理想功、损失功及热力学效率

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1、5.4理想功、损失功及热力学效率5.4.1理想功系统在变化过程中，由于途径的不同，所产生(或消耗)的功是不一样的。理想功就是系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生最大功或者消耗最小功。因此理想功是一个理想的极限值,可作为实际功的比较标准。所谓的完全可逆，指的是不仅系统内的所有变化是完全可逆的，而且系统和环境之间的能量交换，例如传热过程也是可逆的。环境通常是指大气温度T0和压力P0=0.1013MPa的状态。5.4.1理想功稳定流动系统的热力学第一定律表达式假定过程是完全可逆的，而且系统所处的环境可认为

2、是—个温度为T0的恒温热源。根据热力学第二定律,系统与环境之间的可逆传热量为Qrev=T0ΔS忽略动能和势能变5.4.1理想功稳流过程的理想功只与状态变化有关，即与初、终态以及环境温度T0有关，而与变化的途径无关。只要初、终态相同，无论是否可逆过程，其理想功是相同的。理想功与轴功不同在于：理想功是完全可逆过程所作的功，它在与环境换热Q过程中使用卡诺热机作可逆功。通过比较理想功与实际功，可以评价实际过程的不可逆程度。5.4.2损失功系统在相同的状态变化过程中，不可逆过程的实际功与完全可逆过程的理想功之差称为损

3、失功。对稳态流动过程5.4.2损失功Q是系统与温度为T0的环境所交换的热量，ΔS是系统的熵变。由于环境可视为恒温热源，Q相对环境而言，是可逆热量，但是用于环境时为负号，即-Q＝T0ΔS0。根据热力学第二定律(熵增原理)，ΔS≥0，等号表示可逆过程；不等号表示不可逆过程。5.4.3热力学效率实际过程总是有损失功的，过程的不可逆程度越大，总熵增越大，损失功也越大。损失的功转化为热，使系统作功本领下降，因此，不可逆过程都是有代价的。应用举例例5-7求298K，0.1013MPa的水变成273K，同压力下冰的过程的

4、理想功。设环境温度分别为(1)298K；(2)248K。解：忽略压力的影响。查得有关数据状态温度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kg·K))H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)环境温度为298K，高于冰点时应用举例若使水变成冰，需用冰机，理论上应消耗的最小功为35.04kJ/kg。(2)环境温度为248K，低于冰点时当环境温度低于冰点时，水变成冰，不仅不需要消耗外功，而且理论上可以回收的最大功为44.61kJ/kg。理想功不仅与系统的始、终态有关，而

5、且与环境温度有关。应用举例例5-8用1.57MPa，484℃的过热蒸汽推动透平机作功，并在0.0687MPa下排出。此透平机既不是可逆的也不是绝热的，实际输出的轴功相当干可逆绝热功的85％。另有少量的热散入293K的环境，损失热为7.12kJ/kg。求此过程的理想功、损失功和热力学效率。应用举例查过热水表汽表可知，初始状态1.57MPa，484℃时的蒸汽焓、熵值为H1=3437.5kJ/kg,S1=7.5035kJ/(kg·K)(参见例3-12)若蒸汽按绝热可逆膨胀，则是等熵过程，当膨胀至0.0687MPa

6、时,熵为S´2=S1=7.5035kJ/(kg·K)查过热水蒸汽表0.035MPaHS0.07MPaHS0.0687MPaHS饱和蒸汽2631.47.71532660.07.4797100℃2684.47.86042680.07.5341应用举例HkJ/kgSkJ/(kg·K)2658.97.4885H2´7.50352680.27.5462P=0.0687MPa此透平机实际输出轴功应用举例依据稳流系统热力学第一定律得到实际状态2的焓为0.035MPaHS0.07MPaHS0.0687MPaHS120℃27

7、23.17.96442719.97.63752720.07.6496160℃2800.68.15192798.27.82792798.37.8399应用举例HkJ/kgSkJ/(kg·K)2720.07.64962773.3S22798.37.8399应用举例