第二章热力学分析精选文档.ppt

《第二章热力学分析精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章热力学分析精选文档.ppt（55页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第二章热力学分析本讲稿第一页，共五十五页第第一一类类：可可以以完完全全转转换换的的能能量量 这这是是理理论论上上可可以以百百分分之之百百地地转转换为其它能量形式的能量，是换为其它能量形式的能量，是“高级能量高级能量”，如机械能、电能。，如机械能、电能。第第二二类类：可可以以有有限限转转换换的的能能量量 这这种种能能量量即即使使在在极极限限情情况况下下，也也只只能能有有一一部部分分转转换换为为机机械械功功。例例如如热热能能。现现代代热热功功转转换换的的最最高高效效率率4347%。第第三三类类：不不可可能能转转换换的的能能量量 这这种种能能量量，在在环环境境的的条条件件下下，无无法转换成机械功。例

2、如环境介质（大气、水、土壤）中的内能。法转换成机械功。例如环境介质（大气、水、土壤）中的内能。不同转换能力的三类能量热能的一部分可以转换为有用的机械功热能的一部分可以转换为有用的机械功另一部分对于转换机械功没用另一部分对于转换机械功没用本讲稿第二页，共五十五页(exergy)的的 定义定义 的的定定义义：当当系系统统由由某某状状态态可可逆逆变变化化到到与与周周围围环环境境相相平平衡衡的的状状态态时时，理理论论上上可可以以转转换换为为机机械械功功的的那那部部分分能能量，称为系统的量，称为系统的。的的 定义：在周围环境条件下，能量中理论上能够转换为有定义：在周围环境条件下，能量中理论上能够转换为有

3、用功的部分，称为该能量的用功的部分，称为该能量的。的的 定义：热力学系统从给定状态到与周围介质平衡过程中定义：热力学系统从给定状态到与周围介质平衡过程中可做的最大功可做的最大功 是衡量能量品位高低的尺度本讲稿第三页，共五十五页(anergie)的定义的定义 的定义：能量中不可能转换为有用功的能量部分的定义：能量中不可能转换为有用功的能量部分 的定义：不可能转换为的定义：不可能转换为 的能量的能量能量被人为地分成能量被人为地分成能量被人为地分成能量被人为地分成 、两部分：两部分：两部分：两部分：能量能量=+v机械能、电能的全部是机械能、电能的全部是，为零。为零。v环境介质环境介质（大气、水、土壤

4、）（大气、水、土壤）的内能中没有的内能中没有，全部是，全部是 。本讲稿第四页，共五十五页能量的转换规律能量的转换规律从从 和和 的观点看，能量的转换规律可以归纳为：的观点看，能量的转换规律可以归纳为：（1）能量守恒原理：）能量守恒原理：与与 的总和保持守恒的总和保持守恒（2）不能转换为不能转换为，很容易变为很容易变为 。（3）可逆过程没有能量的贬值，）可逆过程没有能量的贬值，的总量保持守恒。的总量保持守恒。（4）实实际际过过程程是是不不可可逆逆的的，必必然然发发生生能能量量贬贬值值，的的一一部部分分变变为为，即即 损损失失。过过程程的的不不可可逆逆性性越越大大，损损失失越越多多。的总量随不可逆

5、过程的进行不断减少。的总量随不可逆过程的进行不断减少。（5）孤孤立立系系统统 减减原原理理：孤孤立立系系统统的的 不不会会增增加加，只只能能减减少少或或不变。不变。现实当中的孤立现实当中的孤立系统在那里？系统在那里？本讲稿第五页，共五十五页建立建立 平衡方程的原则平衡方程的原则进入设备的=离开设备的+损失 进入过程的=离开过程的+损失转换之前的=转换之后的+损失反应之前的=反应之后的+损失本讲稿第六页，共五十五页热量热量 与所有热能动力有关与所有热能动力有关本讲稿第七页，共五十五页热量热量 E Eq的定义和计算的定义和计算热量热量的定义：系统在温度T时所吸收的热量Q在给定环境状态下经过可逆方式

6、转换的最大有用功Wmax，称为该热量Q的。由卡诺定理：T系统吸收热量时的绝对温度(恒温)，K；T0环境温度，K。吸热温度吸热温度T T 越高，热量越高，热量 越多。越多。本讲稿第八页，共五十五页热量热量 A Aq q的计算的计算系统的与系统的熵增量成正比，比例系数为T0温度越高温度越高 越少越少本讲稿第九页，共五十五页如果加热时系统温度如果加热时系统温度是变化的。设初参数是变化的。设初参数为（为（T1、S1），加入），加入热量后系统经过一热量后系统经过一系列可逆变化到状系列可逆变化到状态（态（T2、S2）。根据）。根据卡诺定理，相对于卡诺定理，相对于温度为温度为T0的环境的热的环境的热量量 为

7、为E Eq q，热量，热量 为为A Aq q。系统熵增（与前相同）本讲稿第十页，共五十五页 和和 在在T T-s s图上的表示图上的表示本讲稿第十一页，共五十五页热量和的例题例题例题 设设工质分别以工质分别以300和和500恒温吸收热量恒温吸收热量3000kJ。试计算。试计算所吸收热量的所吸收热量的 和和 分别为多少？环境温度分别为多少？环境温度t0=27。解解 （1 1）工质温度）工质温度t t=300=300时时 本讲稿第十二页，共五十五页（2）工质温度）工质温度t=500时时 温度越高，热能的品位越高。本讲稿第十三页，共五十五页封闭系统的内能封闭系统的内能 Eu“内能内能”的来由：在封闭

8、系统的条件下，也就是工质不流动的条的来由：在封闭系统的条件下，也就是工质不流动的条件下，件下，系统靠消耗本身内能系统靠消耗本身内能来完成最大有用功的转换，所以称封闭来完成最大有用功的转换，所以称封闭系统的系统的 为为“内能内能”，也可称为，也可称为“做功能力做功能力”。本讲稿第十四页，共五十五页内能内能 Eu定义定义：封闭系统由给定状态可逆地过渡到：封闭系统由给定状态可逆地过渡到与环境相平衡状态的过程中所能完成的最大有用与环境相平衡状态的过程中所能完成的最大有用功。功。U U 、U U0 0内能，内能，kJkJ p p0 0 压力，压力，kN/mkN/m2 2V V、V V0 0容积，容积，m

9、 m3 3 T T0 0绝对温度，绝对温度，K KS S、S S0 0熵，熵，kJ/KkJ/K本讲稿第十五页，共五十五页对于对于1kg1kg工质相应有比内能工质相应有比内能 e eu u内能内能 的别名：的别名：作功能力、可用度作功能力、可用度u u 、u u0 0比内能，比内能，kJ/kgkJ/kgv v、v v0 0比容积，比容积，m m3 3/kg/kgs s、s s0 0比熵，比熵，kJ/kgKkJ/kgK本讲稿第十六页，共五十五页封闭系统内能封闭系统内能 Eu的推导的推导对于可逆过程（增加下标对于可逆过程（增加下标“rev”、“u,max”）封闭系统能量平衡方程式封闭系统能量平衡方程

10、式仅对环境放热，负值消耗内能，负值排挤环境功最大有用功本讲稿第十七页，共五十五页系统放热量等于环境吸热量：系统放热量等于环境吸热量：负号负号？可逆过程的孤立系统熵增为零：可逆过程的孤立系统熵增为零：系统熵变环境熵变熵的定义：熵的定义：系统放热时的温度环境温度本讲稿第十八页，共五十五页系统从任意状态可逆过渡到环境状态时，系统对外界作的最大有系统从任意状态可逆过渡到环境状态时，系统对外界作的最大有用功：用功：本讲稿第十九页，共五十五页封闭系统的最大有用功封闭系统的最大有用功从状态从状态1 1到状态到状态2 2，封闭系统能完成的最大有用功为，封闭系统能完成的最大有用功为(W(Wu,maxu,max)

11、1212 封闭系统能完成的最大有用功等于状态封闭系统能完成的最大有用功等于状态1与状态与状态2内内能能 的差值，或者说是过程中内能的差值，或者说是过程中内能 的减少量。的减少量。本讲稿第二十页，共五十五页封封闭闭系系统统比比最大有用功最大有用功封闭系统从状态封闭系统从状态1 1过渡到状态过渡到状态2 2，1kg1kg的工质的工质能完成的最大有用功为能完成的最大有用功为本讲稿第二十一页，共五十五页内能内能 是状态参数是状态参数当环境状态一定时，内能当环境状态一定时，内能 是状态参数。是状态参数。本讲稿第二十二页，共五十五页开口系统的焓开口系统的焓 Eh开口系统焓的研究适用于工质连续流动的发动机本

12、讲稿第二十三页，共五十五页稳定流动焓稳定流动焓 E Eh h的定义的定义：稳定流动工质从给定状态流经稳定流动工质从给定状态流经开口系统，以可逆方式过渡到与环境平衡的状态时，开口系统，以可逆方式过渡到与环境平衡的状态时，系统做出的最大有用功系统做出的最大有用功w wu,maxu,max。对于对于1kg1kg工质的工质的比焓比焓 e eh h：（与内能（与内能（与内能（与内能 的推导类似）的推导类似）的推导类似）的推导类似）本讲稿第二十四页，共五十五页焓焓 的特点的特点（1 1）流动工质从状态）流动工质从状态1过渡到状态过渡到状态2通过通过开口系统，所能完成的最开口系统，所能完成的最大有用功等于两

13、个状态工质焓大有用功等于两个状态工质焓 的差：的差：（2 2）当环境的温度和压力为定值时焓）当环境的温度和压力为定值时焓 也是状态参数也是状态参数本讲稿第二十五页，共五十五页环境是相对的环境是相对的v汽轮机以天然水（河流水、海水）为环境汽轮机以天然水（河流水、海水）为环境v海水温差发电以深海水为环境，以海面水为热源海水温差发电以深海水为环境，以海面水为热源本讲稿第二十六页，共五十五页作业题作业题1.1.、定义各写出一种说法定义各写出一种说法2.哪些物质的内能在大气环境条件下无法转成机械功哪些物质的内能在大气环境条件下无法转成机械功?3.写出并解释热量写出并解释热量 的计算式的计算式4.写出并解

14、释内能写出并解释内能 的计算式的计算式5.写出并解释焓写出并解释焓 的计算式的计算式本讲稿第二十七页，共五十五页重要概念的回顾：当当系统系统由某由某状态可逆变化状态可逆变化到与周围环境到与周围环境相平衡相平衡的状态的状态时，理论上可以时，理论上可以转换为机械功转换为机械功的那部分的那部分能量能量。热量热量：内能内能：焓焓 ：本讲稿第二十八页，共五十五页 效率效率 和和 损失系数损失系数Ep_支付支付(消耗消耗)，例如封闭系统和开口系统的，例如封闭系统和开口系统的 最大有用功；最大有用功；Eg_收益收益(可利用可利用)，例如转换得到的机械功或电功；，例如转换得到的机械功或电功；El_ 损失。损失

15、。以以Ep除等式两边除等式两边类比热效率可以定义类比热效率可以定义 效率和效率和 损失系数：损失系数：希腊字母EtaZeta本讲稿第二十九页，共五十五页效率：可利用 Eg与消耗 Ep的比值损失系数：损失El与消耗Ep的比值效率e是消耗 Ep的利用分额，损失系数是消耗 Ep的损失分额。理想可逆过程没有损失，效率等于1；实际不可逆过程有损失，效率小于1。本讲稿第三十页，共五十五页能级（能质）能级（能质）是量与能量的比：量与能量的比：本讲稿第三十一页，共五十五页例题齿轮箱输入功率齿轮箱输入功率100kW，输出功率，输出功率95kW。请计算齿轮箱每分钟的。请计算齿轮箱每分钟的作功能力损失、作功能力损失

16、、效率和效率和 损失系数。损失系数。解：解：（机械能全是（机械能全是）1）每分钟的作功能力损失）每分钟的作功能力损失El=60(100-95)=300kJ2）效率效率e=Eg/Ep=95/100=0.953）损失系数损失系数=El/Ep=1-e =300/(60100)=0.05本讲稿第三十二页，共五十五页例题1、2两台燃气轮机，相同的循环设计参数：燃烧温度两台燃气轮机，相同的循环设计参数：燃烧温度2200K，工质，工质吸热量吸热量90kJ，因膨胀过程不可逆循环功减少，因膨胀过程不可逆循环功减少4kJ，排气温度，排气温度600K，环境温度环境温度300K。不相同的循环设计参数：涡轮机前进口温度

17、（混气。不相同的循环设计参数：涡轮机前进口温度（混气后）后）T1=1100K，T2=1500K（冷却叶片）。请计算（冷却叶片）。请计算1）工质吸热量的可用能）工质吸热量的可用能2）循环中实际完成的功及放出的热量）循环中实际完成的功及放出的热量3）燃气轮机作功能力损失、）燃气轮机作功能力损失、效率效率4）各不可逆过程作功能力损失）各不可逆过程作功能力损失本讲稿第三十三页，共五十五页1）吸热量的可用能）吸热量的可用能2）设下标）设下标(1)、(2)与气轮机编号对应与气轮机编号对应 根据卡诺循环写出实际功的计算式：根据卡诺循环写出实际功的计算式：解：解：根据第一定律写出放热量的计算式：根据第一定律写

18、出放热量的计算式：工质温度提高作功多本讲稿第三十四页，共五十五页3）燃气轮机作功能力损失、）燃气轮机作功能力损失、效率、效率、损失系数损失系数本讲稿第三十五页，共五十五页4）三个不可逆过程作功能力损失）三个不可逆过程作功能力损失v高温热源（火焰）与工质间的传热高温热源（火焰）与工质间的传热v工质的不可逆膨胀工质的不可逆膨胀循环功少4kJ变为放热4kJ本讲稿第三十六页，共五十五页v工质与低温热源（环境）的传热工质与低温热源（环境）的传热可以验证：可以验证：本讲稿第三十七页，共五十五页稳定流动过程的稳定流动过程的 效率与效率与 损失损失作功系统的作功系统的 效率效率 耗功系统的耗功系统的 效率效率

19、 本讲稿第三十八页，共五十五页理想功与最大有用功是一回事理想功与最大有用功是一回事教材给出稳定流动过程理想功教材给出稳定流动过程理想功wide的公式（的公式（3-38）与开口系统最大有用功与开口系统最大有用功(wu,max)12是一回事是一回事开口系统最大有用功开口系统最大有用功开口系统开口系统焓焓 本讲稿第三十九页，共五十五页 损失的表达式损失的表达式理想功：理想功：实际功：实际功：损失：损失：理想可逆过程：Q=T0s系统放热环境吸热考虑稳定流动系统，仅向环境放热。考虑稳定流动系统，仅向环境放热。本讲稿第四十页，共五十五页例例题题某蒸汽涡轮机进口水蒸汽状态某蒸汽涡轮机进口水蒸汽状态p1=1.

20、35MPa，t1=370。排。排汽状态汽状态p2=0.008MPa的饱和水蒸汽。环境温度的饱和水蒸汽。环境温度20。计算涡轮机的计算涡轮机的 效率和效率和 损失损失。解：解：由水蒸汽参数表查出由水蒸汽参数表查出p1=1.35MPa，t1=370时，时，h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kgK)p2=0.008MPa的饱和汽：的饱和汽：h2=h2=3194.7kJ/kg s2=s2=8.2295kJ/(kgK)ws=h1-h2=617.6kJ/kgwide=T0s-h=T0(s2-s1)-(-h)=912.1kJ/kg 效率：效率：损失：损失：实际功：实际功：理想功：理想功

21、：本讲稿第四十一页，共五十五页例题例题某汽轮机进口蒸汽参数某汽轮机进口蒸汽参数p1=2.1MPa，t1=480。排汽状态。排汽状态p2=0.001MPa饱和蒸汽。排汽在冷凝器中被饱和蒸汽。排汽在冷凝器中被t0=15（环境温度）水冷却为（环境温度）水冷却为t3=30的凝结水。忽略水泵功。的凝结水。忽略水泵功。计算计算（1）实际功、理想功）实际功、理想功（2）汽轮机和冷凝器的）汽轮机和冷凝器的 损失、损失、损失系数损失系数（3 3）整个装置）整个装置 效率效率解：解：查汽水参数（数据准备）查汽水参数（数据准备）h1=3422.2kJ/kg，s1=7.3511kJ/(kgK)h2=h2=2584.8

22、，s2=s2=8.1511h3=h3=125.7，s3=s3=0.4365本讲稿第四十二页，共五十五页理想功理想功:含汽轮机和冷凝器的理想功实际功实际功:汽轮机的汽轮机的 损失及损失系数损失及损失系数:q12=0本讲稿第四十三页，共五十五页冷凝器的冷凝器的 损失及损失系数损失及损失系数:排汽放热量整个装置整个装置 效率：效率：利用情况汽轮机损失系数0.177冷凝器损失系数0.181整个装置效率0.642本讲稿第四十四页，共五十五页 损失的定义式损失的定义式 损失的理解：损失的理解：实际过程中的不可逆因素将的一部分损失掉了，称为损失，用wl表示，还称为功损失。本讲稿第四十五页，共五十五页 损失的

23、通用表达式损失的通用表达式stot _ 研研究究对对象象（孤孤立立系系统统、热热力力系系与与环环境境、传传热热过过程程、燃燃烧烧过过程等）的熵增量，程等）的熵增量，KJ/(kgK)；wl _ 研究对象的研究对象的 损失，损失，KJ/kg；T0 _环境温度，环境温度，K。说明如下：说明如下：_温差传热、有摩擦膨胀、混合、摩擦生热、燃烧温差传热、有摩擦膨胀、混合、摩擦生热、燃烧本讲稿第四十六页，共五十五页1.温差传热过程温差传热过程 损失表达式损失表达式 TA、TB两个热源处在温度两个热源处在温度为为T0的环境中，并且的环境中，并且TA TB T0。由卡诺定理，两种由卡诺定理，两种连接的作功能力为

24、连接的作功能力为本讲稿第四十七页，共五十五页唯一的区别是连接唯一的区别是连接2 2多了一个温差传热过程。多了一个温差传热过程。连接连接1全是可逆过程，孤立系统熵增是零。连接全是可逆过程，孤立系统熵增是零。连接2多了多了TA TB的不可逆传热过程，孤立系统熵增为的不可逆传热过程，孤立系统熵增为本讲稿第四十八页，共五十五页温差传热引起作功能力损失的图示温差传热引起作功能力损失的图示本讲稿第四十九页，共五十五页2.有摩擦膨胀的有摩擦膨胀的 损失表达式损失表达式 考查两种不同的循环，可逆考查两种不同的循环，可逆循环循环1-2-3-4-1的功的功W及不可逆循环及不可逆循环1-2-3-4-1的功的功W：仅

25、2-3过程不可逆不可逆循环不可逆循环1-2-3-4-1的孤立系统熵增：的孤立系统熵增：损失表达式：损失表达式：本讲稿第五十页，共五十五页分析孤立系统各组成部分的熵变化也可以得到孤立系统熵增为：分析孤立系统各组成部分的熵变化也可以得到孤立系统熵增为：高温热源熵是减少的，其大小等于（可逆换热）工质高温热源熵是减少的，其大小等于（可逆换热）工质1-2加热过程加热过程熵的增加：熵的增加：低温热源熵是增加的，其大小等于（可逆换热）工质低温热源熵是增加的，其大小等于（可逆换热）工质3-4放热过程放热过程熵的减少：熵的减少：仅2-3过程不可逆工质熵不变：工质熵不变：本讲稿第五十一页，共五十五页3.混合过程的

26、混合过程的 损失表达式损失表达式S1、S2 _混合前后系统中各成分熵的总和混合前后系统中各成分熵的总和 4.摩擦生热过程的摩擦生热过程的 损失表达式损失表达式设机械摩擦损失功全变为热量设机械摩擦损失功全变为热量 则则仍可以部分转为功本讲稿第五十二页，共五十五页5.燃烧过程的燃烧过程的 损失表达式损失表达式本讲稿第五十三页，共五十五页作业题1.解释冷凝器解释冷凝器 损失产生的原因损失产生的原因2.2.举例说明举例说明热量热量 的概念与计算方法与现实中那的概念与计算方法与现实中那种设备相关种设备相关3.3.举例说明举例说明焓焓 的概念与计算方法与现实中那种设的概念与计算方法与现实中那种设备相关备相关本讲稿第五十四页，共五十五页本讲稿第五十五页，共五十五页