第五章熱力循環(huán)-熱力學第二定律

化工熱力學ChemicalEngineeringThermodynamics華北科技學院第五章熱力循環(huán)——熱力學第二定律1.三種表述5.1熱力學第二定律(1)有關熱流方向的表述：1850年克勞休斯：

熱不可能自動的從低溫物體傳給高溫物體。

(2)有關循環(huán)過程的表述：1851年開爾文：

不可能從單一熱源吸熱使之完全變成有用功，而不引起其他變化。(3)有關熵的表述：孤立體系的熵只能增加，或達到極限時保持恒定。△St≥0不可逆

可逆孤立體系熱力學第二定律另一種表達式：△St=△Ssys+△Ssur≥0——熵增原理5.1熱力學第二定律2.四個概念熱源

——是一個具有很大熱容量的物系。取出或接受熱量，溫度不變，熱源里的過程為可逆過程。功源

——是一種可以做功或接受功的裝置。功源里的過程是絕熱可逆過程，即等熵過程。絕熱→△Ssur=0→△St=△S功源=0，功源沒有熵變。5.1熱力學第二定律熱機

——是一種產(chǎn)生功并將高溫熱源的熱量傳遞給低溫熱源的一種機械裝置。

熱功率

——熱轉化為功的效率。獲得的功/投入的熱。

ηT=Ws/Q5.2熵熵S與微觀狀態(tài)數(shù)Ω

1878年，L.Boltzmann提出了熵與微觀狀態(tài)數(shù)的關系：

S=klnΩ

粒子的活動范圍愈大，粒子的數(shù)目愈多，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)Ω愈多，系統(tǒng)的混亂度愈大。5.2熵熱機低溫熱源高溫熱源功源可逆熱機循環(huán)示意圖由穩(wěn)流過程的能量平衡式可得：由熱力學第二定律：可逆過程：熱機為系統(tǒng)

循環(huán)過程：

則：

可逆：可逆熱機效率：即使在可逆熱機中做了最大功(可逆功)，也不可能將熱全部轉化為功，ηT<100%a.孤立體系，發(fā)生可逆過程，△St=0，可以獲得最大功Ws(R)，但熱并不能全部轉化成為功。b.孤立體系，發(fā)生不可逆過程，△St>0，說明體系做功能力損失了，而損失做功能力大小與△St成正比。循環(huán)裝置熱源熱源兩個熱源之間的傳熱5.2熵由穩(wěn)流過程的能量平衡式可得：則，Q=QH+QL=0，即，QH=-QL

循環(huán)過程：

a.TH>TL，成立，自發(fā)從高溫熱源傳向低溫熱源b.傳熱溫差△T↓，熵增↓，即不可逆程度越小，導致傳熱過程緩慢。增加傳熱面積，設備費用↑。1.閉系熱力學第二定律5.2熵△Ssys+△Ssur≥0微分形式dSsys+dSsur≥0dSsur=dS熱源+dS功源dS功源=0dSsur=dS熱源=δQsur/T=-δQsys/TdSsys≥δQsys/T通常形式dSsys≥δQ/T不可逆可逆閉系熱力學第二定律5.2熵⑴熵流dSf可逆過程：我們稱為隨熱流產(chǎn)生的熵流。熵流定義：

功源熵變?yōu)榱?，因此功的傳遞不會引起熵的流動。由于傳熱δQR而引起體系熵的變化(2)熵產(chǎn)dSg——熵產(chǎn)生，由于過程的不可逆性引起的熵變。dSsys≥δQ/T等式

積分

過程的不可逆程度越大，熵產(chǎn)生量也越大；熵產(chǎn)生永遠不會小于零。ΔSg>0，不可逆過程ΔSg=0，可逆過程

ΔSg<0，不可能過程

2.熵平衡式5.2熵敞開體系物流入物流出W熵流敞開系統(tǒng)熵平衡示意圖熵平衡的一般關系式：熵流+熵入+熵產(chǎn)-熵出=熵積累(1)穩(wěn)流過程

(2)絕熱過程

(3)封閉體系

(4)孤立體系

可逆，△Sg=0△Sf=0可逆，△Sg=0流出熵=流入熵絕熱可逆=等熵節(jié)流△Sg>0P125，例題5-2，3

概述5.3熱力學圖表用于純物質使用方便：T-S，H-S，lnp-H查熱力學數(shù)據(jù)分析熱力學過程T-S圖5.3熱力學圖表(1)構成

TSC

臨界點T-S示意圖(1)飽和蒸汽曲線汽液共存區(qū)A飽和液體曲線B液相區(qū)蒸汽區(qū)氣相區(qū)5.3熱力學圖表等焓線TSCBAT-S示意圖(2)等壓線x等干度線

濕蒸汽中所含飽和蒸汽的質量百分數(shù)稱為干度x

等容線規(guī)律5.3熱力學圖表(2)使用

單相區(qū)：f=2

兩相區(qū)：f=1

用相律分析

如：

已知某物系在兩相區(qū)的位置，可由T-S圖求出汽液相對量，汽液混合物系的熱力學性質可通過汽液性質及干度求出。5.3熱力學圖表a.等壓過程無相變TCBA加熱外界所交換的熱：

SS1S25.3熱力學圖表有相變：T△S=S2–S1外界所交換的熱：

CBAp1△H=粉線區(qū)域的面積S1S2S5.3熱力學圖表b.節(jié)流膨脹過程TS無相變：△S=△Sg=S2–S1有相變：5.3熱力學圖表c.等熵膨脹過程TS可逆絕熱過程

等熵過程的焓變：),(111pT),(2’22pT￠實際過程對外實際做的軸功：或等熵過程2未知等熵膨脹效率T2’>T2，S2’>S2S2’S2P130，例題5-4，焓熵圖，壓焓圖5.3熱力學圖表熱力學性質圖的共性1.制作原理及步驟相同，僅適用于特定物質。2.圖形中內容基本相同，p,V,T,H,S都有。熱力學圖表與普遍化熱力學圖表的區(qū)別制作原理不同應用范圍不同熱：以實驗數(shù)據(jù)為基礎普：以對比參數(shù)作為獨立變量作出的熱：只適應于特定的物質普：對物質沒限制，適用于任一物質1.卡諾循環(huán)5.4水蒸氣動力循環(huán)以水蒸氣為工質的卡諾循環(huán)示意圖：5鍋爐冷凝器透平水泵6S圖1簡單的蒸汽動力裝置圖2T—S圖上的卡諾循環(huán)43412312卡諾循環(huán)各步驟的能量平衡和熵平衡式2.問題5.4水蒸氣動力循環(huán)第一個具有實際意義的蒸汽動力循環(huán)是郎肯循環(huán)。

（1）濕蒸汽對透平和水泵有浸蝕作用，透平帶水量不得超過10%，水泵不能帶入蒸汽進泵；（2）絕熱可逆過程實際上難以實現(xiàn)。

5.4水蒸氣動力循環(huán)TS14323’1→2：高溫吸熱2→3：等熵膨脹做功要求：濕蒸氣干度≥90%實際軸功：透平產(chǎn)功：3→4：低溫放熱TS14323’5.4水蒸氣動力循環(huán)P135，例題5-54→1：水泵輸送水不可壓縮：循環(huán)過程：實際功：循環(huán)熱效率：ηT=WN/QH思考：郎肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的不同3.朗肯循環(huán)的改進——提高熱效率5.4水蒸氣動力循環(huán)對卡諾循環(huán)：對郎肯循環(huán)：(3)采用再熱循環(huán)

η↑(1)提高水蒸氣的過熱溫度(2)提高水蒸汽的壓力總結η↑原因，P138，例題5-6制冷定義與方法5.5制冷使物系溫度小于環(huán)境溫度的操作稱為制冷。當冷凍溫度大于-100℃，稱普通冷凍。小于-100℃稱深度冷凍。制冷循環(huán)為逆向卡諾循環(huán)

正向卡諾循環(huán)：工質吸熱溫度大于工質放熱溫度。逆向卡諾循環(huán)：工質吸熱溫度小于工質放熱溫度。

工業(yè)上制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷

蒸汽噴射制冷（拉法爾噴嘴）

吸收式制冷

5.5制冷1.制冷原理與逆卡諾循環(huán)工質在低溫下不斷吸熱形成的蒸汽可逆絕熱壓縮高壓液體絕熱可逆膨脹在高溫下放熱4312T工質吸熱蒸發(fā)壓縮升溫放熱冷凝恒熵膨脹S5.5制冷對于工質完成一個循環(huán)：衡量制冷機效能的參數(shù)為制冷系數(shù)，用ξ表示；其定義為：意義：每消耗單位量的外功所獲得的制冷量(QL)。

(1)

制冷系數(shù)僅是工作溫度的函數(shù)，與工質性質無關。結論：(2)在TH和TL兩個溫度之間操作的任何循環(huán)，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大。(3)提高ξ，必須提高TL或降低TH，而TH為環(huán)境溫度，一般不變，所以提高低溫熱源溫度TL，ξ提高(很有使用價值，TL提高，可少消耗功)5.5制冷2.蒸汽壓縮制冷循環(huán)要實現(xiàn)逆卡諾循環(huán)有兩個困難：

(1)飽和蒸汽膨脹產(chǎn)生液體，透平難以承受。

(2)實現(xiàn)絕熱可逆壓縮有困難，壓縮機不能承受。

蒸汽壓縮制冷循環(huán)為克服以上兩個困難而提出。

絕熱壓縮過程：1→2(可逆)或1→2’(不可逆)冷凝過程：2→3

節(jié)流膨脹過程：3→4

蒸發(fā)過程：4→15.5制冷蒸發(fā)器冷凝器節(jié)流減壓閥壓縮機實際循環(huán)制冷系數(shù)：若已知制冷量QL，制冷劑的循環(huán)流量：P141，例題5-7提高ξ的措施(1)降低冷凝溫度TH，消耗功減少，制冷量增加，ξ升高；

(2)提高TL，即提高蒸發(fā)溫度，制冷量增加，所以ξ升高；(3)使飽和液體過冷，使之節(jié)流膨脹。制冷量加大，ξ提高。5.5制冷3.吸收式制冷循環(huán)

吸收制冷是不用機械功，通過吸收和精餾裝置來完成循環(huán)過程。以溶液為工質(例如，氨)。吸收式制冷裝置運行的經(jīng)濟指標成為熱力系數(shù)ε，定義：QL為吸收的熱量(制冷量)，Q為外界提供的熱量。ε=QL/Q優(yōu)點：

可以利用低溫熱能，尤其是利用工業(yè)余熱或廢熱；耗電量少。缺點：

ε較低一般為0.3~0.5；設備體積較龐大，靈活性較小。

5.5制冷4.制冷工質的選擇

氨，CO2，SO2，C2H6，C2H4等，氨應用最廣泛。

選擇汽化潛熱大的工質。操作壓力要合適，即冷凝壓力不宜過高。制冷工質具有化學穩(wěn)定性。

為了操作安全，制冷工質不應有易燃、易爆性。

價格要低，可以獲得大量的供應。

5.6熱泵概述作用：將低溫熱源的熱量