工程熱力學(xué)課件第5章火用分析基礎(chǔ)

1、第五章第五章 分析基礎(chǔ)分析基礎(chǔ)熱一律：熱一律：揭示能量轉(zhuǎn)換中的揭示能量轉(zhuǎn)換中的數(shù)量數(shù)量守恒關(guān)系守恒關(guān)系熱二律：熱二律：各種能量不但有各種能量不但有“量量”的差別，還有的差別，還有“質(zhì)質(zhì)”的差別的差別.t1t2=300 keq1 =1000 kjwamx=?例如：例如： t11500k、 500k、 300k， wmax=？t11500k：wmax 800 kjt1 500k ：wmax 400 kjt1300k： wmax 0 kjwmax= c q1 （1 t2 / t1 ） q1q1“量量”相同，相同，但但“質(zhì)質(zhì)”不同不同各種能量的做功能力，不但與其數(shù)量多各種能量的做功能力，不但與其數(shù)量多

2、少有關(guān)，還與其質(zhì)量高低有關(guān)。少有關(guān)，還與其質(zhì)量高低有關(guān)。如何度量能量的如何度量能量的“質(zhì)質(zhì)”呢？呢？引入：引入：“” 概念概念任何形式的能量任何形式的能量e都由都由 和和 兩部分組成：兩部分組成：e 說明：說明：(1) 0：e 可全部轉(zhuǎn)化為有用功，如機(jī)械能、電能、風(fēng)力、水力可全部轉(zhuǎn)化為有用功，如機(jī)械能、電能、風(fēng)力、水力(2) 0： e 不能轉(zhuǎn)化為有用功，如環(huán)境介質(zhì)中的熱能不能轉(zhuǎn)化為有用功，如環(huán)境介質(zhì)中的熱能(3) an 和和 ex都都0： e 可部分轉(zhuǎn)化為有用功，如熱能、化學(xué)能、核能可部分轉(zhuǎn)化為有用功，如熱能、化學(xué)能、核能(4) 不同形態(tài)的能量或物質(zhì)，處于不同狀態(tài)時(shí)，不同形態(tài)的能量或物質(zhì)，處于

3、不同狀態(tài)時(shí)， an 和和 ex 比例不同比例不同(5) 引入引入 火火用用 參數(shù)的意義：參數(shù)的意義：為評(píng)價(jià)能量的為評(píng)價(jià)能量的 “量量” 和和 “質(zhì)質(zhì)” 提供了一個(gè)統(tǒng)一尺度；提供了一個(gè)統(tǒng)一尺度； 形成了熱系統(tǒng)形成了熱系統(tǒng)火火用平衡分析法用平衡分析法，比，比能量平衡法能量平衡法更科學(xué)、更合理更科學(xué)、更合理火火用用（exergy，有效能、可用能）：在給定的環(huán)境條件下，有效能、可用能）：在給定的環(huán)境條件下，能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額。符號(hào)；能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額。符號(hào)；ex火火無無（anergy，無效能、不可用能）：在給定的環(huán)境條件，無效能、不可用能）：在給定的環(huán)境條件下，能量中不可能轉(zhuǎn)化

4、為有用功的那部分。符號(hào)；下，能量中不可能轉(zhuǎn)化為有用功的那部分。符號(hào)；anzoran rant: exergos熱量熱量 和冷量和冷量 1、熱量、熱量 系統(tǒng)從高溫?zé)嵩聪到y(tǒng)從高溫?zé)嵩磘定溫吸熱定溫吸熱q，其其=？=卡諾循環(huán)所做的功卡諾循環(huán)所做的功ttqexq01qtteqaxqnq0tsanqexqtqt0 若系統(tǒng)溫度若系統(tǒng)溫度t 變化，取微元循環(huán)變化，取微元循環(huán)微元卡諾循環(huán)微元卡諾循環(huán)qttexq01stqtqtqexq00積分：積分：q的的 值：值：steqaxqnq0說明：說明：（1）熱量）熱量 取決于：取決于： q 、t、t0（2）熱量）熱量 為過程量為過程量（3）熱量）熱量 除與環(huán)境溫度

5、有關(guān)外，還與除與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與 s有關(guān)。有關(guān)。（4）熱量）熱量 的正、負(fù)號(hào)與的正、負(fù)號(hào)與q相同：吸熱，系統(tǒng)獲得了相同：吸熱，系統(tǒng)獲得了 exdsexqtst0 sanq q例例1 熱量熱量火火用用 值計(jì)算值計(jì)算空氣冷卻器將空氣冷卻器將200的空氣定壓冷卻到的空氣定壓冷卻到40，問：每，問：每kg空氣放出的熱量最多能做多少功？（環(huán)境溫度為空氣放出的熱量最多能做多少功？（環(huán)境溫度為25, 空氣空氣cp=1.004kj/kg k為定值，）為定值，）解解分析：熱源溫度變化分析：熱源溫度變化dtcqpqttexq01負(fù)號(hào)：放出熱量。負(fù)號(hào)：放出熱量。該熱量最多能做該熱量最多能做37 kj/kg 的功

6、的功kgkjtdttcqttettpttxq/3711212100kj/kg161)40200(004. 121ttptdcqq有用的部分只占有用的部分只占23%5.2.4 物質(zhì)或物流物質(zhì)或物流 火火用用1、閉口系工質(zhì)物理、閉口系工質(zhì)物理 tst0pp0paobss0t工質(zhì)工質(zhì)可逆過程做功最大，構(gòu)造：可逆過程做功最大，構(gòu)造：（1）定）定s 膨脹（膨脹（a b） 做功做功 定定s膨脹膨脹定定 t 膨脹膨脹 做功做功 1wuq0uuw1（2）定）定t膨脹（膨脹（b o）)()()(000022uusstuuqw)()(00021uusstwwww是最大功嗎？是最大功嗎？no!原因：原因：系統(tǒng)從狀態(tài)

7、系統(tǒng)從狀態(tài)a o ，體積，體積v v0，在，在p0下排擠下排擠環(huán)境做功環(huán)境做功: ( v - v0 )，無法利用，需扣除：，無法利用，需扣除： ex)()()(000000000maxstvpustvpuvvpww比內(nèi)能比內(nèi)能 火火用：用：)()(0000000stvpustvpuex注注（1）ex為狀態(tài)參數(shù)為狀態(tài)參數(shù)（2）由狀態(tài)）由狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)2，最大有用功為，最大有用功為:)()()(2102100121max21vvpsstuueewxx)()()(00000vvpsstuu例例2 內(nèi)能內(nèi)能火火用用 計(jì)算計(jì)算空氣由空氣由狀態(tài)狀態(tài)1 ( 1 mpa, 50) 狀態(tài)狀態(tài)2 ( 0.5 mp

8、a, 40 )求求wmax=？(環(huán)境環(huán)境 :0.1mpa, 25, 空氣空氣cv= 0.716 kj/kg k)解解由由pv = rt 求出：求出：v0、 v1 、 v2狀態(tài)狀態(tài)1 的內(nèi)能的內(nèi)能火火用用ex1 ：)()()(000001vvpsstuuex)()lnln()(0100101001vvpvvrttctttcvv同理，求出狀態(tài)同理，求出狀態(tài)2的內(nèi)能的內(nèi)能：ex2wmax = ex1 ex2 = 114.5 kj/kg2、開口系工質(zhì)物理、開口系工質(zhì)物理 火火用（焓用（焓 火火用）用）穩(wěn)流開口系工質(zhì)焓穩(wěn)流開口系工質(zhì)焓 火火用：用：工質(zhì)從進(jìn)口工質(zhì)從進(jìn)口所做的最大所做的最大技術(shù)功技術(shù)功。（

9、p，t）（p，t0） （p0，t0） 做功做功 wt 1 定定s膨脹膨脹定定 t 膨脹膨脹做功做功 wt 2)()(00021ssthhwwwttt是最大技術(shù)是最大技術(shù) 功嗎？功嗎？yes!推導(dǎo)過程與內(nèi)能類似，不同的是：用公式推導(dǎo)過程與內(nèi)能類似，不同的是：用公式 q = h + wtxe)()(000ssthhex工質(zhì)由狀態(tài)工質(zhì)由狀態(tài)1 狀態(tài)狀態(tài)2能做的最大技術(shù)功：能做的最大技術(shù)功：)()(2102121max,ssthheewxxt5.3 火火用用 損失損失5.3.1 溫差傳熱引起的溫差傳熱引起的 火火用用 損失損失假想熱源假想熱源rq2wt0taq工質(zhì)溫度工質(zhì)溫度1t qtbt0假想熱源假

10、想熱源q01、若無溫差、若無溫差qtteaxqa012、有溫差：可逆熱機(jī)工作于、有溫差：可逆熱機(jī)工作于tb與與t0之間：之間：qttebxqb01火火用用 損失：損失：abxqbxqalttqteee1101而熵產(chǎn)為：而熵產(chǎn)為：abgttqs111101glste00211ttqsg202glste5.3.2 摩擦引起的摩擦引起的 火火用用 損失損失1-2-3-4-1：可逆循環(huán)：可逆循環(huán)pst0qt12347653若膨脹過程若膨脹過程2-3不可逆：不可逆：2- 3，則則q 相同但循環(huán)相同但循環(huán)1-2- 3 -4-1向低向低溫?zé)嵩炊喾艧幔矗荷僮龉Γ簻責(zé)嵩炊喾艧?，即：少做功：wl = q不可逆循

11、環(huán)熵產(chǎn)：不可逆循環(huán)熵產(chǎn)：670sstwslg火火用用 損失：損失：glstsste0670)(綜上，總綜上，總 火火用用 損失：損失：iglste0el5.3.3 能級(jí)、能量貶值原理能級(jí)、能量貶值原理1、能級(jí)（、能級(jí)（）定義：定義：能量的數(shù)量值能量的用火機(jī)械能、電能：機(jī)械能、電能：=1熱能：熱能：110ttqexq環(huán)境熱能：環(huán)境熱能：0100tt2、能量貶值原理、能量貶值原理000isoiglstste孤立系：孤立系：能量貶能量貶值原理：值原理：gouy - stodla公式公式在不可逆過程中，能量的數(shù)量雖然不變，但在不可逆過程中，能量的數(shù)量雖然不變，但值減值減少，即能量的少，即能量的“質(zhì)量質(zhì)量”降低。稱為降低。稱為“能量貶值能量貶值”孤立系統(tǒng)中進(jìn)行熱力過程，孤立系統(tǒng)中進(jìn)行熱力過程，只會(huì)減小不會(huì)只會(huì)減小不會(huì)增大，極限情況下（可逆）增大，極限情況下（可逆）保持不變。保持不變。5.3 火火用效率用效率 1、定義：、定義：值所能提供的值實(shí)際利用的用用火火ex2、與熱效率的關(guān)系：、與熱效率的關(guān)系：熱力循環(huán)：熱力循環(huán)：xqexqewqqqeqwxq1qwtqttexq)1 (0熱效率：熱效率：熱量熱量火火