第二章節(jié)能的熱力學(xué)原理

第二章節(jié)能的熱力學(xué)原理第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1基本概念熱力系統(tǒng)平衡狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)（溫度、壓力、比容和密度、內(nèi)能、焓、熵和等）和狀態(tài)方程功和熱可逆過程火用第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2能量與熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)的能量－輸出系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)儲存能量的變化閉口系統(tǒng)能量衡算ΔU＝Q-Wdu

＝δq－δw微分形式Δu

＝q－w單位質(zhì)量形式第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2能量與熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)的能量－輸出系統(tǒng)的能量＝系統(tǒng)儲存能量的變化δQδWδm1δm2一般開口系統(tǒng)的能量衡算式：式中第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)定流動體系的系統(tǒng)能量衡算式在穩(wěn)定流動的條件下，dU系統(tǒng)＝0，δm1＝δm2能量衡算式為對于單位質(zhì)量為對于多股物質(zhì)流進出開口體系時第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三熱力學(xué)第二定律的表述克勞修斯說法：不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。開爾文說法：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。普朗克說法：不可能制造一個機器，使之在循環(huán)動作中把一重物升高，而同時使一熱源冷卻?？ㄖZ定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T)熵的概念和孤立系統(tǒng)的熵增原理2.3和熱力學(xué)第二定律火用第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三卡諾定理可逆機Q1-Q2WT2T1（T1>T2）pV●●●●Q1，T1T2，Q2ABCD卡諾循環(huán)熱機最大輸出功第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式對一不可逆循環(huán)，如圖A→B→AABirr得：不可逆可逆——熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式可逆ΔS產(chǎn)＝0不可逆ΔS產(chǎn)>0第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三熵增原理及平衡的熵判據(jù)絕熱過程，δQ=0，則有不可逆可逆孤立系統(tǒng)，δQ=0，則有自發(fā)平衡熵增加原理：系統(tǒng)經(jīng)絕熱過程由一狀態(tài)到達另一狀態(tài)，熵值不減少；自發(fā)變化的結(jié)果，必使孤立系統(tǒng)的熵增加(孤立系統(tǒng)中可以發(fā)生的實際過程都是自發(fā)過程)方向：孤立系統(tǒng)的熵增加限度：孤立系統(tǒng)熵值達到最大——平衡態(tài)第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4能量的計算

第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4.1yong(Exergy)和wu(Anergy)的提出能量的分類（不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化）第一類，具有完全轉(zhuǎn)換能力的能量，如機械能、電能等第二類，具有部分轉(zhuǎn)換能力的能量，如熱能和物質(zhì)的內(nèi)能或焓等第三類，完全不具有轉(zhuǎn)換能力的能量，如處于環(huán)境狀態(tài)下的熱能等yong把在周圍環(huán)境條件下，任一形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量wu能量中不能夠轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量火用火無能量

＝＋火用火無第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4.2物系與環(huán)境的基準狀態(tài)物理基準態(tài)基準溫度，環(huán)境溫度，T0＝298.15K（25oC）基準壓力，環(huán)境壓力，p0＝1atm基準相態(tài)化學(xué)基準態(tài)化學(xué)能量（）是由于系統(tǒng)的組成物質(zhì)及成分與環(huán)境不同而引起的?；鶞饰锘鶞饰锸窃诃h(huán)境狀態(tài)下處于平衡的、最穩(wěn)定的物質(zhì)?；鶞饰锏奶攸c（1）每種元素都有其相應(yīng)的基準物；（2）環(huán)境（大氣、海洋、地表）中能存在的物質(zhì)；（3）基準物之間不可能發(fā)生任何自發(fā)的化學(xué)變化；（4）各種基準物都應(yīng)是相應(yīng)元素的最穩(wěn)定物質(zhì)，其能量值（）為0?；鹩没鹩玫?2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三例如：龜山－吉田模型基準溫度，環(huán)境溫度，T0＝298.15K（25oC）基準壓力，環(huán)境壓力，p0＝1atm大氣中氣態(tài)基準物組成：其它元素以在T0、P0下純態(tài)最穩(wěn)定的物質(zhì)作為基準物。組分N2O2H2OCO2ArNeHe組成％75.6020.343.120.030.910.00180.00052環(huán)境基準狀態(tài)的環(huán)境模型：斯蔡古特模型、龜山－吉田模型第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4.3機械形式能量的運動系統(tǒng)所具有的宏觀動能和位能c2/2,gz熱機(氣缸)-W環(huán)境壓力：p0通過系統(tǒng)邊界，發(fā)生體積變化對外做功Ew＝W12－p0（V2－V1）Aw＝p0（V2－V1）火無火用火用第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三

2.4.4熱量的和熱機為例來說明（可逆）可逆機δQ-δQ0δWAT0T（T>T0）第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三(2)熱量的

和熱量熱量可逆過程熱量熱量對于可逆熱機，ΔS產(chǎn)＝0，那么火用火無火用火無第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三熱源溫度恒定：

(3)熱量的和熱源溫度變化：第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度(T<T0)

時，熱量可以設(shè)想一個工作在環(huán)境和物系溫度之間的可逆熱機可逆機-δQ

δQ0δWAT0TT<T0(4)熱量的和火用第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三可逆機-δQ

δQ0δWAT0TT<T0(4)熱量的和第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度(T<T0)

時，可逆機-δQ

δQ0δWAT0TT<T0(4)熱量的和和的表達式為：火無火用體系得到熱量（Q>0)時，減?。‥Q<0）；體系放出熱量（Q<0)時，增大（EQ>0）火用火用第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三溫度低于環(huán)境溫度時，熱量和在T－S圖上的表示EQQ

(5)熱量的和火無火用第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三單位熱量的與溫度的關(guān)系T≥T0，熱量小于熱量；T<T0，冷量可以小于、等于、甚至大于熱量本身。溫差傳熱要引起損失，在溫差相同、傳熱量相同條件下，低溫時的損失，要比高溫時大得多。EQ/Q

(6)熱量和火用火用火用火用火用第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三例2－2（P43）把100kPa、127oC的1kg空氣可逆加熱到427oC，試求所加熱量中的和?？諝獾钠骄▔罕葻崛輈p＝1.004kJ/(kg.K)。設(shè)環(huán)境的大氣溫度為27oC。解：空氣吸收的熱量為：空氣在吸收熱量過程中熵的變化為：火無

(7)熱量和火用所加熱量中的為：火無所加熱量中的為：火用第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三例2－3（P44）在某一低溫裝置中將空氣自600kPa和27oC定壓預(yù)冷至－100oC，試求1kg空氣所獲冷量的和?？諝獾钠骄▔罕葻崛輈p＝1.0kJ/(kg.K)。設(shè)環(huán)境的大氣溫度為27oC。解：空氣獲得的冷量為：空氣在冷卻過程中熵的變化為：火無(8)熱量和火用空氣所獲冷量的為：火無所獲冷量的為：火用第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4.5封閉系統(tǒng)的定義：任一封閉系統(tǒng)從給定狀態(tài)以可逆的方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并只與環(huán)境交換熱量時所能作出的最大有用功。能量：宏觀動能、位能和內(nèi)能。宏觀動能和位能內(nèi)能的計算如下：火用火用第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三p、T、u、sp0、T0、u0、s0δq可逆封閉系統(tǒng)在此過程中的能量方程為：由給定的狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)積分得封閉系統(tǒng)從狀態(tài)1到狀態(tài)2所能作得最大有用功：在可逆過程中即：因此，封閉系統(tǒng)的為火用封閉系統(tǒng)的為火無第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)定物流從一給定的狀態(tài)經(jīng)開口系統(tǒng)，以可逆的方式轉(zhuǎn)變到環(huán)境狀態(tài)，并且只與環(huán)境交換熱量時，所能做出的最大有用功，稱為穩(wěn)定流動系統(tǒng)的。2.4.6穩(wěn)定流動系統(tǒng)的穩(wěn)定流動的能量方程熵方程火用因此，穩(wěn)定流動的系統(tǒng)的為火用第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三環(huán)境狀態(tài)下，c0＝0，z0＝0，積分得穩(wěn)定流動系統(tǒng)的為火用不考慮宏觀動能和位能時，穩(wěn)定流動系統(tǒng)的為火用從狀態(tài)1到狀態(tài)2所能完成的最大有用功為火用相應(yīng)的為火無第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4.7化學(xué)反應(yīng)的最大有用功()當(dāng)穩(wěn)定流動體系進行一個化學(xué)反應(yīng)過程時，其能量衡算式：溫度(T)一定時，化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的熵的方程為：可逆時，ΔS產(chǎn)＝0，系統(tǒng)做出的最大有用功為從反應(yīng)物(1)到產(chǎn)物(2)，ΔS＝S2－S1，ΔH＝H2－H1，那么第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三在標準態(tài)（298.15K，1atm）進行反應(yīng)時，化學(xué)反應(yīng)的最大有用功為式中：ΔH為標準態(tài)下，化學(xué)反應(yīng)過程的焓變，即標準反應(yīng)熱ΔS為標準態(tài)下，化學(xué)反應(yīng)過程的熵變最大有用功也可以直接用自由焓計算第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三例2－5在298.15K和1atm下，CO和O2進行燃燒反應(yīng)生成CO2。反應(yīng)前反應(yīng)物不混合，試求此化學(xué)反應(yīng)的最大反應(yīng)有用功。解：CO＋O2/2CO2查標準熱力學(xué)數(shù)據(jù)表，得組分ΔHof/(kJ/kmol)So/[kJ/(kmol?K)]CO(氣）－1.1052x105197.91O2(氣）0205.03CO2(氣）－393510213.64第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三總能量ΔH：282990kJ，其中有用功257118kJ（90.9％）為

25875kJ（9.1％）火無第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4.8氣體的擴散在p0、T0下的氣體可逆定溫地轉(zhuǎn)變到其在環(huán)境空氣中的分壓pi0時，所能作出的最大有用功，為該氣體的擴散氣體的擴散屬于化學(xué)。理想氣體的擴散可以用最大化學(xué)反應(yīng)有用功的計算式獲得火用火用火用火用第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三用環(huán)境模型計算的物質(zhì)的化學(xué)稱為標準化學(xué)

2.4.9元素和化合物的化學(xué)基準反應(yīng)：是指這樣一種反應(yīng)：一種非基準物質(zhì)（包括元素、單質(zhì)和化合物）與一種或幾種基準物在p0、T0下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)物、生成物均為p0、T0下的純物質(zhì)?；鹩没鹩玫?4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三元素和化合物的化學(xué)的元素的標準化學(xué)：在規(guī)定的模型中，化學(xué)反應(yīng)所能提供的最大化學(xué)有用功火用火用基準物的化學(xué)為零火用元素的化學(xué)：元素與環(huán)境物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)變成基準物所提供的最大化學(xué)反應(yīng)有用功火用純態(tài)化合物的標準摩爾化學(xué)等于組成化合物的單質(zhì)標準化學(xué)之和減去生成反應(yīng)過程的理想功（或加上反應(yīng)的自由能）火用第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三【例2－7】試用龜山－吉田環(huán)境模型求碳（石磨）的標準化學(xué)。解：基準反應(yīng)為C＋O2

CO2標準態(tài)：環(huán)境溫度T0＝298.15K，pO2＝0.2034；pCO2＝0.0003。標準生成焓和標準熵(ΔHf0)i/(kJ/kmol)Si0/[kJ/kmol?K)]C05.69O20205.03CO2-393800213.64火用第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三【例2－7】所以，根據(jù)公式：第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三【例2－8】試用龜山－吉田環(huán)境模型求甲烷CH4氣體的標準化學(xué)。解：甲烷的生成反應(yīng)方程式為：C+2H2CH4查的甲烷的標準生成自由焓火用元素碳的標準摩爾化學(xué)火用元素氫的標準摩爾化學(xué)火用第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三燃料的化學(xué)：p0、T0下的燃料與氧氣一起穩(wěn)定流經(jīng)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)時，以可逆方式轉(zhuǎn)變到完全平衡的環(huán)境態(tài)所能作出的最大有用功。又稱為燃料。2.4.10燃料的化學(xué)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)EFEO2火用火用第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三例2－9計算C2H4燃料的標準化學(xué)。解：C2H4+3O2

2CO2＋2H2O反應(yīng)的自由焓為火用查得：(ΔGf0)C2H4=68.17kJ/mol,(ΔGf0)CO2=-394.6kJ/mol,液態(tài)水的(ΔGf0)H2O=－237.4kJ/mol,(ΔGf0)O2=0,O2的擴散EO2＝3.95kJ/mol，CO2的擴散ECO2＝20.1kJ/mol火用火用所以C2H4的化學(xué)為：火用第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.5損失和衡算方程式1在任何可逆過程中，的總量保持不變，即不發(fā)生向的轉(zhuǎn)變。在任何不可逆過程中，必然發(fā)生向的轉(zhuǎn)變，的總量減少。輸入系統(tǒng)的＝輸出系統(tǒng)的＋損失＋系統(tǒng)的變化衡算方程式火用火用火無火用火無火用火用火用火用火用火用第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.5.1封閉系統(tǒng)的衡算方程式封閉系統(tǒng)的平衡封閉系統(tǒng)熱源THQ，EQWA，EWW0=P0(V2-V1)ELQ0EQ0＝0EW0＝0狀態(tài)12火用第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三封閉系統(tǒng)的衡算方程式2系統(tǒng)從12輸出的有用功為式中不可逆時：可逆時：第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三封閉系統(tǒng)的衡算方程式3對于熱源，熵增量為：對于環(huán)境，熵增量為：的損失為：的損失產(chǎn)生的來源：對于系統(tǒng)，熵增量為：火用火用第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.5.2穩(wěn)定流動系統(tǒng)的衡算方程式穩(wěn)定流動系統(tǒng)熱源THQ，EQWA，EWELQ0EQ0＝0H2,Eh2H1,Eh1式中：第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三有限溫差傳熱過程換熱器

損失火用第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三絕熱節(jié)流過程TT012S1S2S12理想氣體的節(jié)流過程T-S圖損失火用第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三不可逆絕熱壓縮過程T0T12p2p1T-S圖12

損失火用第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三不可逆絕熱膨脹過程T0T12p1p2T-S圖12

損失火用第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.6裝置的效率和損失系數(shù)在系統(tǒng)或設(shè)備進行的過程中，效率（ηe）的定義：收益的（E收益）與耗費的（E耗費）的比值。火用火用火用式中，ζ＝EL/E耗費，稱為損系數(shù)火用損失火用第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三例2－11試導(dǎo)出電熱水器效率與效率（ηe）的數(shù)學(xué)表達式。設(shè)電熱水器絕熱良好，通過器壁向環(huán)境散失的熱量為0。并求當(dāng)T1＝T0＝25oC，ΔT＝50oC時的熱效率和效率。解：電熱水器的能量方程為ΔH＝Q＝N（電功率）

ΔH＝mcp

ΔT所以（第一定律的）熱效率ηt＝mcp

Δt/N=1E收益＝ΔH－T0ΔS＝mcp[ΔT－T0ln(T2/T1）]E耗費＝N所以ηe＝E收益/E耗費＝mcp[ΔT－T0ln（T2/T1）]＝ηt[1-T0ln（T2/T1)/ΔT]因為ηt＝1

ηe＝1－298.15ln(348.15/298.15)/50＝0.0755火用效率火用火用第51頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三損失的可避