毕业论文（设计）热力学与传热学的共性理论基础—可逆与不可逆过程普适的有效能方程

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1、热力学与传热学的共性理论基础一可逆与不可逆过程普适的有效能方程摘要回顾总结了热力学与传热学共性理论基础研究的系列成果，从正视热力学笫二定律、“嬌产”理论在实际应用中存在的问题入手，以势能理论为依据，用相对环境平衡态的势能和基准态势能定义能量中的有效能和无效能，具有与“烟”相同的性质，乂能从定义式直接写出有效能函数的表达式；继而利用热力学第一定律方程，推导出了普适的有效能方程、有效能率方程，并与嫡方程、“炼”耗散方程和“炖”方程进行了比较，前者方程各项都只与状态冇关，都能独立计算出來，后三个方程都冇一项与不可逆过程冇关的补缺项；把

2、冇效能率方程应用于传热过程，导出了传热效率的表达式；应用于实际热机系统，导出了传热与热力耦合系统的输出功率、输入热流率、效率、换热器传热系数以及运行参数热源之间的关系，并举例应用于系统优化设计。本文构建的热力学和传热学共性理论，为热机与换热器耦合进行热力系统综合分析和协调优化提供了理论基础。关键词热力学；传热学；冇效能；冇效能方程；不可逆热力学；传热效率0前言热力学CL2］和传热学［3］同属热学，是工程热物理学科的两个重要基础分支学科，两个学科的所建立的理论都是为提高热/功转换设备效率服务的。对是两个学科独立发展的理论体系，除了

3、能量守恒有共同处以外，缺乏能在热力和传热耦合的实际的热力系统中去协同指导优化设计的理论。热力学的基础理论是热力学第一、二定律，利用热力学第一定律和平衡态以及可逆过程的假设条件，研究热力系的状态变化与外界的功/热量交换的关系，系统与功源和热源的能量交换没有阻力的约束，理论推导岀没有时间参量的理想过程的效率，例如，卡诺循环热机的效率，以此作为实际系统能量转化效率的追求标准。因此，经典热力学没有给出输入、输出的能量功率与能量有效利用率的理论关系，只能通过实验测试某功率条件下实际能量转化效率，这是经典热力学的不足。在人类追求把热能全部转

4、化为功的不断失败后，科学家总结出热力学第二定律，热力学第二定律有不同的表述山？」，克劳修斯(RudolfClausius)的说法L，J(1854):不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化；开尔文(LordKelvin)的说法(1851)：不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。但是，这样描述的定律，显然不够彻底，虽然指出了怎么做不行，却没有清楚指出怎么做才行，没有回答把热量从低温物体传到高温物体会引起什么其他变化，英变化是多少。当然，热力学第二定律的对科学和能源工程的贡献是巨大的。传热学研究热量传输的

5、规律，总结岀三种传热形式：热传导、对流和辐射，认为温差或温度梯度是的传热的起因，采用嫡产和“協”耗散度量传热过程的不可逆性，并以最小“嫡产率”旧和最小“協”耗散率的理论指导换热器优化研究皈。上述两种理论仍然无法给出热量输运的效率合理定义式，因此难以在热力系统中热力循环和换热器协同优化。实际热力或制冷系统是包括工质循环和高、低温换热器的系统，存在工质循环内部和外部换热的不可逆过程，系统设计要在满足输入、输出功率条件下有高的能量利用效率和低的设备成本。经典热力学没有时间参量，传热学又不能计算传热过程的动力能消耗，因此，研究热力学与传

6、热学的共性理论有重要意义。1热力学中的热力学第二定律数学描述及其相关理论1.1克劳修斯不等式和“炳产”作为定律，应当提供可供计算的数学表达式。克劳修斯(1865)年提出了克劳修斯积分式，f6g/T<0,并定义了嬌参数dS=dQ/T,Q是系统与外界交换的热量，温度丁和燔S都是系统的状态参数。于是，M“嬌变”dS表示的热力学笫二定律克劳修斯不等式为dsn塑(1)T式(1)的等式用于可逆过程计算，不等式用于不可逆过程的判据。为了能够对不可逆过程提供量化判据，提出“嬌产”概念，“爛产”定义为系统在在不可逆过程比可逆过程增加的爛变量，记作

7、6二或4二o当把可逆过程的矯变量记为dSf时得到嫡方程表示,dS=dSf+5Sg(2)在孤立系中爛变量dSlso>0,即爛增定理。据此可以建立孤立系求得过程的“爛产”辺汀一百多年来，热力学和传热学就是用“爛产”，“爛产率”的理论讨论不可逆过程的热力学和传热学问题。虽然“爛产”理论已经被科技界接受和应用，但是，不可回避的存在问题是：(1)“燔产”可以判断过程可逆与否，但是不能冋答能量输运的动力能量源，不能描述过程中的能量转换关系；(2)不等式的热力学第二定律的数学表达式难以像热力学第一定律方便应用；(3)嫡原本是状态量，由系统状态

8、决定，系统状态变化的“爛变”是与过程无关的，而“爛产”的“爛变”却跟不可逆过程有关，这种由过程而来的“嫡产”在物理学看来是无中生有的量；(4)从“嫡产”理论推导不出传热过程效率的表达式。1.2郎特(Rant)定义俩和烟方程上世纪中期，为了定义能量的品位，提出用能