工程热力学（48学时） 第五章(3).pdf

Ex Ex 与与AnAn第五章第五章热力学第二定律热力学第二定律南京航空航天大学南京航空航天大学能源与动力学院能源与动力学院2014火用火无5-7 系统的作功能力（火用）系统的作功能力（火用）及熵产与作功能力损失及熵产与作功能力损失“热力学第一定律”说明了不同形式的能量“热力学第一定律”说明了不同形式的能量可以相互转换，且在转换中可以相互转换，且在转换中数量守恒数量守恒。“热力学第二定律”进一步指出，不同形式“热力学第二定律”进一步指出，不同形式能量的品质是不相同的，表现为能量的品质是不相同的，表现为转换为功的能转换为功的能力不同力不同。YongYong正是一个可单独评价能量品质的物理正是一个可单独评价能量品质的物理量量。YongYong定义定义在给定环境条件下，任一形式的能量中，在给定环境条件下，任一形式的能量中，理论上理论上最大可能地转变为有用功最大可能地转变为有用功的那部分能量的那部分能量称为该能量的称为该能量的YongYong，或称为有效能、可用能。，或称为有效能、可用能。能量中能量中不能转变为有用功不能转变为有用功的那部分能量称为的那部分能量称为WuWu或无效能。或无效能。nxAEE任何一种形式的能量任何一种形式的能量E E 都可以看成由都可以看成由YongYong（E Ex x）和）和WuWu（A An n）所组成：）所组成：YongYong的理解的理解热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆地热力系只与环境相互作用、从任意状态可逆地变化到与环境平衡时，才能作出最大的有用功。变化到与环境平衡时，才能作出最大的有用功。当系统由一任意状态可逆地变化到与给定当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其它能量形式的那部分能量，称为为任何其它能量形式的那部分能量，称为Ex100%相互转换相互转换功功能量中除了能量中除了 Ex 的部分，就是的部分，就是 AnnxAEE机械能、电能：机械能、电能：A An n=0 E=0 Ex x=E=E环境介质中的热能：环境介质中的热能：E Ex x=0=0能量平衡只讨论量，不讨论质。能量平衡只讨论量，不讨论质。YongYong平衡既讨论量，又讨论质。平衡既讨论量，又讨论质。三种不同品质的能量三种不同品质的能量1、可无限转换的能量、可无限转换的能量如：机械能、电能、水能、风能理论上可以完全转换为功的能量高级能量2、不能转换的能量理论上不能转换为功的能量如：环境（大气、海洋）3、可有限转换的能量理论上不能完全转换为功的能量低级能量如：热能、焓、内能（Ex）（An）（Ex+An）Ex 作功能力作功能力环境一定，能量中最大可能转换为功的部分环境一定，能量中最大可能转换为功的部分500 K100 kJmax293110050041.4WkJmax2931100100070.7WkJ1000 K100 kJT0=293 KT0=293 K热一律和热一律和热二律的热二律的Ex含义含义一切过程，一切过程，Ex+An总量恒定总量恒定热一律：热一律：热二律：热二律：在可逆过程中，在可逆过程中，Ex保持不变保持不变在不可逆过程中，在不可逆过程中，部分部分Ex转换为转换为AnEx损失、作功能力损失、能量贬值损失、作功能力损失、能量贬值任何一孤立系，任何一孤立系，Ex只能不变或减少，只能不变或减少，不能增加不能增加 孤立系孤立系Ex减原理减原理由由An转换为转换为Ex不可能不可能热量的热量的Ex与与An1、恒温热源恒温热源 T 下的下的 QExQ:Q中最大可能转换为功的部分中最大可能转换为功的部分TST0ExQAnQ卡诺循环的功卡诺循环的功00001QTTTExQT STTTTSQTS 0QQAnQExTSQQQExAnT热量的热量的Ex与与An2、变温热源变温热源下的下的 QTST0ExQAnQ微元卡诺循环的功微元卡诺循环的功0001QTExQTQQTQTST0QAnTSQQQExAn热量的热量的Ex与与An的说明的说明1、Q中最大可能转换为功的部分，就是中最大可能转换为功的部分，就是ExQTST0ExQAnQ2、ExQ=Q-T0 S=f(Q,T,T0)Ex损损失失3、单热源热机不能作功单热源热机不能作功T=T0,ExQ=04、Q 一定，不同一定，不同 T 传传热热,Ex 损失，作功能损失，作功能力损失力损失Q,T0一定，一定，TExQT一定，一定，QExQ冷量的冷量的Ex与与AnT T0的冷量的冷量Q2,有没有有没有Ex？卡诺循环的功卡诺循环的功0max21TWQT220Qmax20201QTExWQTSQT T0TT0 Q1 Wmax Q2max1max20011TTWQWQTT02max22011CTQWQQTTTT冷量的冷量的Ex与与An的说明的说明实际上，只要系统状态与环境的状态有差别，实际上，只要系统状态与环境的状态有差别，就有可能对外作功，就有就有可能对外作功，就有Ex2Q02ExTSQ2Q0AnTSTST0TExQ2Q2冷量冷量Ex可理解为可理解为:TT0,肯定是对其作功才形肯定是对其作功才形成的，而这个功（就是成的，而这个功（就是Ex）就）就储存在冷量里了。储存在冷量里了。热量热量Yong/QYong/Q总小于总小于1 1，冷量，冷量Yong/QYong/Q可以大于可以大于1 1环境点(298K)处Yong为0闭口系统内能的闭口系统内能的Ex与与An设一闭口系统设一闭口系统（1kg），状态为，状态为 u1,s1,T1,p1,v1qww w T0qexu=?经某可逆过程，经某可逆过程，与与环境达到平环境达到平衡，状态为衡，状态为u0,s0,T0,p0,v0，过过程中放热程中放热,对外作功为对外作功为w q假定假定通过可逆热机作功通过可逆热机作功 wqexu=w=w+w 闭口系统内能的闭口系统内能的Ex与与Anqww w T0q热一律：热一律：01quuw热二律：热二律：iso0100qsssT001qTss 10010wuuTss闭口系统内能的闭口系统内能的Ex与与Anqww w T0q10010wuuTss内能内能ex：(有用功有用功)u001exwpvv克服环境压力克服环境压力u10010010exuuTsspvvp0u1,s1,T1,p1,v1u010010anTsspvv闭口系统内能的闭口系统内能的Ex与与An的说明的说明1）闭口系的内能闭口系的内能u1-u0，只有一部分是，只有一部分是exu内能内能anu=T0(s1-s0)-p0(v1-v0)2）当环境当环境p0,T0一定，一定，exu是是状态参数状态参数3）环境的内能很大，但内能环境的内能很大，但内能ex=04）闭口系由闭口系由12的可逆过程，工质作的的可逆过程，工质作的最大功最大功maxu1u212012012wexexuuTsspvvu10010010exuuTsspvv闭口系统内能的闭口系统内能的Ex举例举例1kg空气，由空气，由p1=50bar,t1=17oC,膨胀到膨胀到p2=40bar,t2=17oC,已知已知p0=1bar,t0=17oCu110010010exuuTsspvv求：该膨胀过程对外界的最大有用功求：该膨胀过程对外界的最大有用功01110p0001001001lnlnln1244/RTTpRTTcRpTpppppRTkJ kgpp maxu1u2wexex闭口系统内能的闭口系统内能的Ex举例举例1kg空气，由空气，由p1=50bar,t1=17oC,膨胀到膨胀到p2=40bar,t2=17oC,已知已知p0=1bar,t0=17oC01u1001ln1244/ppexRTkJ kgppmaxu1u218kJ/kgwexex02u2002ln1226/ppexRTkJ kgpp求：该膨胀过程对外界的最大有用功求：该膨胀过程对外界的最大有用功稳定流动工质的焓稳定流动工质的焓Ex与与AnqwswswsT0q流量流量1kg的工质，初态为的工质，初态为h1,s1,c1,z1exh=?经稳定经稳定可逆可逆流动，与环境流动，与环境达到平衡，状态为达到平衡，状态为h0,s0,c0,z0，过程中放热为过程中放热为,对外对外作功为作功为wsq假定假定通过可逆热机作功通过可逆热机作功wsqexh=ws=ws+ws1稳定流动工质的焓稳定流动工质的焓Ex与与AnqwswswsT0q1热一律：热一律：22010101s12qhhccg zzw热二律：热二律：iso0100qsssThs10010exwhhTss一般动、位能变化忽略一般动、位能变化忽略稳定流动工质的焓稳定流动工质的焓Ex与与An的说明的说明1）稳流工质的焓稳流工质的焓h1-h0，只有一部分是，只有一部分是exh焓焓anh=T0(s1-s0)2）当环境当环境p0,T0一定，一定，exh是是状态参数状态参数3）当工质状态与环境相平衡，焓当工质状态与环境相平衡，焓exh=04）由初态由初态1终态终态2的可逆过程，工质作的的可逆过程，工质作的最大功最大功maxh1h212012wexexhhTssh10010exhhTss稳定流动工质的焓稳定流动工质的焓Ex举例举例压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室t1=900p1=8.5bart2=477p2=1.03bart0=25p0=1.0barR=0.287kJ/kg.Kcp=1.10kJ/kg.K求求:exh1,exh2燃气轮机最大功燃气轮机最大功稳定流动工质的焓稳定流动工质的焓Ex举例举例maxh1h2499.2kJ/kgwexexh110010exhhTss11p100p00lnln696.4kJ/kgTpcTTTcRTph220020exhhTss22p200p00lnln197.2kJ/kgTpcTTTcRTp可逆功可逆功Ex平衡、平衡、Ex效率、效率、Ex损失损失exExEx有效的输出输入的ExEx进出热力系统热力系统Ex效率效率Ex平衡平衡动力装置动力装置exinoutWExExnett1WQnet耗功装置耗功装置outinexExExW换热设备换热设备exExEx冷流体得到的热流体放出的加热加热Ex.balance、Ex.efficiency、Ex.destroyedEx损失与作功能力损失损失与作功能力损失IWsEx1Ex212sExExWI 热一律：热一律：21sQHHW1201221()()IHHT SSHHQ012()T SSQ QT00210()QTSST0isoTSEx损失与作功能力损失损失与作功能力损失I12()mhh热放热放热43()mhh冷h1h3h2h4Im exm exm exm ex热冷热冷h1h2h3h4()()mexexmexex热冷021043()()T SST SSm热热1234m冷冷吸热吸热1201234034()()mhhT ssmhhT ss热冷0isoTSEx损失与功减少损失与功减少maxh1h21201212()wexexhhT sshh可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀TsT0122不可逆绝热膨胀不可逆绝热膨胀h1h212012()exexhhT sswEx损失损失由于不可逆少作功由于不可逆少作功max22wwhhEx损失与作功能力损失损失与作功能力损失I归纳：Ex损失即作功能力损失.均可以T0Sg（=T0Siso）计算。热二律的表述热二律的表达式熵孤立系熵增原理Ex第五章 小 结 Summary重点一般了解刚性容器内贮有刚性容器内贮有4kg4kg空气，现分别采用空气，现分别采用有温度为有温度为200200o oC C的热源来供热的方法以及在绝热的热源来供热的方法以及在绝热条件下输入功量的方法，使空气的温度从条件下输入功量的方法，使空气的温度从5050o oC C升升高到高到100100o oC C。(1)(1)空气的热力学能、熵在两种条件空气的热力学能、熵在两种条件下的变化？下的变化？(2)(2)所需的热量和功量？所需的热量和功量？(3)(3)如果环境如果环境温度为温度为2525o oC C，比较这两种方法，比较这两种方法 yongyong变化的大小变化的大小思考题m=4kgm=4kgT1T2Q1T1T2W2Th=473KT0=298K思考题初、终状态之间的状态参数变化量和初、终状态之间的状态参数变化量和过程的性质和途径没有关系。过程的性质和途径没有关系。12TTmcTmcUvvKJ2.14350100716.04思考题初、终状态之间的状态参数变化初、终状态之间的状态参数变化量和过程的性质和途径没有关系。量和过程的性质和途径没有关系。12lnTTmcSvKKJ412.0323373ln716.04热力学第一定律，第一种情况热力学第一定律，第一种情况KJTmcUQv2.1431热力学第一定律，第二种情况热力学第一定律，第二种情况KJUW2.1432计算Yong损,先利用熵方程求出熵产，然后再乘以环境温度T0，方式一AwQisoSSSSKKJTQSh109.04732.143412.0KJSTIiso56.32109.02980计算计算yongyong损损,先利用熵方程求出熵产，先利用熵方程求出熵产，然后再乘以环境温度然后再乘以环境温度T T0 0，方式二，方式二AwQisoSSSSKJSTIA78.122412.02980思考题已知A、B、C三个热源的温度分别为500K、400K和300K，有可逆机在这三个热源间工作。若可逆机从A热源净吸入3000kJ热量，输出净功400kJ，试求可逆机与B、C两热源的换热量，并指明其方向。ABCWQAQBQC由于在A、B、C间工作的是可逆热机，根据孤立系统熵增原理有0isoS再根据热力学第一定律建立能量平衡关系KJQKJQTQTQTQSWQQQCBCCBBAAisoCBA60032000假设热量交换方向如图中所示两物体质量相等、比热容相同（都为常数），其中A物体初温为TA，B物体初温为TB。用它们作热源和冷源，使可逆热机在其同工作，直至两物体温度相等时为止。（1）试证明平衡时的温度为（2）求可逆热机作出的总功量；（3）如果两物体直接接触进行热交换，直至温度相等，求此时的平衡温度及两物体的总熵增。BAmTTT 思考题取A、B物体及热机共同组成孤立系统BAmBAmTTTTBAisoRRBAisoTTTTTTTdTmcTdTmcSSSSSSSSmBmA0ln0002热机为可逆热机时，其做功量最大BmmATTmcTTmcQQW21maxQ1为物体A在该过程中释放的热量Q2为物体B在该过程中吸收的热量平衡温度由能量平衡方程式求得2/BAmBmmATTTTTmcTTmc两物体组成系统的熵变化量为BABATTTTBATTTTmcSTdTmcTdTmcSSSmBmA4ln2/两个容器通过阀门可以连通。初态时，在两个容器通过阀门可以连通。初态时，在容积为容积为3m3m3 3的容器的容器A A中，空气的压力为中，空气的压力为0.8MPa0.8MPa，温度，温度为为1717o oC C。容积为。容积为1m1m3 3的容器的容器B B则为真空。阀门打开后，则为真空。阀门打开后，空气由空气由A A流入流入B B，当两个容器内压力相等时关闭阀，当两个容器内压力相等时关闭阀门。若整个过程中两个容器均为绝热，计算连通门。若整个过程中两个容器均为绝热，计算连通过程中的熵产？过程中的熵产？思考题从整体考虑：和外界无热量、功量交换从整体考虑：和外界无热量、功量交换内能变化为内能变化为0 01112222221221220AAABABBAAABvBAAvATmTmmTmTmTTcmTTcmTmRpVg11222112222AABAAABBAAVpVVpVpVpVp理想气体状态方程理想气体状态方程KgRTVpmAAA83.28290287.0380011MPapVVVpABAA6.01221211222112222AABAAABBAAVpVVpVpVpVpA A中气体经历绝热（等熵）过程中气体经历绝热（等熵）过程KPPTTkkAAA1.26711212KgRTVpmmmAAAB36.583.2822KRmVpTBBB39022整体考虑整体考虑pinMwQtotSSSSSpintotSS12121212lnlnlnlnABABpBAAAApApPRTTcmPPRTTcm