第二章 节能的热力学原理2014 - A
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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。
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。
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
02章-热力学第一定律(4)
绝热过程功的计算
理想气体绝热可逆过程方程式：
对于理想气体，无体积功的绝热可逆过程：
∵ Q dU W dU pdV
Q 0
dU pdV ∴
C p / CV
又因理想气体：
dU
C C p / CV V
dT
所以： CV dT pdV
CV dT
pdV
nRT
dV V
(1)
Cp - CV = nR，令 C p / C称V 为热容比
知识链接:火力发电厂的能量利用
锅炉
汽轮机
发电机
冷却塔
200℃
R
Th TC Th
(473 300)K 36% 473 K
I < 20%
1度电/1000g 煤
高煤耗、高污染（S、N氧化物、粉尘和热污染）
火力发电厂的能量利用
400℃ 550℃
Th TC 673 300 55%
Th
卡诺循环（Carnot cycle）
整个循环：
U 0
Q2 是体系所吸的热，为正值，
Q Q2 Q1 Q1 是体系放出的热，为负值。
W W1 W3 (W2和W4对消）
即ABCD曲线所围面积为 热机所作的功。
Carnot 循环
整个循环过程中，系统作的总功W 与系统从环境 净吸热Q 之间有如下关系：
绝热过程功的求算
（1）理想气体绝热可逆过程的功
W V2 pdV V1
=
K V2 V V1
dV
=
K
(1
)
(V21 1
1 V1 1
)
(pV K )
因为 所以
p1V1 p2V2 K
W
=
p2V2
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。
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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
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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。
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。
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。
第二章.热力学第二定律(应化)
(3) 熵的物理意义
对于熵的确切物理意义，将在“统计力学初步”章节中讲 述。现在只能做一些简单的说： “ 熵是量度系统无序程度的函数。即熵是量度系统混乱度 的量度。”
S=KlnΩ
混乱度越大，熵越大。
注意：
可逆1
B
不可逆2
S1 S2
dS1
A
Q1
T
而dS2
Q2
T
二、熵变与不可逆过程的热温商：
三.自发过程的不可逆性
1、自发过程
自发过程（spontaneous process）：系统 中无需环境施加影响 就可以自动进行的过程。
①自发过程的方向性：
a、气流的方向： 高气压 b、热传递的方向： 高温物体 低气压 低温物体
c、化学反 应 Cu 2 Zn Cu Zn2
d、热功转换的方向： 功 热
一.克劳修斯
|Q1+W|
制冷机
|w|
（Clausius）的说法： 不可能把热从低温物体传 到高温物体而不留下任何 其它变化。
|Q1|
低温热源
克拉派隆（Benoit Paul Emile Clapeyron,1799-1864） 发表《论热的动力》的论文。
英国物理学家开尔文（Lord Kelvin，1824-1907）
3、熵： 定义：
dS
Q
T
（ 因而： S A
B
Qr
T
)
S称为熵
P
1 2
B
S
B
Qr
T
A
A
是计算过程熵变的基本公式。
V
熵变等于可逆过程的热温商 说明:
(1) 熵是状态函数，单位 J · K-1 ，是广度性质。 (2) 一定状态下物质的熵与其物质的量之比 S/n =Sm，称为摩 尔熵，单位 J · mol-1 · K-1 ；
《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。
热力学第二定律PPT课件
WR1 5743J
WI3 44.90103 J
上一页
WR2 5743J
I1+R2: Q=-W=-WI1-WR2 =-5743J (系统放热，得功）
I2+R2: Q=-W=-WI2-WR2 =-3498J (系统放热，得功）
R1+R2: Q=-W=-WR1-WR2 = 0
I3+R2: Q=-W=-WI3-WR2 = 39.16×103J
克劳修斯：热从低温物体传给高温物体而不产生其
它变化是不可能的。
T1
反 证
法
Q1
证
Q2
热机 W
两 种
Q2
说 法
T2
等 价
T1
Q1 W
热机
Q1 Q3
制冷机
Q3
T2
开尔文：从一个热源吸热，使之完全转化为功，而
不产生其它变化是不可能的。
3.热力学第二定律(the second law of thermodynamics) 克劳修斯：热从低温物体传给高温物体而不产生其
它变化是不可能的. 开尔文：从一个热源吸热，使之完全转化为功，而不
产生其它变化是不可能的。
注意不要把开尔文说法说成：功可以完全转化为热，
而热不能完全转化为功。遗留的其他变化很重要。
理想气体恒温膨胀时，它所吸收的热全部用来做功，
这是否违背开尔文说法?
不违背
它没有否定还有其它变化，此时附带的另一变化是 气体的体积变大，即系统的状态改变了
过程——体系状态随时间发生变化。
平衡态——在没有外部影响的条件下，系统的所 有宏观性质不随时间变化的状态。
平衡体系的状态得以发生变化依赖环境的影 响，只有来自于体系外部的影响才能使处于平衡 态的体系发生变化。
02章_热力学第一定律-2014秋-1
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2015-1-19
2.4 理想气体的热力学能和焓
㈠ 节流过程及其特点
Joule – Thomson 节流实验： T1 ≠ T2 Joule – Thomson effect
p1 p2
Porous plug (throttle valve)
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3. 理想气体的热容
U CV U (1) 0 V T V T V T T V T V
即CV只是T 的函数 (2) Cp- CV = nR or Cp,m- CV,m = R (3) 在常温下 He等： CV , m H2等： CV , m
dU QV
U QV
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2015-1-19
2.3 焓和热容
2.等压热
系统在变化过程中，保持压力不变，系统与 环境之间传递的热量，称为等压热。
3.焓
U Q W
dU Q W Q We Wf
dp 0,
Wf 0 Q d(U pV )
物理化学核心教程电子教案
第二章 热力学第一定律
U Q W
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2015-1-19
第二章 热力学第一定律
2.1 热力学的一些基本概念
1.系统和环境 根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （1）孤立系统（Isolated system）
（2）封闭系统（Closed system） （3）敞开系统（Open system） 2. 热力学平衡态 （1）热平衡 （2）力平衡 （3）相平衡 （4）化学平衡
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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δ Q0 T0
21
(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
22
(6)热量
单位热量的
|EQ /Q|
和
T0 E Q (1 ) Q T
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。 23
d u p 0 d v w A ,max
d s q / T 0 即： q T 0 d s
为
因此，封闭系统的
d e w A ,max d u p 0 d v T 0 d s
由给定的状态到环境状态积分得
e w A , m a x u u 0 p 0( v v 0 ) T 0( s s 0 )
和热力学第二定律
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
温物体而不引起其他变化。 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他影响。 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
空气在吸收热量过程中熵的变化为：
s c p ln( T 2 / T1 ) 1 . 004 ln[( 273 427 ) /( 273 127 )] 0 . 5619[( k J /( k g K )] 所加热量中的 为：
a q T 0 s ( 2 7 3 2 7 ) 0 .5 6 1 9 1 6 8 .6 ( k J / k g )
限度：孤立系统熵值达到最大——平衡态
10
2.4 能量的
计算
11
2.4.1
(Exergy)和
(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 第二类，具有部分转换能力的能量，如热能和物质 的内能或焓等 第三类，完全不具有转换能力的能量，如处于环境 状态下的热能等
16
(2)热量的
和
对于可逆热机，ΔS产＝0，那么
E Q W A , ma x Q T 0 Q / T (1 T 0 / T ) Q
A Q Q W A , max T 0 Q / T
可逆过程
S S 2 S1 Q / T
E Q Q T0 (S 2 S1 )
a q T 0 s ( 2 7 3 2 7 ) ( 0 .5 5 0 5 ) 1 6 5 .1( k J / k g )
所获冷量的
e q q T 0 s 1 2 7 .0 ( 1 6 5 .1) 3 8 .1( k J / k g )
为：
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
可逆机
δWA
δ Q0 T0
19
(4)热量的
Q 0 Q W A
Q0 Q T0 T
和
T<T0
T -δQ
可逆机
T0 W A Q Q T
Q W A Q T0 T
7
卡诺定理
p A
●
T1
Q1，T1 B ●
●
Q1
可逆机
D T2，Q2
W
●
C
V
卡诺循环
T2
-Q2
热机最大输出功
W max
T2 1 T Q1 1
（T1>T2）
8
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
有：
B
Q ir
T
A
A B
Qr
T
B
29
2.4.7 化学反应的最大有用功(
152.4.4 热量的和T δQ可逆机
热机为例来说明
Q Q 0 W A
Q0 Q dS 产 T T0
δWA - δ Q0
T0
T0 W A Q Q T0d S 产 T
Q W A Q T0 T0 S 产 T
（T>T0）
（可逆 S 产 0 ）
Q H m c 2 / 2 m g z W
对于单位质量为
q h c2 / 2 gz w
对于多股物质流进出开口体系时
Q
2 m ( h c / 2 gz)i out i
2 m ( h c / 2 gz)i W in i
6
2.3
d e w A , ma x d h T 0 d s d c 2 / 2 g d z
28
环境状态下，c0＝0，z0＝0，积分得稳定流动系统的
为
e w A , ma x h h 0 T 0( s s 0 ) c / 2 g z
2
相应的
为
a h 0 T 0( s s 0 )
所加热量中的
e q q T 0 s 3 0 1 .2 1 6 8 .6 1 3 2 .6 ( k J / k g )
为：
24
(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：
q c p (T 2 T1 ) 1 .0 ( 1 0 0 2 7 ) 1 2 7 ( k J / k g )
空气在冷却过程中熵的变化为：
s c p ln( T 2 / T1 ) 1 . 0 ln[( 273 100 ) /( 273 27 )] 0 . 5505[( k J /( k g K )] 空气所获冷量的 为：
3
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
4
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：
δWA
δ Q0 T0
20
(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 E Q (1 ) Q T Q AQ Q E Q T 0 T T -δQ
可逆机
T<T0
δWA
热量方向与 方向相反： 体系得到热量时， 减小； 体系放出热量时， 增大。
(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 c p (T 2 T1 ) 1 .0 0 4 ( 4 2 7 1 2 7 ) 3 0 1 .2 ( k J / k g )
为
不考虑宏观动能和位能时，稳定流动系统的
e w A , m a x ( h h 0 ) T 0( s s 0 )
从状态1 到状态2 所能完成的最大有用功 为
w A , ma x e 1 e 2 h 1 h 2 T 0( s 1 s 2 ) ( c 12 c 22 ) / 2 g ( z 1 z 2 )
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 能量中不能够转化为有用功的那部分能量
能量 ＝
＋
12
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 物质及成分与环境不同而引起的。 基准物 基准物是在环境状态下处于平衡的、最稳定 的物质。 基准物的特点（1）每种元素都有其相应的基准物； （2）环境（大气、海洋、地表）中能存在的物质； （3）基准物之间不可能发生任何自发的化学变化； （4）各种基准物都应是相应元素的最稳定物质，其能 13 量值（ ）为0。
（ 0 不可逆循环）
T B Q 得： S A T
A
B
Q ir
Qr
T
A
S
或
Q 不可逆 dS T 可逆
可逆 ΔS产＝0 不可逆 ΔS产 >0
9
S S 2 S1 Q / T S 产
——热力学第二定律的数学表达式
熵增原理及平衡的熵判据
Ne
He
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。
14
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) -W 环境压力：p0
Ew ＝ W12 － p0 （V2－V1） Aw ＝ p0（V2 － V1）