第二章 节能的热力学原理 黑
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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）。
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。
第二章 节能的热力学原理
第2章 节能的热力学原理与方法 章
1
第2章 节能的热力学原理与方法 章
2.1 节能观念的沿革（概念的变革） 节能观念的沿革（概念的变革） 以合成氨为例： 以合成氨为例： 五十年代前：凡是工艺上需要热量的地方——蒸汽加 (1) 五十年代前：凡是工艺上需要热量的地方 蒸汽加 冷却——水、冰机。把合成塔仅仅看作一个反应 热；冷却 水 冰机。 工艺技术人员将动力作为一个要求， 器，工艺技术人员将动力作为一个要求，我这儿需要动 力你动力车间给我。 力你动力车间给我。 五十年代后： (2) 五十年代后：唯一讲一点节能是维持合成塔自热生产 出塔气与入塔气换热）。 （出塔气与入塔气换热）。 目前：大型合成氨厂如沧化——美国凯洛格公司技术。 美国凯洛格公司技术。 (3) 目前：大型合成氨厂如沧化 美国凯洛格公司技术 将合成塔既看成一个反应器，又看成一个锅炉： 将合成塔既看成一个反应器，又看成一个锅炉：
dEx , ph = dH − To dS （A） 其中： dH = ∂H dT + ∂H dP 由 dH = VdP + TdS
∂T P ∂P T
得：
∂H ∂S =V +T ∂P T ∂P T
麦氏关系
∂S ∂V = − ∂P T ∂T P
N 2 + 3H 2 = 2 NH 3 + Q (反应器) 反应器) 锅炉) C + O2 = CO2 + Q (锅炉)
动力蒸汽由废热锅炉生产，能耗降低三分之一， 动力蒸汽由废热锅炉生产，能耗降低三分之一，电耗降低 2 个数量级。 2个数量级。
2.2 节能中常用的热力学方法 基于热力学第一定律的分析方法——热量衡算（能量衡算） 热量衡算（ (1) 基于热力学第一定律的分析方法 热量衡算 能量衡算） 即第一定律分析方法。 即第一定律分析方法。依据 ∑ H + = ∑ H − 例1：如右图所示某化工过程：Q+H1=H2。 如右图所示某化工过程： 可以发现局部损失——跑、冒、滴、漏等。 漏等。 可以发现局部损失 跑 看化热136页例5 136页例 例2：看化热136页例5-16 。 基于热力学第二定律的分析方法（实际是第一、 (2) 基于热力学第二定律的分析方法（实际是第一、第二定律联 合使用）。 合使用）。 W 熵平衡法。依据： 平衡。 ① 熵平衡法。依据： L =+ T0 ∆S g−。熵平衡法实质是火无平衡。 ∑ 平衡法。依据： ② 火用平衡法。依据： E X = ∑ E X + ∑WL 通过火用平衡法发现内 在的损失——节能的关键。 节能的关键。 在的损失 节能的关键 对于一个节流过程： 例3：对于一个节流过程： T1P1 T2 P2 。 由第一定律： 节能潜力为零； 由第一定律：H1=H2，节能潜力为零； 由第二定律：EX1>EX2 有节能潜力。(∵P1>P2) ∴WL= EX1-EX2。 由第二定律： 有节能潜力。 节能的根本潜力——减少火用 损失。 损失。 节能的根本潜力 减少 3 (3)夹点技术 适用于过程系统的设计和节能改造。 夹点技术。 (3)夹点技术。适用于过程系统的设计和节能改造。
1
第2章 节能的热力学原理与方法 章
2.1 节能观念的沿革（概念的变革） 节能观念的沿革（概念的变革） 以合成氨为例： 以合成氨为例： 五十年代前：凡是工艺上需要热量的地方——蒸汽加 (1) 五十年代前：凡是工艺上需要热量的地方 蒸汽加 冷却——水、冰机。把合成塔仅仅看作一个反应 热；冷却 水 冰机。 工艺技术人员将动力作为一个要求， 器，工艺技术人员将动力作为一个要求，我这儿需要动 力你动力车间给我。 力你动力车间给我。 五十年代后： (2) 五十年代后：唯一讲一点节能是维持合成塔自热生产 出塔气与入塔气换热）。 （出塔气与入塔气换热）。 目前：大型合成氨厂如沧化——美国凯洛格公司技术。 美国凯洛格公司技术。 (3) 目前：大型合成氨厂如沧化 美国凯洛格公司技术 将合成塔既看成一个反应器，又看成一个锅炉： 将合成塔既看成一个反应器，又看成一个锅炉：
dEx , ph = dH − To dS （A） 其中： dH = ∂H dT + ∂H dP 由 dH = VdP + TdS
∂T P ∂P T
得：
∂H ∂S =V +T ∂P T ∂P T
麦氏关系
∂S ∂V = − ∂P T ∂T P
N 2 + 3H 2 = 2 NH 3 + Q (反应器) 反应器) 锅炉) C + O2 = CO2 + Q (锅炉)
动力蒸汽由废热锅炉生产，能耗降低三分之一， 动力蒸汽由废热锅炉生产，能耗降低三分之一，电耗降低 2 个数量级。 2个数量级。
2.2 节能中常用的热力学方法 基于热力学第一定律的分析方法——热量衡算（能量衡算） 热量衡算（ (1) 基于热力学第一定律的分析方法 热量衡算 能量衡算） 即第一定律分析方法。 即第一定律分析方法。依据 ∑ H + = ∑ H − 例1：如右图所示某化工过程：Q+H1=H2。 如右图所示某化工过程： 可以发现局部损失——跑、冒、滴、漏等。 漏等。 可以发现局部损失 跑 看化热136页例5 136页例 例2：看化热136页例5-16 。 基于热力学第二定律的分析方法（实际是第一、 (2) 基于热力学第二定律的分析方法（实际是第一、第二定律联 合使用）。 合使用）。 W 熵平衡法。依据： 平衡。 ① 熵平衡法。依据： L =+ T0 ∆S g−。熵平衡法实质是火无平衡。 ∑ 平衡法。依据： ② 火用平衡法。依据： E X = ∑ E X + ∑WL 通过火用平衡法发现内 在的损失——节能的关键。 节能的关键。 在的损失 节能的关键 对于一个节流过程： 例3：对于一个节流过程： T1P1 T2 P2 。 由第一定律： 节能潜力为零； 由第一定律：H1=H2，节能潜力为零； 由第二定律：EX1>EX2 有节能潜力。(∵P1>P2) ∴WL= EX1-EX2。 由第二定律： 有节能潜力。 节能的根本潜力——减少火用 损失。 损失。 节能的根本潜力 减少 3 (3)夹点技术 适用于过程系统的设计和节能改造。 夹点技术。 (3)夹点技术。适用于过程系统的设计和节能改造。
(4)热力学第二章1
U是状态参数，闭合积分为0 得到
W Q
循环过程闭口系能量方程式
在一个动力循环中，加入系统的净热量 等于输出的净功量；在一个逆向循环中，系 统放出的净热量等于输入的净功量。 Qnet ＝ Wnet 或 qnet ＝ wnet
特例闭口系能量方程式
Q = dU + W
Q=U+W 绝功系
闭口系统能量方程式
设闭口系统由于温差与 外界交换的热量为Q， 对外作功为W，系统从 状态1变化到状态2
闭口系统与外界无质量交 换；则系统的储存能的增 加为 TH
Q
1
热力系统 W
外界
EC
M1
2
边界 EC
M2
Q W ECM 离开系统的 ECM 2 ECM 1 U E k Ep 进入系统的 系统储存能量 = 能量 能量 的变化
2-2 热力学能和总能
内部储存能
系统储存的能量
外部储存能
内部储存能：只取决于系统本身（内部）的状态
外部储存能：与系统整体运动以及外界重力场有关
内 能
储存于系统内部的能量，称为内能。它与系 统内工质的内部粒子的微观运动和粒子空间位形 有关。 移动 内动能 转动 振动 内位能 内能 化学能 原子能
内能分析
可逆闭口系能量方程
简单可压缩系可逆过程
Q = TdS TdS = dU + pdV
TdS = U + pdV
q = Tds Tds = du + pdv Tds = u + pdv
循环过程闭口系能量方程式
Q = dU + W
p
4 3
1 2 v
∮δQ=∮dU＋ ∮δW
W Q
循环过程闭口系能量方程式
在一个动力循环中，加入系统的净热量 等于输出的净功量；在一个逆向循环中，系 统放出的净热量等于输入的净功量。 Qnet ＝ Wnet 或 qnet ＝ wnet
特例闭口系能量方程式
Q = dU + W
Q=U+W 绝功系
闭口系统能量方程式
设闭口系统由于温差与 外界交换的热量为Q， 对外作功为W，系统从 状态1变化到状态2
闭口系统与外界无质量交 换；则系统的储存能的增 加为 TH
Q
1
热力系统 W
外界
EC
M1
2
边界 EC
M2
Q W ECM 离开系统的 ECM 2 ECM 1 U E k Ep 进入系统的 系统储存能量 = 能量 能量 的变化
2-2 热力学能和总能
内部储存能
系统储存的能量
外部储存能
内部储存能：只取决于系统本身（内部）的状态
外部储存能：与系统整体运动以及外界重力场有关
内 能
储存于系统内部的能量，称为内能。它与系 统内工质的内部粒子的微观运动和粒子空间位形 有关。 移动 内动能 转动 振动 内位能 内能 化学能 原子能
内能分析
可逆闭口系能量方程
简单可压缩系可逆过程
Q = TdS TdS = dU + pdV
TdS = U + pdV
q = Tds Tds = du + pdv Tds = u + pdv
循环过程闭口系能量方程式
Q = dU + W
p
4 3
1 2 v
∮δQ=∮dU＋ ∮δW
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
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。
人教版高中物理《热力学第二定律》优秀PPT课件
四、永动机不可能制成 1、 第二类永动机
概念：从单一热源吸收热量，全部用来做功 而不引起其它变化。（马儿吃草全部消化吸收）
结果：无一例外地归于失败。 原因：违背了跟热现象相联系的宏观自然过 程具有方向性的规律（热力学第二定律）。
2、热力学第二定律的另一种表达：第二类永 动机是不可能造成的。
热力学第二定律得其他描述： 1、一切宏观自然过程的进行都具有方向性。 2、气体向真空的自由膨胀是不可逆的。
即：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产 生其他影响。
在整个自然界中，无论是他有生命的还是
无生命的，所有的宏观自发过程都具有单 向性，都有一定的方向性，都是一种不可 空想会想出很多绝妙的主意，但却办不成任何事情。
不大可能的事也许今天实现，根本不可能的事也许明天会实现。 我成功因为我志在成功！
逆过程。如河水向下流，重物向下落，山 再冷的石头，坐上三年也会暖。
如果我们想要更多的玫瑰花，就必须种植更多的玫瑰树。
岳被侵蚀，人的一生从婴儿到老年到死亡 辛勤的蜜蜂永没有时间悲哀。汽车坐垫布莱克
推销产品要针对顾客的心，不要针对顾客的头。 若不给自己设限，则人生中就没有限制你发挥的藩篱。
等。
机械能与内能转化的方向性的进一步讨论
热机：是一种把内能转化为机械能的装置。(汽油 机、柴油机、蒸汽轮机、喷气发动机等）
自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高．
（2）开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 按此设想就可制成一种无功致冷机，它无需消耗功就能致冷。
通过摩擦而使功转变为热的过程是不可逆的。
B．热量不可能由高温物体传递给低温物体 按此设想就可制成一种无功致冷机，它无需消耗功就能致冷。
热力学第二定律的微观解释 课件
地球最清洁的能源。
2.生物质能:生物质能是指绿色植物通过光合作用储存在生物
体内的太阳能,储存形式是生物分子的化学能。
3.风能和水能:利用风力发电是开发风能的重要形式。水的流
动具有能量,水电站是利用水能的重要形式。
对能源的认识
1.如何正确理解能量耗散和品质降低
(1)各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散
运行的物质基础,它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。
2.煤和石油等化石能源的大量使用,带来了严重的环境污染问
题,直接的污染是大气污染和水污染,引起的后果是温室效应和酸雨。
3.可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡,其中,最
重要的两个方面是资源和环境保护。
三、开发新能源
1.太阳能:太阳以其巨大的、无穷无尽的辐射能量的形式供给
的能源是人们努力的方向,利用潮汐发电即为一例。如图是利用潮
汐发电的简单示意图,左边为陆地和海湾,中间为大坝,其下有通道,
水经通道可带动发电机。涨潮时,水进入海湾,待内外水面高度相同,
堵住通道,如图甲所示;潮落至最低点时放水发电,如图乙所示;待内
外水面高度相同,再堵住通道,直到下次涨潮至最高点,又放水发电,
有新的利用方
式
新能源
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
清洁能
源
污染能
源
特点
可循环使用
短期内无法转
换获得
对环境基本上
没有污染
会严重污染环
境
举例
水能、风能、生物质
能、地热能
2.生物质能:生物质能是指绿色植物通过光合作用储存在生物
体内的太阳能,储存形式是生物分子的化学能。
3.风能和水能:利用风力发电是开发风能的重要形式。水的流
动具有能量,水电站是利用水能的重要形式。
对能源的认识
1.如何正确理解能量耗散和品质降低
(1)各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散
运行的物质基础,它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。
2.煤和石油等化石能源的大量使用,带来了严重的环境污染问
题,直接的污染是大气污染和水污染,引起的后果是温室效应和酸雨。
3.可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡,其中,最
重要的两个方面是资源和环境保护。
三、开发新能源
1.太阳能:太阳以其巨大的、无穷无尽的辐射能量的形式供给
的能源是人们努力的方向,利用潮汐发电即为一例。如图是利用潮
汐发电的简单示意图,左边为陆地和海湾,中间为大坝,其下有通道,
水经通道可带动发电机。涨潮时,水进入海湾,待内外水面高度相同,
堵住通道,如图甲所示;潮落至最低点时放水发电,如图乙所示;待内
外水面高度相同,再堵住通道,直到下次涨潮至最高点,又放水发电,
有新的利用方
式
新能源
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
清洁能
源
污染能
源
特点
可循环使用
短期内无法转
换获得
对环境基本上
没有污染
会严重污染环
境
举例
水能、风能、生物质
能、地热能
《热力学第二定律》 讲义
《热力学第二定律》讲义在我们探索自然界的奥秘时，热力学定律就像是指引我们前进的明灯。
而其中的热力学第二定律，更是具有极其重要的地位和深远的意义。
让我们先来了解一下热力学第二定律的基本表述。
它通常有两种常见的表述方式。
一种是克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
想象一下，在寒冷的冬天，如果没有外界的干预，比如空调、暖气等，热量不会自动地从寒冷的室外传到温暖的室内。
另一种是开尔文表述：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他影响。
这就好比一台热机，它在工作时，不可能将从热源吸收的热量全部转化为有用的机械功，总会有一部分热量散失掉。
为什么热力学第二定律如此重要呢？这是因为它揭示了自然界中能量转化和传递的方向性。
在我们的日常生活中，很多现象都可以用热力学第二定律来解释。
比如，一个混乱的房间，如果没有人去整理，它不会自动变得整齐有序；一杯热水放在桌子上，会逐渐冷却，而不会自己变得更热。
从微观角度来看，热力学第二定律与熵的概念紧密相连。
熵是用来描述系统混乱程度的一个物理量。
简单来说，一个系统越混乱，熵值就越大。
根据热力学第二定律，在一个孤立系统中，熵总是倾向于增加，或者保持不变，但永远不会减少。
这意味着，自然界的一切自发过程，都是朝着熵增加的方向进行的。
举个例子，把一堆不同颜色的小球随意地放在一个盒子里，这是一个相对混乱的状态，熵值较大。
如果要把它们按照颜色整齐地排列，就需要外界对这个系统做功，比如有人花费时间和精力去整理。
而如果没有人干预，这些小球只会越来越混乱，熵值不断增大。
再比如，燃烧燃料产生能量的过程。
燃料燃烧时，分子的有序结构被打破，转化为无序的热能和废气。
这个过程中熵增加了，如果想要将这些废气和热能重新转化为燃料的有序结构，是极其困难的，甚至在实际中几乎是不可能的。
热力学第二定律对于工程技术和实际应用也有着重要的指导意义。
在热机的设计和改进中，工程师们必须考虑到热力学第二定律的限制。
化工节能原理课程2
可逆机
温物体而不引起其他变化。
9 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他影响。 9 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。
D T 2 ， Q2 卡诺循环
W
●
C V
卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T) z 熵的概念和孤立系统的熵增原理
可逆时，∆S产＝0，系统做出的最大有用功为
从状态1 到状态2 所能完成的最大有用功
为
从反应物(1)到产物(2)，ΔS＝S2－S1， ΔH＝H2－H1，那么
5
在标准态（298.15K，1atm）进行反应时， 化学反应的最大有用功为
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 Æ CO2
标准生成焓和标准熵 C O2 CO2 (∆Hf0)i/(kJ/kmol) 0 0 -393800 Si0/[kJ/kmol•K)] 5.69 205.03 213.64
【例2－7】
【例2－8】
试用龟山－吉田环境模型求甲烷CH4气体的标准化学 解：甲烷的生成反应方程式为：C + 2H2 Æ CH4 。
2.4.10
燃料的化学
燃料的化学 ：p0、T0下的燃料与氧气一起稳定流经化学 反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境态所能作 出的最大有用功。又称为燃料 。
查的甲烷的标准生成自由焓 元素碳的标准摩尔化学 元素氢的标准摩尔化学
EF EO2
化学 反应 系统
例 2 －9
计算 C2H4燃料的标准化学 解： 。 z C2H4 + 3O2 Æ 2CO2 ＋ 2H2O
温物体而不引起其他变化。
9 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他影响。 9 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。
D T 2 ， Q2 卡诺循环
W
●
C V
卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T) z 熵的概念和孤立系统的熵增原理
可逆时，∆S产＝0，系统做出的最大有用功为
从状态1 到状态2 所能完成的最大有用功
为
从反应物(1)到产物(2)，ΔS＝S2－S1， ΔH＝H2－H1，那么
5
在标准态（298.15K，1atm）进行反应时， 化学反应的最大有用功为
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 Æ CO2
标准生成焓和标准熵 C O2 CO2 (∆Hf0)i/(kJ/kmol) 0 0 -393800 Si0/[kJ/kmol•K)] 5.69 205.03 213.64
【例2－7】
【例2－8】
试用龟山－吉田环境模型求甲烷CH4气体的标准化学 解：甲烷的生成反应方程式为：C + 2H2 Æ CH4 。
2.4.10
燃料的化学
燃料的化学 ：p0、T0下的燃料与氧气一起稳定流经化学 反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境态所能作 出的最大有用功。又称为燃料 。
查的甲烷的标准生成自由焓 元素碳的标准摩尔化学 元素氢的标准摩尔化学
EF EO2
化学 反应 系统
例 2 －9
计算 C2H4燃料的标准化学 解： 。 z C2H4 + 3O2 Æ 2CO2 ＋ 2H2O
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
第二章 热力学第一定律
任何能量方程都是针对具体的系统的， 任何能量方程都是针对具体的系统的，所以同一问 题取不同系统可建立不同形式的能量方程， 题取不同系统可建立不同形式的能量方程，因此当你发 现自己建立的方程不同于你的学友建立的方程时， 现自己建立的方程不同于你的学友建立的方程时，不要 轻易否定任何方程， 轻易否定任何方程，而是按照能量守恒原理进行分析再 确定。 具体建立能量方程时还需注意下列两点： 确定。 具体建立能量方程时还需注意下列两点：在开 口系能量方程中引进（或排出）工质时引进（或排出） 口系能量方程中引进（或排出）工质时引进（或排出） 系统的能量应采用焓的概念而不是热力学能； 系统的能量应采用焓的概念而不是热力学能；只有在能 量越过边界时，才有功和热量在能量方程中出现。最后， 量越过边界时，才有功和热量在能量方程中出现。最后， 如何选择系统， 如何选择系统，对能量方程的建立和求解有时会有非常 大的影响，只有通过自己的实践和总结， 大的影响，只有通过自己的实践和总结，才能尽快掌握 选择一个合适的系统的关键。 选择一个合适的系统的关键。
第二章 热力学第一定律 13
二. 稳定流动的能量方程
一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。 一般情况下，能量转换装置都是在稳定条件下工作的。 稳定状态：各点的状态不随时间变化； 稳定状态：各点的状态不随时间变化； 稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。 稳定流动：系统内各处及进出口截面，工质的流量和流速不变。 系统与外界交换的热量和功量稳定不变。 系统与外界交换的热量和功量稳定不变。
2
2
wt = ∫1 pdv − ( p2v2 − p1v1 ) = − ∫1 vdp
2 2
由上式可知，准静态过程的技术 由上式可知， 功的大小可用过程线左边的面积来表 示。 忽略宏观动能和位能， 忽略宏观动能和位能，则有
第二章热力学第二定律演示文稿
➢ 如理想气体等温膨胀：U = 0，Q =-W，恰好是将所 吸收的热量全部转变为功；
➢ 但这时体系的体积和压力都有了变化，体积变大了)， 压力变小了；
➢ 所以说，要使热全部变为功而不发生任何其他变化 (包括体系体积变化) 是不可能的。
二、关于热力学第二定律表述的几点说明 3. 一切自发过程的方向性（不可逆性）最终均可归
找到如 U 和 H 那样的热力学函数 (只要计算U、 H就可知道过程的能量变化 )。
二、关于热力学第二定律表述的几点说明
➢在热力学第二定律中是否也能找出类似的热力学 函数，只要计算函数变化值，就可以判断过程的 (自发) 方向和限度呢？ iii）回答是Байду номын сангаас定的！ ➢ 已知一切自发过程的方向性，最终可归结为热功
2. 对热力学第二定律关于 “不能仅从单一热源取 出热量变为功而没有任何其他变化” 这一表述的 理解，应防止两点混淆：
二、关于热力学第二定律表述的几点说明
i）不是说热不能变成功，而是说不能全部变为功。 ➢ 因为在两个热源之间热量流动时，是可以有一部分热
变为功的，但不能把热机吸收的的热全部变为功。
ii）应注意的是：热不能全部变成功而没有任何其他变 化。
结为 “热能否全部变为功而没有任何其他变化” 的问题（如前面举的三例），亦即可归结为 “第 二类永动机能否成立” 的问题。
➢因此可根据 “第二类永动机不能成立” 这一原 理来判断一个过程的（自发）方向。
例如：对于任意过程：A B ➢ 考虑让其逆向进行：B A ➢ 若 B A 进行时将组成第二类永动机，
或 “不可能制造出第二类永动机。” ➢第二类永动机：能从单一热源吸热，并将吸取的 热全部变为功而无其他影响的机器。这种机器有 别于第一类永动机（不供给能量而可连续不断产 生能量的机器）。
➢ 但这时体系的体积和压力都有了变化，体积变大了)， 压力变小了；
➢ 所以说，要使热全部变为功而不发生任何其他变化 (包括体系体积变化) 是不可能的。
二、关于热力学第二定律表述的几点说明 3. 一切自发过程的方向性（不可逆性）最终均可归
找到如 U 和 H 那样的热力学函数 (只要计算U、 H就可知道过程的能量变化 )。
二、关于热力学第二定律表述的几点说明
➢在热力学第二定律中是否也能找出类似的热力学 函数，只要计算函数变化值，就可以判断过程的 (自发) 方向和限度呢？ iii）回答是Байду номын сангаас定的！ ➢ 已知一切自发过程的方向性，最终可归结为热功
2. 对热力学第二定律关于 “不能仅从单一热源取 出热量变为功而没有任何其他变化” 这一表述的 理解，应防止两点混淆：
二、关于热力学第二定律表述的几点说明
i）不是说热不能变成功，而是说不能全部变为功。 ➢ 因为在两个热源之间热量流动时，是可以有一部分热
变为功的，但不能把热机吸收的的热全部变为功。
ii）应注意的是：热不能全部变成功而没有任何其他变 化。
结为 “热能否全部变为功而没有任何其他变化” 的问题（如前面举的三例），亦即可归结为 “第 二类永动机能否成立” 的问题。
➢因此可根据 “第二类永动机不能成立” 这一原 理来判断一个过程的（自发）方向。
例如：对于任意过程：A B ➢ 考虑让其逆向进行：B A ➢ 若 B A 进行时将组成第二类永动机，
或 “不可能制造出第二类永动机。” ➢第二类永动机：能从单一热源吸热，并将吸取的 热全部变为功而无其他影响的机器。这种机器有 别于第一类永动机（不供给能量而可连续不断产 生能量的机器）。
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 T0 s (273 27) (0.5505) 165.1(kJ / kg)
所获冷量的 为：
eq q T0 s 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。 能量：宏观动能、位能和内能。
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 ) c / 2 gz
2
相应的
为
a h0 T0(s s0 )
为
不考虑宏观动能和位能时，稳定流动系统的
e wA,max (h h0 ) T0(s s0 )
aq T0 s (273 27) 0.5619 168.6(kJ / kg)
所加热量中的 为：
eq q T0 s 301.2 168.6 132.6(kJ / kg)
(8)热量
和
例2－3（P44）在某一低温装置中将空气自600kPa 和27oC 定压预冷至－100oC，试求1kg空气所获冷量的 和 。 空气的平均定压比热容cp＝1.0kJ/(kg.K)。设环境的大 气温度为27oC。 解：空气获得的冷量为：
δm1
δm2
δW
Q m2 (h2 c 2 / 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
在稳定流动的条件下， dU系统＝0，δm1＝ δ m2
能量衡算式为
Q H mc 2 / 2 mgz W
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
卡诺定理
p A
●
T1
Q1，T1 B ●
●
Q1
可逆机
D T2，Q2 卡诺循环
W
●
C V
T2
-Q2
热机最大输出功
Wmax
T2 1 Q1 T 1
（T1>T2）
热力学第二定律的数学表达式
对一不可逆循环，如图A →B →A
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。
2.4.3 机械形式能量的
运动系统所具有的宏观动能和位能
c2/2,
gz
通过系统边界，发生体积变化对外做功
热机 (气缸) 环境压力：p0 -W
Ew ＝ W12 － p0 （V2－V1） Aw ＝ p0（V2 － V1）
当稳定流动体系进行一个化学反应过程时，其能量衡算式：
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 ) [( H 2 TS 2 ) ( H1 TS1 )] (G2 G1 ) G
2.4.4热量的 和
T
δQ
可逆机
热机为例来说明
Q Q0 WA
Q
T dS产
δWA -δQ0
Q0
T0
T0
T0 WA Q Q T0dS产 T
WA Q T0
（T>T0）
（可逆 S产 0 ）
Q
T
T0 S产
(2)热量的
热量 热量
解：空气吸收的热量为：
q c p (T2 T1 ) 1.004(427 127) 301.2(kJ / kg)
空气在吸收热量过程中熵的变化为：
s c p ln( T2 / T1 ) 1.004 ln[( 273 427) /( 273 127)] 0.5619[( kJ /( kg K )] 所加热量中的 为：
化工节能 原理与技术
Chemical Process Energy Conservation
吴卫泽
北京化工大学
化学工程学院
第二章 节能的热力学原理
热力学原理：
能量 热力学第一定律 热力学第二定律
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 能、焓、熵和 等）和状态方程 功和热 可逆过程
AQ T0 ( S 2 S1 )
(3)热量的
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 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 T<T0 -δQ
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）； 体系放出热量（Q<0)时， （EQ>0）
减小
增大
δQ0 T0
(5)热量的
和
和 在T－S图
温度低于环境温度时，热量 上的表示
EQ Q
(6)热量
单位热量的
EQ /Q
和
T0 EQ (1 )Q T
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 dc 2 / 2 gdz wA
熵方程
q0 / T0＝ds
为
因此，稳定流动的系统的
de wA,max dh T0ds dc 2 / 2 gdz
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 微分形式
Δu ＝ q － w
du ＝ δq － δ w
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
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 )
和
对于可逆热机，ΔS产＝0，那么
EQ WA,max Q T0 Q / T (1 T0 / T )Q
AQ Q WA,max T0 Q / T
S S 2 S1 Q / T
可逆过程
热量
EQ Q T0 ( S 2 S1 )
热量
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 在可逆过程中
du p0dv wA,max
ds q/T0 即： q T0ds
因此，封闭系统的
de wA,max du p0dv T0ds
为
熵增原理及平衡的熵判据
绝热过程，δQ=0，则有
S绝热 0 或 dS绝热
孤立系统，δQ=0，则有
不可逆 0 可逆 自发 0 平衡
S孤立 0 或 dS孤立
熵增加原理：系统经绝热过程由一状态到达另一状态， 熵值不减少；自发变化的结果，必使孤立系统的熵增加 (孤立系统中可以发生的实际过程都是自发过程) 方向：孤立系统的熵增加 限度：孤立系统熵值达到最大——平衡态
可逆机
δWA
δQ0 T0
(4)热量的
Q0 Q WA
Q0
T0
和
Q
T
T<T0 T -δQ
可逆机
T0 WA Q Q T
WA Q T0
δWA
Q
T
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：
T0 EQ (1 )Q T
从状态1 到状态2 所能完成的最大有用功 为
2 wA,max e1 e2 h1 h2 T0(s1 s2 ) (c12 c2 ) / 2 g ( z1 z2 )
2.4.7 化学反应的最大有用功(
Q H WA
温度(T)一定时，化学反应系统的熵的方程为：
)
与温度的关系
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。
(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。
有：
B
Qir
T
A
A
Qr
T
B
（不可逆循环） 0
A T T B Q Q 不可逆 得：S 或 dS A T T 可逆 A