工程热力学第五章课件.ppt

第五章 热力学第二定律The second law of thermodynamics,5-1 热力学第二定律,5-2 卡诺循环和多热源可逆循环分析,5-4 熵、热力学第二定律的数学表达式,5-5 熵方程,5-7 火用参数的基本概念热量火用,5-8 工质火用及系统火用平衡方程,5-3 卡诺定理,5-6 孤立系统熵增原理,1,PPT课件,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,2,PPT课件,本章知识点,理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用熵方程，任意过程熵的变化以及作功能力损失的计算。了解火用、火无 的概念。,3,PPT课件,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒与转换定律,所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行,4,PPT课件,51 热力学第二定律,一、自发过程的方向性,只要Q不大于Q，并不违反第一定律,Q,Q,?,自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程,自然界自发过程都具有方向性,5,PPT课件,自发过程的方向性,水自动地由高处向低处流动摩擦生热电流自动地由高电势流向低电势热量由高温物体传向低温物体,6,PPT课件,自发过程的方向性,功量,摩擦生热,热量,100%,热量,发电厂,功量,40%,放热,7,PPT课件,重物下落，水温升高;水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水的内能减少，不违反第一定律。,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻内产生反向电流？只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。,8,PPT课件,归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。,能量转换方向性的实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,9,PPT课件,热力学第二定律的实质,能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?,自然界过程的方向性表现在不同的方面,热力学第二定律,10,PPT课件,二、第二定律的两种典型表述,热功转换 传 热,热二律的表述有 60-70 种,1851年 开尔文普朗克表述 热功转换的角度,1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度,11,PPT课件,开尔文普朗克表述,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。,热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。,12,PPT课件,理想气体 T 过程,q = w,T,s,p,v,1,2,热机：连续作功 构成循环,1,2,有吸热，有放热,热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。,13,PPT课件,克劳修斯表述,不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。,空调,制冷,代价：耗功,14,PPT课件,两种表述的关系,开尔文普朗克表述,完全等效!,克劳修斯表述,违反一种表述,必违反另一种表述!,15,PPT课件,证明1、违反开表述导致违反克表述,Q1 = WA + Q2,反证法：假定违反开表述 热机A从单热源吸热全部作功,Q1 = WA,用热机A带动可逆制冷机B,取绝对值,Q1 -Q2= WA = Q1,Q1 -Q1 = Q2,违反克表述,Q2,Q1,WA,Q1,16,PPT课件,证明2、违反克表述导致违反开表述,WA = Q1 - Q2,反证法：假定违反克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机A从热源吸热Q1,冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开表述,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,17,PPT课件,但违反了热力学第二定律,设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。,第二类永动机是不可能制造成功的 (零发动机),三.关于第二类永动机,历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。,18,PPT课件,热二律的实质Essential of the second law,实践经验得出的经验规律，具有广泛的适用性和高度的可靠性。但是，热能的本质、热现象所以有方向的原因，都不是宏观方法所能解释的，只有在统计热力学中用微观的以及统计的方法才能予以阐明。,19,PPT课件,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,?,热一律与热二律,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t =100不可能,20,PPT课件,第二类永动机不可以制成，是因为？,A、违背了能量的守恒定律B、热量总是从高温物体传递到低温物体C、机械能不能全部转变为热力学能D、热力学能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化D,21,PPT课件,52 卡诺循环和多热源可逆循环分析,法国工程师卡诺 (S. Carnot,1796-1832,法国)，1824年提出卡诺循环,热机能达到的最高效率有多少？,热二律奠基人,效率最高,22,PPT课件,循环Cycle：工质经过一系列的状态变化, 重新回复到原来状态的全部过程。,将热能转化成机械能的循环叫正向循环,它使外界得到功。将机械能转化为热能的循环叫逆向循环,效果是将热量从低温物体传给高温物体,消耗外功。,23,PPT课件,正向循环（Forward cyclepower cycle),顺时针方向Clockwise direction,wnet,q1-q2=wnet,总效果Net result：Output work, Input heat,24,PPT课件,逆向循环（Converse cycle-Refrigeration cycle）,净效果Net result：Input work, Output heat,逆时针方向Anticlockwise direction,wnet,q1-q2=wnet,25,PPT课件,可逆循环与不可逆循环Reversible and irreversible cycle,可逆循环reversible cycle:经过一个可逆循环之后,整个体系,包括工质、高温热源和低温热源都回复到原来状态,而不留下任何改变。,不可逆循环irreversible cycle: 经过一个不可逆循环后,运用任何方法都不可能使整个系统全部回复原状而不留下变化。,26,PPT课件,一、卡诺循环 理想可逆热机循环,卡诺循环示意图,4-1绝热压缩过程，对内作功,1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1),2-3绝热膨胀过程，对外作功,3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1),是两个热源的可逆循环,27,PPT课件,卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,28,PPT课件, t,c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关；,卡诺循环热机效率的说明, T1越大t,c越高, T2越小t,c越高, 当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能, T1 =K, T2 = 0 K, t,c 100%， 热二律,29,PPT课件,讨论：,1）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。,2）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。,30,PPT课件,二、概括性卡诺循环 1. 回热和极限回热,2. 概括性卡诺循环及其热效率,31,PPT课件,三、逆向卡诺循环,制冷系数：,Tc,T0-Tc ,32,PPT课件,供暖系数：,TR,TR-T0 ,33,PPT课件,三种卡诺循环Three typical carnot cycles,T0,T2,T1,制冷,制热,T,s,T1,T2,动力,34,PPT课件,四、多热源可逆循环 1. 平均吸（放）热温度,注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义,2. 多热源可逆循环,2),35,PPT课件,循环热效率归纳：,适用于一切工质，任意循环,适用于多热源可逆循环，任意工质,适用于卡诺循环，概括性卡诺循环,任意工质,36,PPT课件,实际循环与卡诺循环,内燃机 t1=2000oC，t2=300oC,tC =74.7% 实际t =3040%,火力发电 t1=600oC，t2=25oC,tC =65.9% 实际t =40%,回热和联合循环t 可达50%,37,PPT课件,卡诺循环小结summary,在两热源间工作的一切可逆循环,它们的热效率相同,只决定于热源和冷源的温度,与工质的性质无关温度界限相同,但是有两个以上热源（多热源）的可逆循环,其t c,38,PPT课件,选择题,1. 热力学第一定律告诉我们，热机效率不可能（），热力学第二定律告诉我们，它也不能（），而只能（）。A 大于1；B 等于1； C 小于1,2.如果热源温度不变，增大卡诺循环的输出功，则卡诺循环的热效率将（） A 增大 B 不变 C 减小 D不定,A B C,B,39,PPT课件,卡诺定理 热二律的推论之一,定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的 所有热机，以可逆热机的热效率为最高。,卡诺提出：卡诺循环效率最高,即在恒温T1、T2下,结论正确，但推导过程是错误的,当时盛行“热质说”,1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明,Carnot principles,开尔文的证明反证法,若 tIR tR,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,WIR- WR = Q2 - Q2 0,T1无变化从T2吸热Q2-Q2,WR,假定Q1= Q1,要证明,把R逆转,-WR,WIR=Q1-Q2,WR=Q1-Q2,对外作功WIR-WR,克劳修斯的证明反证法,假定：WIR=WR,若 tIR tR,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,Q1 Q1,Q1- Q1 = Q2 - Q2 0,从T2吸热Q2-Q2向T1放热Q1-Q1,不付代价,要证明,Q1-Q2= Q1-Q2 ,WR,把R逆转,卡诺定理推论一,在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关,Q1,Q1,Q2,Q2,WR1,求证： tR1 = tR2,由卡诺定理,tR1 tR2 tR2 tR1,WR2,只有： tR1 = tR2,与工质无关,43,PPT课件,卡诺定理推论二,在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,已证： tIR tR,只要证明 tIR = tR,反证法,假定：tIR = tR,令 Q1 = Q1 则 WIR = WR,工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。, Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0,WR,44,PPT课件,卡诺定理小结,1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR = tC,2、多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC,3、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR tR= tC,45,PPT课件,某项专利申请书上提出一种热机，从167 的热源接受热量，向7 冷源排热，热机每接受1 000 kJ热量，能发出0.12 kWh 的电力。请判定专利局是否应受理其申请，为什么？,解：,故不违反第一定律,根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间工作的热机，以可逆机效率最高,A440155,从申请是否违反自然界普遍规律着手,46,PPT课件,违反卡诺定理，所以不可能,或,违反卡诺定理，所以不可能,返回,47,PPT课件,3.卡诺定理指出（）A 相同温限内一切可逆循环的热效率相等B相同温限内可逆循环的热效率必大于不可逆循环的热效率C相同温度的两个恒温热源间工作的一切可逆循环的热效率相等D相同温度的两个恒温热源间工作的一切循环的热效率相等,C,48,PPT课件,证明：任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程组成的 过程替代。,如图，1-2可用1-a，a-b-c及c-2代替。 需证明： 1-2及1-a-b-c-2的功和热量分别相等。,令面积,1、熵为状态参数,54 熵、热力学第二定律的数学表达式,49,PPT课件,又,所以,50,PPT课件,2. 熵参数的导出,令分割循环的可逆绝热线无穷大，且任意两线间距离0, 则,51,PPT课件,讨论： 1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关； 2）因s是状态参数，故s12=s2-s1与过程无关；,克劳修斯积分等式， （Tr热源温度）,s是状态参数,令,3）,可逆过程代表某一状态函数,熵于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。,令分割循环的可逆绝热线无穷大，且任意两线间距离0, 则,52,PPT课件,熵的物理意义,定义：熵,热源温度=工质温度,比熵,克劳修斯不等式,熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,熵的物理意义,53,PPT课件,1、克劳修斯积分不等式,用一组等熵线分割循环,可逆小循环不可逆小循环,可逆小循环部分：,不可逆小循环部分：,二、热力学第二定律的数学表达式,54,PPT课件,可逆部分+不可逆部分,可逆 “=”不可逆“”,注意：1）Tr是热源温度； 2）工质循环，故 q 的符号以工质考虑。,结合克氏等式，有,克劳修斯不等式,55,PPT课件,某循环在700 K的热源及400 K的冷源之间工作，如图所示，试判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?,解：,A443233,据第一定律,56,PPT课件,违反克劳修斯积分不等式，不可能,(b)改设为逆向的制冷循环,符合克氏不等式，所以是不可逆的制冷循环,方法1: (a)设为热机循环,57,PPT课件,方法2 ： (a)设为热机循环,(b)设为制冷循环,不可能,可能，但不可逆,58,PPT课件,注意： 1）任何循环（可逆，不可逆；正向，反向）第一定律都适用。故判断过程方向时仅有第一定律是不够的； 2）热量、功的“+”、“-”均基于系统，故取系统不同可有正负差别； 3）克氏积分,中，,不是工质微元熵变,返回,59,PPT课件,2、热力学第二定律的数学表达式,60,PPT课件,所以,可逆“=”不可逆，不等号,第二定律数学表达式,讨论：1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；,2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的 方向判据。,61,PPT课件,三、相对熵及熵变量计算,热力学温度0K时，纯物质的熵为零。通常只需确定熵的变化量：,62,PPT课件,熵变的计算方法,理想气体,仅可逆过程适用,任何过程,63,PPT课件,不可逆过程熵差计算,即设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。,64,PPT课件,熵变的计算方法,非理想气体：查图表,固体和液体：,通常,常数,例：水,熵变与过程无关，假定可逆：,65,PPT课件,熵变的计算方法,热源（蓄热器）：与外界交换热量，T几乎不变,假想蓄热器,Q1,Q2,W,T,热源的熵变,66,PPT课件,四、不可逆绝热过程分析,可逆绝热过程，有：,不可逆绝热过程，有：,可逆绝热过程熵不变，不可逆绝热过程熵增。,无论是否可逆过程，均有：,67,PPT课件,不可逆绝热过程分析,对于理想气体，有：,闭口系不可逆绝热过程中熵之所以增大，是由于不可逆因素引起耗散效应，使损失的机械能转化为热能被工质吸收。,68,PPT课件,熵增大原因：主要是由于耗散作用(dissipation),内部存在的不可逆耗散是绝热闭口系统熵增大的唯一原因，其熵变量等于熵产。,不可逆绝热过程分析,69,PPT课件,书上P160，例题5-3,70,PPT课件,55熵方程,一、闭口系熵方程 熵流和熵产,其中,吸热 “+”放热 “”,系统与外界换热造成系统熵的变化,（热）熵流,sg熵产，非负,不可逆 “+”可逆 “0”,系统进行不可逆过程造成系统熵的增加,71,PPT课件,熵流、熵产和熵变,任意不可逆过程,可逆过程,不可逆绝热过程,可逆绝热过程,72,PPT课件,气缸内储有1 kg空气，分别经可逆及不可逆等温，由初态p1= 0.1 MPa，t1= 27 压缩到p2= 0.2MPa，若不可逆等温压缩过程中耗功为可逆等温压缩的120%，确定两种过程中空气的熵增及过程的熵流及熵产。（空气取定比热容， t 0 = 27）,解：,可逆等温压缩,A4412553,73,PPT课件,不可逆等温压缩,由于初终态与可逆等温压缩相同,返回,74,PPT课件,二、 开口系熵方程 考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流和熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程应为： 流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增,其中,流入流出,热迁移质迁移,造成的,热质,熵流,75,PPT课件,流入,流出,熵产,熵增,76,PPT课件,开口系熵方程： 熵可随热量和质量迁移而转移由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），因此熵不守恒，熵产是熵方程的核心,闭口系熵方程：,闭口绝热系：,可逆“=”不可逆“”,77,PPT课件,绝热稳流开系：,稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）,稳流开口系：,s1、s2分别是进出口截面上工质的比熵,78,PPT课件,试判断下列各种“单向”过程的熵变是： a）正；b）负；c）可正可负；d）零,1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量 -10kJ，系统熵变 。,“-”,2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量10 kJ，热量-10kJ，系统熵变 。,“-”or”+”,3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程，装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。,“+”or“-”,4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆过程，装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。,“-”,A140155,返回,79,PPT课件,书上P164页例题5-5,5-6,80,PPT课件,56孤立系统熵增原理,孤立系统,无质量交换,无热量交换,无功量交换,=：可逆过程：不可逆过程,热二律表达式之一,81,PPT课件,由熵方程,因为是孤立系,可逆取 “=”不可逆取“”,结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小，这一规律称为孤立系统熵增原理。,82,PPT课件,3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；,讨论： 1）孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；,2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系（功量交换无熵变）；,83,PPT课件,a),R “=” IR “”,若不可逆，TATB,，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这里也意味着机械能损失。,84,PPT课件,R “=”,IR “”,不可逆使孤立系熵增大造成的后果是机械能（功）减少,b) 热能,机械能,85,PPT课件,1、在任意不可逆过程中，ssf，即任意过程的熵变可表示为：,阐明了过程进行的方向！,并且：,二、熵增原理的实质,2、孤立系统内部存在不平衡势差是过程自动进行的推动力。随着过程进行，系统内部由不平衡向平衡发展，总熵增大，当总熵最大时，过程停止进行，系统达到相应的平衡状态。,指出了热过程进行的限度：,86,PPT课件,3、如果某一过程的进行会导致孤立系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系统的总熵增大，至少保持不变,熵增原理的实质,补偿过程就是伴随着熵减少的过程一起进行的熵增过程；实际过程总是朝熵增大的方向进行,热源T1,Q1,热机,Q2,冷源T2,熵减,熵增,W0,87,PPT课件,利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可能制成的: 它从167 的热源吸热1 000 kJ，向7 的冷源放热568 kJ，输出循环净功432 kJ。,证明：,所以该热机是不可能制成的,A340133,取热机、热源、冷源组成闭口绝热系,返回,88,PPT课件,熵的问答题,1、任何过程，熵只增不减,2、若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S,3、可逆循环S等于零，不可逆循环S大于零,4、不可逆过程S永远大于可逆过程S,89,PPT课件,哪个参数才能正确评价能的价值,热量？,500 K,293 K,100 kJ,1000 K,100 kJ,293 K,57 火用参数的基本概念热量火用,90,PPT课件,哪个参数才能正确评价能的价值,焓？,h1 = h2,p1,p2,w1,w2,w1 w2,91,PPT课件,哪个参数才能正确评价能的价值,内能？,u1 = u2,w1,w2,w1 w2,92,PPT课件,三种不同品质的能量,1、可无限转换的能量,如：机械能、电能、水能、风能,理论上可以完全转换为功的能量,2、不能转换的能量,理论上不能转换为功的能量,如：环境（大气、海洋）,3、可有限转换的能量,理论上不能完全转换为功的能量,如：热能、焓、内能,（Ex）,（An）,（Ex+An）,93,PPT课件,一、能量的可转换性、火用和火无,火用(exergy)： 在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的火用；用Ex表示。 热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆地变化到与环境平衡时，作出的最大有用功称为该热力系的火用。火无(anergy)： 系统中不能转变为有用功的那部分能量称为火无；用An表示。,94,PPT课件,机械能、电能：An=0 Ex=E,能平衡只讨论量，不讨论质。火用平衡既讨论量，还讨论质。,环境介质中的热能： Ex=0,95,PPT课件,二、 热量火用和冷量火用,因T0基本恒定，故quns12,热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的热量。,1、热量火用,96,PPT课件,讨论： 1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高份额，称为热量火用； 2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除和减少，称为热量火无； 3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，因此循环中排向环境的热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是废热。 4）qa与热源放热过程特征有关，因此 qa从严格意义上讲不是状态参数。,97,PPT课件,2、冷量火用 冷量低于环境温度传递的热量。,整理,98,PPT课件,讨论： 1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号,即 “热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。” 2）热（冷）量可用能与T的关系。,热量可用能,冷量可用能,99,PPT课件,100,PPT课件,冷量火用的说明,实际上，只要系统状态与环境的状态有差别，就有可能对外作功，就有Ex,T,ExQ2,Q0,冷量Ex可理解为: TT0,肯定是对其作功才形成的，而这个功（就是Ex）就储存在冷量里了。,101,PPT课件,不可逆过程的火用损失,三、孤立系统熵增与火用损失，能量贬值原理,（以不可逆传热为例）,不可逆过程的熵增大为：,孤立系统熵增等于熵产，可得：,102,PPT课件,热量Q由A传到B，热量的数量并未减少，但Q中的热量火用减少了，热量的品质降低了，即能量贬值了,103,PPT课件,热二律讨论,热二律表述“功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功”, 温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?, 一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?,理想 T (1)体积膨胀,对外界有影响 (2)不能连续不断地转换为功,104,PPT课件,一、闭口系工质的热力学能火用 工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。,5-8 工质火用及系统火用平衡方程,105,PPT课件,气体从初态（p，T）（p0，T0）据,微卡诺机,106,PPT课件,讨论： 1）相对于p0，T0， wu,max是状态参数，称之为热力学能 火用，用Ex,U（ex,U）表示。 2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。,3）pp0, TT0时物系的作功能力,4）因为是最大有用功，所以必须一切过程可逆；最终向环境排热。,如：真空系统作功能力= p0V,107,PPT课件,闭口系统内能的Ex与An的说明,1）闭口系的热力学能u1-u0，只有一部分是exu其余anu=T0(s1-s0)-p0(v1-v0),2）当环境p0, T0一定，exu是状态参数,3）环境的热力学能很大，但热力学能ex=0,4）闭口系由1 2的可逆过程，工质作的最大功,108,PPT课件,二、稳定流动工质的焓火用,0,109,PPT课件,2）从状态12，稳流工质可作出的最大有用功,3）若考虑动能，则称之为物流火用，用Ex（ex）表示,讨论： 1）对于 p0 、T0，wu,max仅取决于状态，称之为焓火用，用Ex,H（ex,H）表示。,0,110,PPT课件,4）焓火用在T-s图上表示,111,PPT课件,* 5）焓火用在h-s图上表示,112,PPT课件,注：点在点1左侧同样,113,PPT课件,三、熵产与系统作功能力（火用）损失 1.两个特例 1)热源温度降低,据热力学第一定律：面积129101 =面积348103,qAa=面积17621qAun=面积691076=T0(s1s2)qBa=面积45734qBun=面积581075=T0(s4s3),114,PPT课件,循环12341比循环12341少输出的净功即为不可逆绝热膨胀过程2-3造成的作功能力损失。,2)不可逆绝热膨胀过程,115,PPT课件,2.闭口系作功能力（火用 ）损失,可逆微元过程中,不可逆微元过程中,116,PPT课件,3.稳流开系作功能力（火用）损失,微元不可逆过程：,归纳：,微元可逆过程：,117,PPT课件,注意：做功能力损失不等于少做的功,可逆等温,不可逆绝热,118,PPT课件,刚性绝热容器用隔板分成两部分，VB=3VA。A 侧有1 kg 空气，p1=1 MPa，T1=330 K，B侧为真空。抽去隔板，系统恢复平衡后，求过程作功能力损失。（T0 = 293 K，p0 = 0.1MPa）,解：,A4402551,119,PPT课件,自由膨胀中没有输出功，为什么,?,思考：,返回,120,PPT课件,某人提出了一个利用温度为600 ，压力为0.1 MPa 的废气资源发电的方案，称若废气流量为每小时200 kg，可发电14.59 kW，问方案是否可行。已知 p0 = 0.1 MPa，t0 = 20 ，废气定压比热容cp = 1.01 kJ/(kgK),解： 分析：为充分利用废气的热能，设废气定压放热到环境温度。在废气和环境大气之间放置可逆热机，其可能的最佳循环为图示。1到2为热机可逆等压吸热(废气放热为 2到1)，3到1为热机等温放热。,A4402552,121,PPT课件,废气热量：,因实际过程必存在不可逆性，所以此方案不可能实现,方法1：循环1231是多热源循环，先求,122,PPT课件,表明废气最充分利用仅有14.59 kW，若机器全部可逆方案可实现，但由于必存在不可逆性，因此方案不可实现,方法2：取废气和大气为系统,123,PPT课件,方法3：根据焓火用的概念废气的焓火用即为可以从废气得到的 最大有用功。,由于存在不可逆性实际机器W Wu,max，故方案不现实。,p1= p0,返回,124,PPT课件,A944277,闭口系绝热过程，系统由初态1变化到终态2，则,考虑排斥大气作功，有用功为,据火用的概念系统由初态1变化到终态2可得到的最大有用功即为热力学能火用：,为什么系统由初态1可逆变化到终态2得到的最大有用功反而小于系统由初态1不可逆变化到终态2得到的有用功小？两者为什么不一致？,分析：,闭口系统绝热过程当初态为一定值时，其终态点2是不能随意给出的。据闭口系的熵方程，需满足,125,PPT课件,闭口系统绝热过程,所以,返回,126,PPT课件,