工程热力学第三版电子教案第5章

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1、第5章热力学第二定律5．1本章基本要求455．2本章重点:455．3本章难点455．4例题465．5思考及练习题555．6自测题605．1本章基本要求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，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无的概念。5．2本章重点:学习本章应该掌握以下重点内容:,l．深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2．深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3．系

2、统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。4．深入理解熵增原理,并掌握其应用。5．深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法5．3本章难点l．过程不可逆性的理解，过程不可逆性的含义。不可逆性和过程的方向性与能量可用性的关系。2．状态参数熵与过程不可逆的关系。3．熵增原理的应用。4．不可逆性的分析和火用分析.5．4例题例1：空气从P1=0.1MPa，t1=20℃，经绝热压缩至P2=0.42MPa，t2=200℃。求：压缩过程工质熵变。（设比热为定值）。解：定压比热：由理想气体熵的计算式：例2：刚性容器中贮有空气2kg，初态参数P

3、1=0.1MPa，T1=293K，内装搅拌器，输入轴功率WS=0.2kW，而通过容器壁向环境放热速率为。求：工作1小时后孤立系统熵增。解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程：经1小时，由定容过程：，取以上系统及相关外界构成孤立系统：例3：压气机空气由P1=100kPa，T1=400K，定温压缩到终态P2=1000kPa，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25%。设环境温度为T0=300K。求：压缩每kg气体的总熵变。解：取压气机为控制体。按可逆定温压缩消耗轴功：实际消耗轴功：由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：因为理想气体定温过

4、程：h1=h2故：孤立系统熵增：稳态稳流：例4：已知状态P1=0.2MPa，t1=27℃的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为P2=0.1MPa。求：作功能力损失。（设环境温度为T0=300K）解：取整个容器（包括真空容器）为系统，由能量方程得知：，对绝热过程，其环境熵变热机热泵图5.1600K293K263K例5：如果室外温度为-10℃，为保持车间内最低温度为20℃，需要每小时向车间供热36000kJ,求：1)如采用电热器供暖,需要消耗电功率多少。2)如采用热泵供暖，供给热泵的功率至少是多少。3)如果采用热机带动热泵进行供暖，向热机的

5、供热率至少为多少。图5.1为热机带动热泵联合工作的示意图。假设：向热机的供热温度为600K，热机在大气温度下放热。图5.2解：1)用电热器供暖，所需的功率即等于供热率,故电功率为=10kW2)如果热泵按逆向卡诺循环运行，而所需的功最少。则逆向卡诺循环的供暖系数为=9.77热泵所需的最小功率为=1.02kW3)按题意，只有当热泵按逆卡诺循环运行时，所需功率为最小。只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为时所需的供热率为最小。由热机按所需的最小供热率为例6：一齿轮箱在温度T=370K的稳定状态下工作，输入端接受功率为100kW，而输出功率为95kW

6、,周围环境为270K。现取齿轮箱及其环境为一孤立系统(见图5.2)1)试分析系统内发生哪些不可逆过程。并计算每分钟内各不可逆过程的熵产及作功能力的损失。计算系统的熵增及作功能力总的损失。解：1)此孤立系统内进行着两个不可逆过程：由于齿轮箱内部的摩擦将功变为热的过程,齿轮箱(T=370K)与环境(To=270K)间的温差传热过程。分别计算如下,每分钟内齿轮箱中损失的功及传向环境的热Q=60×(100-95)=300kJ因齿轮箱在稳定状态下工作，其能量平衡关系为(-Q)=+W=0+60×95-60×100=-300kJ故Q=300kJ(2)齿轮箱

7、内不可逆过程的熵产与作功能力损失熵产=0.8108kJ/K作功能力损失=270×0.8108=218.92kJ(3)齿轮箱与环境间温差传热所引起的熵产与作功能力损失熵产作功能力损失=270×0.3003=81.08kJ2)孤立系统的熵增及作功能力的损失解一：孤立系统的熵增为各不可逆过程中熵产之和=0.8108+0.3003=1.111kJ/K作功能力总损失W=218.92+81.08=300kJ解二：孤立系统的熵增为齿轮箱的熵变化与环境的熵变化之和。因齿轮箱在稳定状态下工作，故其熵变化=0而环境在温度T=270K的情况下接受热量Q，故其熵变化

8、为=1.11kJ/K因此,孤立系统的熵增为==0+1.111=1.111kJ/K孤立系统内作功能力的损失=270×1.111=300kJ两种解法所得结论相同。讨论：