法可以直接给出能效评价结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。
2.2 节能原理与方法（1）能量的相关概念按能量的作功能力，将其分为三大类：高级能量：理论上可完全转化为功的能量，如机械功、电能、水能等。
热力学第二定律 课件
答案：BCD
拓展二 热力学第一、第二定律的比较及两类永动机 的比较
1．一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，能不 能把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来？
提示：不可能，机械能和内能的转化过程具有方向性， 内能转化成机械能是有条件的．
2．什么是第二类永动机？为什么第二类永动机不可 能造成？
提示：能够从单一热源吸收热量并把它全部用来做 功，而不引起其他变化的热机称为第二类永动机．第二类 永动机不可能制成的原因是因为机械能和内能转化过程 具有方向性，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却 不能全部转化为机械能，而不引起其他变化．
提示：不会降低室内的平均温度．若将一台正在工作 的电冰箱的门打开，尽管可以不断向室内释放冷气，但同 时冰箱的箱体向室内散热，就整个房间来说，由于外界通 过导线不断有能量输入，室内的温度会不断升高．
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产 生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义．
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给 低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生 影响或借助其他物体提供能量等．
答案：B
热力学第二定律
知识点一 热力学第二定律的第一种表述
提炼知识 1．热力学第二定律： (1) 一 切 与 热 现 象 有 关 的 宏 观 自 然 过 程 都 是 不 可 逆 的．如物体间的传热，气体的膨胀、扩散……都有特定 的方向性． (2)反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二 定律．
2．热力学第二定律的第一种表述，克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体．
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观 过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面 的影响．如吸热、放热、做功等．
拓展二 热力学第一、第二定律的比较及两类永动机 的比较
1．一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，能不 能把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来？
提示：不可能，机械能和内能的转化过程具有方向性， 内能转化成机械能是有条件的．
2．什么是第二类永动机？为什么第二类永动机不可 能造成？
提示：能够从单一热源吸收热量并把它全部用来做 功，而不引起其他变化的热机称为第二类永动机．第二类 永动机不可能制成的原因是因为机械能和内能转化过程 具有方向性，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却 不能全部转化为机械能，而不引起其他变化．
提示：不会降低室内的平均温度．若将一台正在工作 的电冰箱的门打开，尽管可以不断向室内释放冷气，但同 时冰箱的箱体向室内散热，就整个房间来说，由于外界通 过导线不断有能量输入，室内的温度会不断升高．
1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”“不产 生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义．
(1)“自发地”是指热量从高温物体“自发地”传给 低温物体的方向性．在传递过程中不会对其他物体产生 影响或借助其他物体提供能量等．
答案：B
热力学第二定律
知识点一 热力学第二定律的第一种表述
提炼知识 1．热力学第二定律： (1) 一 切 与 热 现 象 有 关 的 宏 观 自 然 过 程 都 是 不 可 逆 的．如物体间的传热，气体的膨胀、扩散……都有特定 的方向性． (2)反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二 定律．
2．热力学第二定律的第一种表述，克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体．
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观 过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面 的影响．如吸热、放热、做功等．
热力学第二定律与热机效率
热力学第二定律与热机效率热力学第二定律是热力学中的基本定律之一，它与能量传递和转换有关，尤其涉及到热机的效率。
在本文中，我们将探讨热力学第二定律的基本原理以及热机效率的概念和计算方法。
一、热力学第二定律的基本原理热力学第二定律可以通过两种等价的形式进行陈述：克劳修斯陈述形式和开尔文陈述形式。
克劳修斯陈述形式表明，不可能将热量从低温物体完全转化为功而不产生其他影响。
具体而言，热量永远不能自行从冷的物体传递到热的物体，热量只能从热的物体传递到冷的物体。
开尔文陈述形式则强调，不可能创造一个永远只从单个热源吸热、不放热的周期过程。
换言之，不可能创造出一个热机，它的效率为100%，即完全将吸收的热量转化为功而不放热。
以上两种形式表明了热力学第二定律的特点，即它是热力学不可逆性的基础。
二、热机效率的概念和计算方法热机效率是衡量热机性能的重要指标之一。
热机效率定义为实际输出功与理论可能输出功之比。
具体计算方法如下：效率（η）= 实际输出功 / 热机输入热量其中，实际输出功是指热机从输入热量中获得的对外做功，而理论可能输出功则是指在理想情况下，热机所能获得的最大做功。
热机效率的理论上限由卡诺循环给出，即卡诺循环效率。
卡诺循环是一个完全可逆的循环过程，由两个等温和两个绝热过程组成。
卡诺循环效率可以通过两个热源的温度计算得到，公式如下：η_Carnot = 1 - T_C / T_H其中，T_C为低温热源的温度，T_H为高温热源的温度。
卡诺循环效率是一个理论上的上限，实际热机往往无法达到这个效率。
三、热机效率的应用和意义热机效率不仅在热力学和能源领域具有重要意义，而且在工程实践中也具有实际应用。
热机效率的提高对于能源利用的效益至关重要。
通过提高热机效率，我们可以减少能源的消耗和浪费，达到节能的目的。
在实际工程中，一些热能回收系统利用废热来产生额外的能量，提高整体能源的利用效率。
此外，热机效率的提高还与环境保护密切相关。
节能原理.ppt
由上式可知： ➢传递单位热量的热损失，不仅与温度差成正比，而且与高低温物质 温度的乘积成反比。 ➢ 传热将造成 减少，传热温差越大， 损失也越大；
➢ 当传热温差相同时，高温时的热损失比低温时小；
➢ 要求 损失一定时，温度水平高时允许选用较大的传热温差（如蒸汽 锅炉），温度水平低时允许选用较小的传热温差（如低温换热器）。
5.2 节能潜力分析方法
（1）第一定律分析法
运用热平衡原理，以热效率为基本准则，分析、评价用能设 备和系统能量有效利用状况的方法，习惯上也称之为焓分析法。
基本内容包括： ➢根据能量系统的热力学模型，建立系统的能量平衡； ➢根据能量平衡，计算热效率，用以评价用能系统的优劣； ➢计算各项热损失，找出热损失最大的薄弱环节和部位，从而 确定节能潜力所在。 不足之处：热效率与节能潜力之间很多时候是矛盾的。
0 0 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
T T0
能级只与温度 有关，而与物 质种类无关。 温度越高能级 越高，焓中具 有的 越大。
5.1 关于热力学的基础知识
（5）用能过程或能量转化过程中的能量损失
❖ 通常理解为：从用能设备或能量转换装置散失到外界环境中去的那 部分能量，对散失的能量并不区分哪些是可被转化利用的 ，哪些则不 具备这种品质 。 ❖正确理解：从能的使用价值考虑问题，主要指“ ”损失，既注意散 失到环境中去的“外部损失”，更要注重设备或过程中的“内部损失”， 特别是能量使用价值的丧失。多数情况下，能量损失主要是由内部损失 造成的，外部是表现，内部是外部损失的根源。 ❖不可逆过程的 损失。
一尺度。
▪ 高级能（功量）：
总能量
▪ 低级能（环境中）： ▪ 中级能（热量）：
➢ 热量的能级
➢ 当传热温差相同时，高温时的热损失比低温时小；
➢ 要求 损失一定时，温度水平高时允许选用较大的传热温差（如蒸汽 锅炉），温度水平低时允许选用较小的传热温差（如低温换热器）。
5.2 节能潜力分析方法
（1）第一定律分析法
运用热平衡原理，以热效率为基本准则，分析、评价用能设 备和系统能量有效利用状况的方法，习惯上也称之为焓分析法。
基本内容包括： ➢根据能量系统的热力学模型，建立系统的能量平衡； ➢根据能量平衡，计算热效率，用以评价用能系统的优劣； ➢计算各项热损失，找出热损失最大的薄弱环节和部位，从而 确定节能潜力所在。 不足之处：热效率与节能潜力之间很多时候是矛盾的。
0 0 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
T T0
能级只与温度 有关，而与物 质种类无关。 温度越高能级 越高，焓中具 有的 越大。
5.1 关于热力学的基础知识
（5）用能过程或能量转化过程中的能量损失
❖ 通常理解为：从用能设备或能量转换装置散失到外界环境中去的那 部分能量，对散失的能量并不区分哪些是可被转化利用的 ，哪些则不 具备这种品质 。 ❖正确理解：从能的使用价值考虑问题，主要指“ ”损失，既注意散 失到环境中去的“外部损失”，更要注重设备或过程中的“内部损失”， 特别是能量使用价值的丧失。多数情况下，能量损失主要是由内部损失 造成的，外部是表现，内部是外部损失的根源。 ❖不可逆过程的 损失。
一尺度。
▪ 高级能（功量）：
总能量
▪ 低级能（环境中）： ▪ 中级能（热量）：
➢ 热量的能级
第2章 热力学第一定律(中文课件)
郭煜《工程热力学与传热学 》
工程热力学与传热学
工程热力学 第二章 热力学第一定律
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第二章 热力学第一定律
内容要求:
掌握热力学能，储存能的含义 深刻理解热力学第一定律的实质 掌握热力学第一定律在闭口系统，开口系统中
能量方程式的形式 掌握体积变化功，流动功，技术功的含义及相
可忽略
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 对热力学能的几点说明
（1）热力学能的单位和符号：单位：焦耳 J，符号 U。 （2）比热力学能：单位质量物质的热力学能。 u, J / kg。
（3）热力学能是状态参数，是工质温度和比体积的函数。
u f (T , v), or u f (T , p),
2
u 1 du u2 u1 du 0
表述2：不花费能量就可以产生功的第一类永动机
（Perpetual motion machine of the first kind）
是永远不可能制造出来的。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-2-2 方程表达式
对于任意热力系统（开口，闭口），热力过程：
- 进入系统 的能量
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
功量，热量， 工质的储存能
热力学能，宏观动能， 宏观位能的变化。
热力学第一定律是人类在实践中积累的 经验的总结，不能用数学或其他理论证明。
思考题
郭煜《工程热力学与传热学 》
分析下面的说法是否正确
1. 自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守恒定律。 2. 遵守能量守恒与转换定律的一切过程都可以自发进行。 3. 热力学第一定律可用于任意系统，任意工质，任意过程。
工程热力学与传热学
工程热力学 第二章 热力学第一定律
郭煜 中国石油大学（北京）机械与储运工程学院
郭煜《工程热力学与传热学 》
第二章 热力学第一定律
内容要求:
掌握热力学能，储存能的含义 深刻理解热力学第一定律的实质 掌握热力学第一定律在闭口系统，开口系统中
能量方程式的形式 掌握体积变化功，流动功，技术功的含义及相
可忽略
郭煜《工程热力学与传热学 》
2. 对热力学能的几点说明
（1）热力学能的单位和符号：单位：焦耳 J，符号 U。 （2）比热力学能：单位质量物质的热力学能。 u, J / kg。
（3）热力学能是状态参数，是工质温度和比体积的函数。
u f (T , v), or u f (T , p),
2
u 1 du u2 u1 du 0
表述2：不花费能量就可以产生功的第一类永动机
（Perpetual motion machine of the first kind）
是永远不可能制造出来的。
郭煜《工程热力学与传热学 》
2-2-2 方程表达式
对于任意热力系统（开口，闭口），热力过程：
- 进入系统 的能量
离开系统 的能量
=
系统储存 能量的变化
功量，热量， 工质的储存能
热力学能，宏观动能， 宏观位能的变化。
热力学第一定律是人类在实践中积累的 经验的总结，不能用数学或其他理论证明。
思考题
郭煜《工程热力学与传热学 》
分析下面的说法是否正确
1. 自然界中发生的一切过程都必须遵守能量守恒定律。 2. 遵守能量守恒与转换定律的一切过程都可以自发进行。 3. 热力学第一定律可用于任意系统，任意工质，任意过程。
热力学第二定律的微观解释、能源和可持续发展 课件
归纳总结 能量耗散不仅遵循能量守恒定律,而且从能量的角度 反映出自然界的宏观过程具有方向性。
小。
二、能源和可持续发展 1.能量耗散和品质降低。 (1)能量耗散:有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能,即成为 更加分散因而也是无序度更大的能量,流散到环境中无法重新收集 起来加以利用的现象。 (2)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的 降低,实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的 低品质形式。
(2)热力学第二定律的微观意义: 热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能 在一个方向上发生,而不会可逆地在相反的方向上出现,它指出在 能量得以平衡的众多过程中,哪些可能发生,哪些不可能发生。自 然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的,宏观自发过程的这 种方向性(熵增加的方向),也就成为时间的方向性。所以,熵又被称 为“时间箭头”。
2.对热力学第二定律微观意义的理解 (1)热力学第二定律的微观解释: 高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动,但是高温 物体中分子热运动的平均速率较大,所以在高温物体分子与低温物 体分子的碰撞过程中,低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧, 即低温物体的温度升高。而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓, 即高温物体的温度降低。所以从宏观热现象角度来看,热传递具有 方向性,总是从高温物体传给低温物体。换一种角度看,初始我们 根据温度的高低来区分两个物体,而最终状态是两个物体上的温度 处处相同,无法区别,我们就说系统的无序程度增加了。 同理可知,在通过做功使系统内能增加的过程中,自然过程是大 量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程。
能源分 类方法
按可否 再生分
按对环 境污染 情况分
能源分类 名称 可再生能 源 不可再生 能源
节能原理与技术(第2章 节能原理)
第2章 节能原理
能量利用经济性指标
收益 效率 代价
效率。
从能量“质量”的角度考虑，效率通常用
对于动力循环，如果循环所做的功为W，从高温热源 吸收的热量为Q1，则循环的 效率 ex 为：
ex
Ex ,W Ex ,Q1
对于制冷循环，如果循环所消耗的功为W，从低温热 源吸收的热量为Q2，则循环的 效率 ex 为：
注意：节流过程焓值并非处处相等
广东海洋大学能源与动力工程学科
第2章 节能原理
热力学第一定律揭示规律
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？
广东海洋大学能源与动力工程学科
第2章 节能原理
2.3 热力学第二定律
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。 热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势 不同气体的混合过程、燃烧过程 …… 自发过程是 不可逆的
广东海洋大学能源与动力工程学科
第2章 节能原理
2、动力机械 各种热力发动机，如 燃气轮机、蒸汽轮机等， 都是利用工质膨胀作功， 对外输出轴功 ws 。
1 2 q h c f g z ws 2
由于采取了良好的保温隔热措施，通过设备外壳的 散热量极少，认为绝热过程，即q=0，且动能、位能的 变化可以忽略，则有：
1 2 2 膨胀功 w ( p2 2 p11 ) (c f 2 c f 1 ) g ( z2 z1 ) ws 2 因此 w ( p22 p11 ) wt
广东海洋大学能源与动力工程学科
第2章 节能原理
膨胀功 w ( p22 p11 ) wt
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AQ Q WA,max T0 Q / T
可逆过程 S S2 S1 Q / T
EQ Q T0 (S2 S1)
AQ T0 (S2 S1)
(3)热量的 和
• 热源温度恒定：
EQ
(1
T0 T
)Q
Q Q T0 T
AQ
Q
T0 T
• 热源温度变化：
EQ
mc
p
(1
T0 T
)T
AQ
mcp
T0 T
T
(4)热量的 和
当系统温度低于环境温度 (T<T0) 时，热量 可以设想一个工作在环境和物系温度之间的可 逆热机 T<T0 T
-δQ
可逆机
δWA
δQ0 T0
(4)热量的 和
Q0 Q WA
Q0 Q
T0
T
yong 把在周围环境条件下，任一形式的能 量中理论上能够转换为有用功的那部分能量
wu 能量中不能够转化为有用功的那部分能 量
能量 ＝ ＋
2.4.2物系与环境的基准状态
物理基准态 –基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC） –基准压力，环境压力，p0＝1atm –基准相态 化学基准态 化学能量（ ）是由于系统的组成物质及
在稳定流动的条件下， dU系统＝0，δm1＝ δ m2
能量衡算式为
Q H mc2 / 2 mgz W
对于单位质量为
对于多股物质流进出开口体系时
Q out mi (h c2 / 2 gz)i in mi (h c2 / 2 gz)i W
2.3 和热力学第二定律
环境状态下，c0＝0，z0＝0，积分得稳定流动系统的 为
e wA,max h h0 T0(s s0) c2 / 2 gz
相应的 为
a h0 T0(s s0 )
不考虑宏 (h h0 ) T0(s s0 )
aq T0s (273 27) (0.5505 ) 165 .1(kJ / kg)
所获冷量的 为：
eq q T0s 127 .0 (165 .1) 38.1(kJ / kg)
2.4.5 封闭系统的
• 定义：任一封闭系统从给定状态以可逆的方式转 变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出 的最大有用功。
空气在吸收热量过程中熵的变化为：
s cp ln(T2 / T1) 1.004 ln[(273 427) /(273127)] 0.5619[(kJ /(kg K)] 所加热量中的 为：
aq T0s (273 27) 0.5619 168 .6(kJ / kg)
T
dS产
Q0
T0
WA
Q
T0 T
Q
T0dS产
Q
WA Q T0 T T0S产
T δQ
可逆机
δWA
-δQ0 T0 （T>T0）
（可逆 S产 0 ）
(2)热量的 和
对于可逆热机，ΔS产＝0，那么
EQ WA,max Q T0 Q / T (1T0 / T )Q
AT
BT
BQir BQr S
AT
AT
得：S BQ AT
或
dS Q
T
不可逆 可逆
S S2 S1 Q / T S产
可逆 ΔS产＝0 不可逆 ΔS产 >0
——热力学第二定律的数学表达式
熵增原理及平衡的熵判据
➢ 绝热过程，δQ=0，则有
0 f
)
j
Rni
(S
0 f
)i
最大有用功也可以直接用自由焓计算
WA,m a x
G0
Rni
(G
0 f
)i
Pn j
(G0f ) j
例2－5
在298.15K和1atm下， CO和O2进行燃烧反应生成CO2。反 应前反应物不混合，试求此化学反应的最大反应有用功。
解：
CO ＋ O2/2 CO2
例如：龟山－吉田模型
–基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC） –基准压力，环境压力，p0＝1atm – 大气中气态基准物组成：
组分 N2
O2
H2O
组成％ 75.60 20.34 3.12
CO2 0.03
Ar Ne
He
0.91 0.0018 0.00052
–其它元素以在T0、P0下纯态最稳定的物质作为基准 物。
解：空气获得的冷量为：
q cp (T2 T1) 1.0(100 27) 127 (kJ / kg)
空气在冷却过程中熵的变化为：
s cp ln(T2 / T1) 1.0 ln[(273100) /(273 27)] 0.5505[(kJ /(kg K)] 空气所获冷量的 为：
(7)热量 和
• 例2－2（P43）把100kPa、127oC的1kg空气可逆加热到 427oC，试求所加热量中的 和 。空气的平均定压比 热容cp＝1.004kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。
解：空气吸收的热量为：
q cp (T2 T1) 1.004 (427 127 ) 301 .2(kJ / kg)
2.4.6 稳定流动系统的
稳定物流从一给定的状态经开口系统，以可逆的方式 转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做 出的最大有用功，称为稳定流动系统的 。
稳定流动的能量方程
q0 dh dc2 / 2 gdz wA
熵方程
q0 / T0＝ds
因此，稳定流动的系统的 为
de wA,max dh T0ds dc2 / 2 gdz
WA
Q
T0 T
Q
WA Q T0
Q
T
T<T0 T -δQ
可逆机
δWA
δQ0 T0
(4)热量的 和
当系统温度低于环境温度 (T<T0) 时，
和 的表达式为：
EQ
(1 T0 )Q
T
AQ Q EQ T0
Q
T
T<T0 T -δQ
可逆机
δWA
体系得到热量（Q>0)时， （EQ<0）；
2.2 能量与热力学第一定律
输入系统的能量－输出系统的能量 ＝ 系统储存能量的变化
一般开口系统的能量衡算式：
δQ
δm1
δm2
δW Q m2 (h2 c2 / 2 gz2 )
m1(h1 c12 / 2 gz1) W dU系统
式中 h u pv
稳定流动体系的系统能量衡算式
2.1 基本概念
• 热力系统 • 平衡状态 • 状态参数（温度、压力、比容和密度、内
等）和状态方程 • 功和热 • 可逆过程
2.2 能量与热力学第一定律
输入系统的能量－输出系统的能量 ＝ 系统储存能量的变化
闭口系统能量衡算
ΔU ＝ Q - W
单位质量形式 Δu ＝ q － w
微分形式
du ＝ δq － δ w
S Q / T S产
可逆时，ΔS产＝0，系统做出的最大有用功为
WA,max (H TS )
从反应物(1)到产物(2)，ΔS＝S2－S1， ΔH＝H2－H1，那么
WA,max (H TS ) [(H2 TS2 ) (H1 TS1)] (G2 G1) G
• 热力学第二定律的表述
–克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高 温物体而不引起其它变化。
–开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量使之 完全变为有用功而不产生其它影响。
–普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循 环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。
• 卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T) • 熵的概念和孤立系统的熵增原理
体系放出热量（Q<0)时， （EQ>0）
减小 增大
δQ0 T0
(5)热量的 和
• 温度低于环境温度时，热量 和 在T－S图 上的表示
EQ Q
(6)热量
单位热量的 与温度的关系
EQ /Q
和
EQ
(1
T0 T
)Q
T≥T0，热量 小于热量； T<T0，冷量 可以小于、等于、 甚至大于热量本身。
温差传热要引起 损失，在温差相同、传热量相同条 件下，低温时的 损失，要比高温时大得多。
由给定的状态到环境状态积分得 e wA,max u u0 p0(v v0 ) T0(s s0 )
封闭系统的 为 a u e u0 p0(v v0 ) T0(s s0 )
封闭系统从状态1 到状态2 所能作得最大有用功： wA,max e1 e2 (u1 u2 ) p0(v1 v2 ) T0(s1 s2 )
• 能量：宏观动能、位能和内能。
宏观动能和位能
内能 的计算如下：
p、T、u、s
δq 可逆
p0、T0、u0、s0
封闭系统在此过程中的能量方程为： q du p0dv wA,max
在可逆过程中 ds q/T0 即： q T0ds
因此，封闭系统的 为
de wA,max du p0dv T0ds
2.4 能量的 计算
2.4.1 yong(Exergy)和 wu(Anergy)的提出
• 能量的分类（不同形式的能量之间的转化）
–第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电 能等
可逆过程 S S2 S1 Q / T
EQ Q T0 (S2 S1)
AQ T0 (S2 S1)
(3)热量的 和
• 热源温度恒定：
EQ
(1
T0 T
)Q
Q Q T0 T
AQ
Q
T0 T
• 热源温度变化：
EQ
mc
p
(1
T0 T
)T
AQ
mcp
T0 T
T
(4)热量的 和
当系统温度低于环境温度 (T<T0) 时，热量 可以设想一个工作在环境和物系温度之间的可 逆热机 T<T0 T
-δQ
可逆机
δWA
δQ0 T0
(4)热量的 和
Q0 Q WA
Q0 Q
T0
T
yong 把在周围环境条件下，任一形式的能 量中理论上能够转换为有用功的那部分能量
wu 能量中不能够转化为有用功的那部分能 量
能量 ＝ ＋
2.4.2物系与环境的基准状态
物理基准态 –基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC） –基准压力，环境压力，p0＝1atm –基准相态 化学基准态 化学能量（ ）是由于系统的组成物质及
在稳定流动的条件下， dU系统＝0，δm1＝ δ m2
能量衡算式为
Q H mc2 / 2 mgz W
对于单位质量为
对于多股物质流进出开口体系时
Q out mi (h c2 / 2 gz)i in mi (h c2 / 2 gz)i W
2.3 和热力学第二定律
环境状态下，c0＝0，z0＝0，积分得稳定流动系统的 为
e wA,max h h0 T0(s s0) c2 / 2 gz
相应的 为
a h0 T0(s s0 )
不考虑宏 (h h0 ) T0(s s0 )
aq T0s (273 27) (0.5505 ) 165 .1(kJ / kg)
所获冷量的 为：
eq q T0s 127 .0 (165 .1) 38.1(kJ / kg)
2.4.5 封闭系统的
• 定义：任一封闭系统从给定状态以可逆的方式转 变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出 的最大有用功。
空气在吸收热量过程中熵的变化为：
s cp ln(T2 / T1) 1.004 ln[(273 427) /(273127)] 0.5619[(kJ /(kg K)] 所加热量中的 为：
aq T0s (273 27) 0.5619 168 .6(kJ / kg)
T
dS产
Q0
T0
WA
Q
T0 T
Q
T0dS产
Q
WA Q T0 T T0S产
T δQ
可逆机
δWA
-δQ0 T0 （T>T0）
（可逆 S产 0 ）
(2)热量的 和
对于可逆热机，ΔS产＝0，那么
EQ WA,max Q T0 Q / T (1T0 / T )Q
AT
BT
BQir BQr S
AT
AT
得：S BQ AT
或
dS Q
T
不可逆 可逆
S S2 S1 Q / T S产
可逆 ΔS产＝0 不可逆 ΔS产 >0
——热力学第二定律的数学表达式
熵增原理及平衡的熵判据
➢ 绝热过程，δQ=0，则有
0 f
)
j
Rni
(S
0 f
)i
最大有用功也可以直接用自由焓计算
WA,m a x
G0
Rni
(G
0 f
)i
Pn j
(G0f ) j
例2－5
在298.15K和1atm下， CO和O2进行燃烧反应生成CO2。反 应前反应物不混合，试求此化学反应的最大反应有用功。
解：
CO ＋ O2/2 CO2
例如：龟山－吉田模型
–基准温度，环境温度，T0＝298.15K（25oC） –基准压力，环境压力，p0＝1atm – 大气中气态基准物组成：
组分 N2
O2
H2O
组成％ 75.60 20.34 3.12
CO2 0.03
Ar Ne
He
0.91 0.0018 0.00052
–其它元素以在T0、P0下纯态最稳定的物质作为基准 物。
解：空气获得的冷量为：
q cp (T2 T1) 1.0(100 27) 127 (kJ / kg)
空气在冷却过程中熵的变化为：
s cp ln(T2 / T1) 1.0 ln[(273100) /(273 27)] 0.5505[(kJ /(kg K)] 空气所获冷量的 为：
(7)热量 和
• 例2－2（P43）把100kPa、127oC的1kg空气可逆加热到 427oC，试求所加热量中的 和 。空气的平均定压比 热容cp＝1.004kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。
解：空气吸收的热量为：
q cp (T2 T1) 1.004 (427 127 ) 301 .2(kJ / kg)
2.4.6 稳定流动系统的
稳定物流从一给定的状态经开口系统，以可逆的方式 转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做 出的最大有用功，称为稳定流动系统的 。
稳定流动的能量方程
q0 dh dc2 / 2 gdz wA
熵方程
q0 / T0＝ds
因此，稳定流动的系统的 为
de wA,max dh T0ds dc2 / 2 gdz
WA
Q
T0 T
Q
WA Q T0
Q
T
T<T0 T -δQ
可逆机
δWA
δQ0 T0
(4)热量的 和
当系统温度低于环境温度 (T<T0) 时，
和 的表达式为：
EQ
(1 T0 )Q
T
AQ Q EQ T0
Q
T
T<T0 T -δQ
可逆机
δWA
体系得到热量（Q>0)时， （EQ<0）；
2.2 能量与热力学第一定律
输入系统的能量－输出系统的能量 ＝ 系统储存能量的变化
一般开口系统的能量衡算式：
δQ
δm1
δm2
δW Q m2 (h2 c2 / 2 gz2 )
m1(h1 c12 / 2 gz1) W dU系统
式中 h u pv
稳定流动体系的系统能量衡算式
2.1 基本概念
• 热力系统 • 平衡状态 • 状态参数（温度、压力、比容和密度、内
等）和状态方程 • 功和热 • 可逆过程
2.2 能量与热力学第一定律
输入系统的能量－输出系统的能量 ＝ 系统储存能量的变化
闭口系统能量衡算
ΔU ＝ Q - W
单位质量形式 Δu ＝ q － w
微分形式
du ＝ δq － δ w
S Q / T S产
可逆时，ΔS产＝0，系统做出的最大有用功为
WA,max (H TS )
从反应物(1)到产物(2)，ΔS＝S2－S1， ΔH＝H2－H1，那么
WA,max (H TS ) [(H2 TS2 ) (H1 TS1)] (G2 G1) G
• 热力学第二定律的表述
–克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高 温物体而不引起其它变化。
–开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量使之 完全变为有用功而不产生其它影响。
–普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循 环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。
• 卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T) • 熵的概念和孤立系统的熵增原理
体系放出热量（Q<0)时， （EQ>0）
减小 增大
δQ0 T0
(5)热量的 和
• 温度低于环境温度时，热量 和 在T－S图 上的表示
EQ Q
(6)热量
单位热量的 与温度的关系
EQ /Q
和
EQ
(1
T0 T
)Q
T≥T0，热量 小于热量； T<T0，冷量 可以小于、等于、 甚至大于热量本身。
温差传热要引起 损失，在温差相同、传热量相同条 件下，低温时的 损失，要比高温时大得多。
由给定的状态到环境状态积分得 e wA,max u u0 p0(v v0 ) T0(s s0 )
封闭系统的 为 a u e u0 p0(v v0 ) T0(s s0 )
封闭系统从状态1 到状态2 所能作得最大有用功： wA,max e1 e2 (u1 u2 ) p0(v1 v2 ) T0(s1 s2 )
• 能量：宏观动能、位能和内能。
宏观动能和位能
内能 的计算如下：
p、T、u、s
δq 可逆
p0、T0、u0、s0
封闭系统在此过程中的能量方程为： q du p0dv wA,max
在可逆过程中 ds q/T0 即： q T0ds
因此，封闭系统的 为
de wA,max du p0dv T0ds
2.4 能量的 计算
2.4.1 yong(Exergy)和 wu(Anergy)的提出
• 能量的分类（不同形式的能量之间的转化）
–第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电 能等