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时间:2020-01-17
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1、第五章热力循环——热力学第二定律及其应用课时:6要求:1、了解热力学图表及其应用2、掌握熵的概念及计算方法3、掌握蒸汽动力循环和制冷循环工作原理及其相关的计算——重点和难点内容:5.1热力学第二定律5.2熵5.3热力学图表及其应用5.4蒸汽动力循环5.5制冷5.6热泵热力学第二定律涉及的应用范围:一、热力学分析:对化工过程进行分析和评价,实现合理利用能源;二、相平衡关系计算:确定传质设备的设计和操作;三、化学平衡状态计算:研究化学反应动力学以及设计反应器和操作分析计算的前提。5.1热力学第二定律一、热力学第二定律的三种叙述①1850年克劳修斯说法:有关热流方向
2、的表述,热不可能自动从低温物体传给高温物体。②1851年开尔文说法:不可能制造出一种机器,只从单一热源吸热使之完全变成有用功,而不引起其它变化。即第二类永动机无法实现。热不可能全部转变成有用功,必定有一部分转变成其他形式的能,虽然转变过程中总数量不变,但是质量上发生了变化。③熵的表述:孤立(隔离)物系的自发过程向着熵增大的方向进行。自发过程5.1热力学第二定律5.1热力学第二定律二、几个概念:热源:是一个具有很大热容量的物系(可逆)。功源:可做出功或接受功的装置(可逆)。热机:产出功,并将高温热源的热量传递给低温热源的一种机械装置。热效率:热转化为功的效率。5.
3、2熵宏观热力学性性质:内能:是与体系内部微观粒子运动的能量发生联系的热力学性质。(第一定律)熵:是与体系内部分子运动混乱程度发生联系的热力学性质。(第二定律)玻尔兹曼定理:状态有序程度↑状态无序程度↑5.2熵关于孤立体系的熵增与不可逆性的关系推导:热源T1热源T2Q1Q2循环装置T1>T2∣Q1∣=∣Q2∣推导:以循环装置为体系,则两个热源均为外界环境。5.2熵对循环装置:由第二定律:循环装置——体系热源——环境:5.2熵对热源:即任何一传热过程只能是高温热源自发传热给低温热源。逆向不可能实现。讨论:温差越小,熵变越小,不可逆程度越小;温差越大,熵变越大,不可逆
4、程度越大;温差为0,熵变接近0,传热过程接近可逆。5.2熵例5-1设有一热机,工作于温度为TH的高温热源与温度为TL的低温热源之间,若热机是可逆的,试推导出热机效率的表达式。QHQL低温热源TL高温热源TH功源WS(R)热机5.2熵例5-1解:取热机为体系由热力学第一定律:热机为循环装置,完成一个循环之后,体系回到原状态,故:其中:对热机:对于可逆过程:其中:5.2熵环境熵变:其中:结论:1、由于2、当3、任何可逆热机其效率小于1,即热不可能全部转变为功。5.2.1热力学第二定律用于封闭体系其中:即封闭体系热力学第二定律的数学表达式——克劳修斯不等式。熵增原理:
5、一、讨论:1、可逆过程,上式用等号,T既是热源温度也是体系温度;2、不可逆过程,用不等号,温度为热源温度。3、相同的状态变化与不相等。5.2.1热力学第二定律用于封闭体系5.2.1热力学第二定律用于封闭体系二、与熵有关的问题1、熵流当封闭体系经历一可逆过程时,从环境热源接受的热量时,环境熵变为:体系熵变为:为随热流产生的熵流:由于传热而引起的体系熵的变化。功的传递不会引起熵的流动。5.2.1热力学第二定律用于封闭体系2、熵产熵产生的原因:有序能量耗散为无序能量(热能)并被体系所吸收,则将导致体系熵的增加。有序能:机械能或电能。熵产生:不是体系的性质,是与不可逆过
6、程密切相关的量。不可逆程度越大:可逆过程:不可逆过程可逆过程不可能过程5.2.1热力学第二定律用于封闭体系3、封闭体系熵平衡一般不可逆过程:由于过程的不可逆产生了封闭体系熵平衡式或5.2.2孤立体系熵平衡式孤立体系:熵产生等于孤立体系总熵变。△Sg包括闭系与外界环境热源两部分产生的熵变化。如果外界环境热源中进行的是可逆过程,外界环境热源的熵变为0,则熵产生为封闭体系内部熵的变化。5.2.3敞开体系熵平衡式敞开体系物流出物流入熵平衡关系为:熵流为:TK恒定,则:5.2.3敞开体系熵平衡式讨论1、稳流过程:或敞开体系稳流过程熵平衡式2、绝热过程:若:节流过程5.2.
7、3敞开体系熵平衡式3、不可逆绝热过程:可逆绝热过程:若:即等熵过程,如透平机、泵等。5.2.3敞开体系熵平衡式150℃的饱和水蒸汽以5kg/s的流量通过一冷凝器,离开冷凝器是150℃的饱和水,冷凝热传给20℃的大气,求此冷凝过程中产生的熵。饱和蒸汽1饱和水2冷凝器大气20℃例5-2例5-25.2.3敞开体系熵平衡式解:由敞开体系熵平衡关系式:以冷凝器为体系,该过程为稳流过程,且有:(1)计算由附录查得:150℃饱和蒸汽:150℃饱和水:5.2.3敞开体系熵平衡式例5-2(2)计算Q为体系放出的热量,T为大气温度293K。(3)计算Q将能量平衡方程式用于冷凝器:由
8、附录查得:150℃饱和蒸
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