第五章 熱力循環(huán)-熱力學(xué)第二定律及其應(yīng)用

第五章熱力循環(huán)——熱力學(xué)

第二定律及其應(yīng)用學(xué)習(xí)要點(diǎn)：

1.預(yù)測(cè)實(shí)際過(guò)程的方向及深度；

2.建立起能量質(zhì)量的觀念，樹(shù)立起開(kāi)發(fā)“第五能源”的意識(shí)：

煤、石油、天然氣、原子能＋節(jié)能。重點(diǎn)：熵平衡式；某些過(guò)程熵變的計(jì)算；

T－S圖及其應(yīng)用，包括各種過(guò)程在T－S圖上的表示，動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)及熱泵循環(huán)各步的功、熱計(jì)算等。15.1

熱力學(xué)第二定律5.1.1

熱力學(xué)第二定律的概述傳熱：熱不可能從自動(dòng)的從低溫傳遞到高溫。熱功轉(zhuǎn)換：不可能有一熱機(jī)從單一熱源吸熱而全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。（外界不留下任何變化，不向環(huán)境散失熱量）概括地講，一句話：

2一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的不可逆指的是單向性?；蛘哒f(shuō)凡是自發(fā)過(guò)程都是有方向性的。熱由高→低溫傳遞是自發(fā)的。反之不能自發(fā)進(jìn)行，其它也一樣。

為什么治理環(huán)境污染要比污染環(huán)境難得多？？？

35.1.2

熱功轉(zhuǎn)化的效率熱機(jī)效率

對(duì)外所做功和在高溫?zé)嵩次諢崃恐?。（火力發(fā)電廠的熱效率大約為40%）

若該過(guò)程可逆地進(jìn)行，效率應(yīng)該是最高的。4逆循環(huán)不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行，需要外界輸入功。

55.2

熵

5.2.1卡諾循環(huán)及熵卡諾循環(huán)工質(zhì)為理想氣體?？ㄖZ循環(huán)示意圖1→2 TH 等溫膨脹2→3 Q＝0 絕熱膨脹3→4 TL 等溫壓縮4→1Q＝0 絕熱壓縮6①

∵理想氣體

理氣

②

(A)功熱計(jì)算：7③

④

(B)應(yīng)用循環(huán)來(lái)求功：循環(huán)為什么？

記??！比較(A)(B)二式：

因?yàn)槭菭顟B(tài)函數(shù)。其它狀態(tài)函數(shù)均成立。

8

卡諾效率，實(shí)際效率之極限。結(jié)論：卡諾效率與工質(zhì)無(wú)關(guān)，只與TH、TL有關(guān)。這是熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的基礎(chǔ)工作，有人進(jìn)一步研究了這個(gè)結(jié)果：

循環(huán)：∑做功＝∑熱。為什么？

∴9第二、四步Q＝0，即熱溫商等于零。寫(xiě)成通式：循環(huán)過(guò)程

或?qū)懗啥x：可逆過(guò)程的熱與所對(duì)應(yīng)的溫度之比稱(chēng)為熵。

即

熵函數(shù)的引出問(wèn)題：由聯(lián)想到示功圖(P－V圖)

類(lèi)比出示熱圖：10N是什么？當(dāng)時(shí)并不知道，稱(chēng)之為N－Tropy，N方向上的矢量。為了拼寫(xiě)方便，前面加上一個(gè)“E”變?yōu)镋ntropy

——熵。11復(fù)習(xí)一下有關(guān)熵計(jì)算的內(nèi)容：對(duì)于環(huán)境熵變：a.可逆過(guò)程∵傳熱無(wú)溫差

∴b.實(shí)際過(guò)程環(huán)境認(rèn)為是無(wú)限大熱源，傳熱不可能引起環(huán)境溫度改變即為可逆?zhèn)鳠?，所以不要人為設(shè)計(jì)可逆過(guò)程，對(duì)于物系一定要設(shè)計(jì)可逆過(guò)程。

12熵變計(jì)算并不難，關(guān)鍵概念要清楚！通過(guò)對(duì)熵變的計(jì)算可以總結(jié)出一個(gè)規(guī)律：對(duì)于一切實(shí)際過(guò)程：總成立！或

第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式

即自然界進(jìn)行的一切過(guò)程熵值不可能減小。做功本領(lǐng)不可能自動(dòng)增加。13需要指出：自然界的工作方式服從兩個(gè)規(guī)律：這個(gè)結(jié)論僅適合于宏觀狀態(tài)大量分子。極少數(shù)分子在超微觀的情況下，可能出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，不在我們討論的范圍之內(nèi)。判斷過(guò)程的可逆與否：不可逆可逆(平衡態(tài))過(guò)程進(jìn)行的方向：熵值增的方向，限度：平衡態(tài)145.2.2熱力學(xué)第二定律用于閉系概念：①熵流

系統(tǒng)與環(huán)境之間由于能量的傳遞(能流)使系統(tǒng)增加的熵稱(chēng)為熵流。

能量流動(dòng)有功、熱兩種，功是有序能量，其傳遞結(jié)果不含有熵流，所以只有熱能流動(dòng)才直接聯(lián)系到熵流動(dòng)。隨熱流產(chǎn)生的熵流

其中,T是輸入界面的點(diǎn)溫度，所以熱交換是可逆的。

體系與外界傳遞的熱量可正、可負(fù)，可為零。因此熵流亦如此。15②熵產(chǎn)體系內(nèi)部由于過(guò)程的不可逆性而產(chǎn)生的熵。時(shí)是可逆過(guò)程。一切實(shí)際過(guò)程均是不可逆的，也就是說(shuō)熵是不守恒的，它會(huì)由于過(guò)程的不可逆而“產(chǎn)生”出來(lái)，我們稱(chēng)之為熵產(chǎn)。過(guò)程的不可逆程度越大，熵產(chǎn)也就越大。若是不可能的。③封閉體系的熵平衡式：165.2.3孤立體系熵平衡式第二定律

若將不等式變?yōu)榈仁絼t

即即孤立體系的熵產(chǎn)生等于孤立物系的總熵增量。5.2.4開(kāi)系熵平衡式體系熵變：若熵流是由變溫?zé)崃髁鲃?dòng)引起的：17若熵流是由恒溫?zé)崃髁鲃?dòng)引起的則：對(duì)于穩(wěn)流過(guò)程，熱力學(xué)狀態(tài)不隨時(shí)間而改變：或——敞開(kāi)體系穩(wěn)流過(guò)程熵平衡式其中：為比熵——單位質(zhì)量流體的熵，KJ·kg-1·K-1——質(zhì)量，kg

——熵流，若為恒溫?zé)嵩次鼰釣檎銣責(zé)嵩礈囟?，單位K(絕對(duì)溫度)。絕熱過(guò)程18一股流體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥

絕熱可逆過(guò)程

∴

等熵過(guò)程若一股物流

(等熵過(guò)程)例5-2P12519小結(jié)熵的概念

過(guò)程進(jìn)行的限度：

達(dá)到平衡狀態(tài)。判斷過(guò)程的方向性熵值增大的方向

熵流：由于熱量傳遞引起熵變?？烧⒖韶?fù)、可為零?？碢82熵產(chǎn)：由于過(guò)程的不可逆性而“產(chǎn)生”出來(lái)的熵。不可能

孤立體系20或

閉系：換一種理解：開(kāi)系穩(wěn)流過(guò)程215.3熱力學(xué)圖表及其應(yīng)用常見(jiàn)的有T－S圖，H－T圖，P－H圖，H－S圖等另外熱容、逸度系數(shù)、等很多。本課的重點(diǎn)：T－S圖及其應(yīng)用。

5.3.1溫熵圖(T－S圖)

1.圖形分析（點(diǎn)、線、面的物理意義）

點(diǎn)：臨界點(diǎn)——飽和蒸汽線和飽和液體線的交點(diǎn)C點(diǎn)。

基本線型：①等壓線②等焓線③等比容線V＝const

（有的圖不畫(huà)出來(lái)）

22④等干度線x=const

x＝0

飽和液體，

x＝1

飽和蒸汽⑤等T線⑥等S線

面：兩相區(qū)——山包線內(nèi)汽相區(qū)——山包線右側(cè)液相區(qū)——山包線左側(cè)流體區(qū)——時(shí)(又稱(chēng)超臨界區(qū))232.表示狀態(tài)和過(guò)程相律F——自由度，數(shù)學(xué)上的獨(dú)立變量。在T－S圖上：狀態(tài)——用一個(gè)點(diǎn)表示；

過(guò)程——用一個(gè)線段表示。為什么？3.基本用途①等壓加熱和冷卻過(guò)程如圖，（反過(guò)來(lái)由2→1即為等壓冷卻過(guò)程）過(guò)程

又∵是等壓加熱

為什么？

等壓24③等熵膨脹或非等熵膨脹過(guò)程絕熱可逆過(guò)程為等熵過(guò)程：1→2

（垂直?。┗?/p>

若為絕熱不可逆過(guò)程，熵值必定增大，線應(yīng)該向右偏。一定記?。?/p>

1→2′，2′點(diǎn)由等熵效率來(lái)確定：若

解出膨脹壓縮后的溫度讀圖即可！25②節(jié)流膨脹過(guò)程如圖所示1→2。若在兩相區(qū)中：

則

由于過(guò)程不可逆。26④等熵壓縮、非等熵壓縮

（絕熱可逆、不可逆壓縮）

等熵

1→2

（垂直?。嚎s后的溫度亦可直接讀出，不必由迭代。

若為絕熱不可逆過(guò)程，向右偏！27例5-4P130⑤等溫可逆壓縮或膨脹

等溫可逆膨脹？倒回去！2→1等溫可逆壓縮：285.3.2焓－熵圖(h-s圖)P130頁(yè)圖(5-12(a))。線型比較簡(jiǎn)單：等T、等P線。多應(yīng)用高溫區(qū)。

296→1視為絕熱可逆壓縮

垂直！1→2預(yù)熱2→3汽化3→4過(guò)熱4→5膨脹做功（等熵膨脹即絕熱可逆）垂直！若為絕熱不可逆即實(shí)際膨脹4→7右偏！??！5→6冷凝TS－圖示：記??！305.3.3壓－焓圖(p－h(huán)圖)P132頁(yè)圖[5-13]線型簡(jiǎn)單：等T、等S線等。適用于和壓力有關(guān)的焓的計(jì)算。5.3.4焓－溫圖(h-T圖)線型比較簡(jiǎn)單：等P、S線。計(jì)算過(guò)程的熱比較方便。

31325.4

水蒸氣動(dòng)力循環(huán)顯然這個(gè)結(jié)論對(duì)提高實(shí)際熱機(jī)效率有指導(dǎo)意義。5.4.1

卡諾循環(huán)

以蒸氣為工質(zhì)（工作介質(zhì)）產(chǎn)生動(dòng)力的循環(huán)——蒸氣動(dòng)力循環(huán)。朗肯循環(huán)是典型的、最簡(jiǎn)單的蒸氣動(dòng)力循環(huán)。

5.4.2

朗肯循環(huán)工藝流程如圖所示：記住！

33以理想朗肯循環(huán)為例，進(jìn)行熱、功計(jì)算：⑴鍋爐系統(tǒng)吸熱1→4

⑵透平機(jī)做功

4→5

5點(diǎn)的焓值

干度由熵確定：

⑶冷凝器中散熱量

5→6⑷

泵功計(jì)算按絕熱可逆

過(guò)冷液體區(qū)等壓線密集，h1不易讀出，采用近似計(jì)算：34整個(gè)循環(huán)的凈功循環(huán)過(guò)程熱效率

汽耗率

實(shí)際膨脹過(guò)程

S7>S4

透平機(jī)等熵效率

給定冷凝放熱

35P135

例5－5

5.4.3朗肯循環(huán)的改進(jìn)前提：冷卻水溫一定。定性地分析：⑴提高水蒸氣過(guò)熱溫度過(guò)熱度

膨脹機(jī)希望x=1，沒(méi)有液滴出現(xiàn)，可防止水擊。但是隨著T上升，對(duì)材質(zhì)要求上升。所以一般要求T4<600℃，否則設(shè)備費(fèi)用增加。36⑵提高蒸氣的壓力

汽化熱減小QH↓當(dāng)P>PC稱(chēng)為超臨界鍋爐。需要特殊材質(zhì)，目前一般不用，所以要求x>0.88。37⑶采用再熱循環(huán)既然都使但受材質(zhì)影響T<600℃，x>0.88把二者結(jié)合起來(lái)

由T-S圖可以看出：再熱次數(shù)增加，都使但是，再熱次數(shù)越多，設(shè)備越復(fù)雜，投資越高，和壓縮機(jī)分段越多越省功，但設(shè)備投資愈高的道理一樣，所以取一個(gè)最佳值。P138例5－6

385.4.4其他動(dòng)力循環(huán)（簡(jiǎn)介）

傳統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)

鍋爐系統(tǒng)39背壓式透平根據(jù)供熱需要選擇壓力

抽氣式透平根據(jù)供熱需要抽氣40c．蒸汽－燃?xì)饴?lián)合循環(huán)

41

b.

燃?xì)廨喲b置循環(huán)425.5

制冷

<制得

Tlow

保持

－100℃

普通制冷

深冷

要點(diǎn)：制冷過(guò)程在T-S圖上標(biāo)示以及冷凍量、消耗功量及制冷系數(shù)等的計(jì)算。43制冷的應(yīng)用制冷氣體液化潤(rùn)滑油凈化低溫反應(yīng)食品儲(chǔ)存結(jié)晶分離氣溫調(diào)節(jié)44制冷的實(shí)質(zhì)：利用外功將熱持續(xù)的從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質(zhì)代價(jià)(WS)OK!!Q自發(fā)4546制冷的常見(jiàn)類(lèi)型蒸氣壓縮制冷空氣壓縮制冷消耗外功型消耗內(nèi)能型制冷蒸汽噴射制冷吸收制冷475.5.1

制冷循環(huán)與蒸汽動(dòng)力循環(huán)的比較48卡諾循環(huán)是熱機(jī)的極限，將其倒過(guò)來(lái)即逆卡諾循環(huán)——制冷機(jī)的極限

由此可看出：蒸發(fā)溫度TL越高，冷凝溫度TH與蒸發(fā)溫度TL的差值（TH－TL）越小，冷凍系數(shù)就越大。此結(jié)論指導(dǎo)制冷節(jié)能！495.5.2

蒸汽壓縮制冷循環(huán)A.在熱力學(xué)圖上的標(biāo)示及功、熱計(jì)算

原則：點(diǎn)代表一個(gè)狀態(tài)，線代表一個(gè)過(guò)程。①由點(diǎn)1→2為等熵壓縮

即每公斤工質(zhì)耗功量。Ws=mws②由點(diǎn)2→3→4為等壓冷凝過(guò)程

若工質(zhì)循環(huán)速率為mKg/h,冷凝器每小時(shí)放熱量為即為冷凝器熱負(fù)荷。③由點(diǎn)4→5為節(jié)流過(guò)程，等焓過(guò)程

h4=h550④由點(diǎn)5→1為等壓汽化過(guò)程

每小時(shí)蒸發(fā)器吸收的熱量即制冷量為若已知求出工質(zhì)循環(huán)速率

制冷系數(shù)

這里壓縮機(jī)功耗

51

單位時(shí)間在蒸發(fā)器中吸收的熱量，稱(chēng)為冷凍能力。1冷凍噸——每天將273.16K的1噸水凝結(jié)為同溫度的冰所需取走的熱量，它等于非等熵壓縮過(guò)程：

52B.制冷循環(huán)的操作工況T汽化=T物系要求達(dá)到的溫度－4～5℃（傳熱溫差）壓縮機(jī)入口壓力即T汽對(duì)應(yīng)的P飽為P1。T冷凝=T冷凝介質(zhì)+5℃（傳熱溫差）壓縮機(jī)出口壓力即T冷凝對(duì)應(yīng)的P飽為P2，整個(gè)冰機(jī)系統(tǒng)的操作工況無(wú)法人為控制，它隨著冷凝介質(zhì)和被冷物料的溫度而浮動(dòng)。（壓縮機(jī)出口壓力夏天高，冬天低）53冷凝溫度對(duì)制冷系數(shù)的影響：壓縮機(jī)出口壓力夏天高，冬天低

蒸發(fā)溫度對(duì)制冷系數(shù)的影響：TL升高，ξ增加過(guò)冷溫度對(duì)制冷系數(shù)的影響：冬天省電P141例（5-7）54C.冰機(jī)節(jié)能的探討——多級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)若采用一臺(tái)壓縮機(jī)，汽氨總管壓力必須是-15℃的飽和蒸汽壓，后兩臺(tái)氨冷器傳熱溫差就很大，怎么辦？分為三級(jí)，即為多級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)。

蒸發(fā)溫度TL越高，冷凝溫度TH與蒸發(fā)溫度TL的差值（TH－TL）越小，冷凍系數(shù)就越大。此結(jié)論指導(dǎo)制冷節(jié)能！55低壓蒸發(fā)器1低壓汽缸高壓汽缸中間冷卻器節(jié)流閥I節(jié)流閥II汽液分離器高壓蒸發(fā)器冷凝器22’3456787

356進(jìn)入壓縮機(jī)二段缸的一共有四股氣體：低壓缸（一段缸）來(lái)的氣體中壓制冷所產(chǎn)生的蒸汽節(jié)流閥A后產(chǎn)生的蒸汽（5→6點(diǎn)汽液混合物）冷卻低壓缸來(lái)的氣體時(shí)液氨蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽。（

→3時(shí)所需冷量）

計(jì)算結(jié)果表明制得相同冷量可節(jié)省一部分功，原因是采用了中壓節(jié)流，第一級(jí)冷凍系數(shù)提高了，

(低溫為負(fù)數(shù)℃，溫度越高TL↑)當(dāng)冷凍溫度要求過(guò)低時(shí)，也可采用多級(jí)制冷，考慮壓縮機(jī)功耗，P入口很低，出口壓力受冷凝介質(zhì)限制，不能改變，這樣壓縮比很大。（夏天冷卻水溫40℃，冷凝溫度達(dá)45℃的PS↑）壓力高，出口溫度相應(yīng)提高，采用多級(jí)制冷（壓縮）既可降低壓縮功耗又可改善壓縮機(jī)潤(rùn)滑狀況，如：滄化三級(jí)閃蒸制冷。5712345678ST

①

節(jié)能（耗功少）②

制冷率高③可同時(shí)得到不同溫度的低溫

分級(jí)壓縮、蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：思考：三級(jí)壓縮三級(jí)蒸發(fā)?585.5.3吸收式制冷循環(huán)

吸收制冷采用的工質(zhì)是氨水溶液或溴化鋰溶液，前者可達(dá)208K左右，后者在278K以上，用于空調(diào)系統(tǒng)。所需的熱源屬于低品味熱能，工廠中的低壓蒸汽、熱水、煙道氣及某些工藝氣體（需要降低其溫度）。將這些所謂余熱加以利用，從而節(jié)省了電能或機(jī)械能，從節(jié)約能源的角度是很合理的。它的缺點(diǎn)是熱力系數(shù)比較低。吸收式制冷循環(huán)與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的不同點(diǎn)在于：蒸汽壓縮制冷循環(huán)：壓縮機(jī)（消耗機(jī)械功）吸收式制冷循環(huán)：吸收塔，解吸器，換熱器，泵（消耗低品位熱量和少量泵功）

59吸收式制冷的工作原理

右邊紅框相當(dāng)于壓縮機(jī)泵吸收器換熱器解吸器蒸發(fā)器節(jié)流閥QL載冷體水低品位熱量Q冷凝器QH水605.5.4制冷劑的選擇原則：P144汽化潛熱大，減少制冷