第二章_节能的热力学原理.ppt

1、第二章 节能的热力学原理,热力学原理：能量 热力学第一定律 热力学第二定律,2.1 基本概念,热力系统 平衡状态 状态参数（温度、压力、比容和密度、内能、焓、熵和 等）和状态方程 功和热 可逆过程,火用,2.2 能量与热力学第一定律,输入系统的能量输出系统的能量 系统储存能量的变化,2.2 能量与热力学第一定律,输入系统的能量输出系统的能量 系统储存能量的变化,式中,稳定流动体系的系统能量衡算式,在稳定流动的条件下，dU系统0，m1 m2,能量衡算式为,对于单位质量为,对于多股物质流进出开口体系时,热力学第二定律的表述 克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。 开尔文说

2、法：不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。 普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中把一重物升高，而同时使一热源冷却。 卡诺定理的表述。WMAX=Q(1-T0/T) 熵的概念和孤立系统的熵增原理,2.3 和热力学第二定律,火用,卡诺定理,p,V,Q1，T1,T2，Q2,A,B,C,D,卡诺循环,热机最大输出功,热力学第二定律的数学表达式对一不可逆循环，如图A B A,热力学第二定律的数学表达式,熵增原理及平衡的熵判据,绝热过程，Q=0，则有,不可逆 可逆,熵增加原理：系统经绝热过程由一状态到达另一状态，熵值不减少；自发变化的结果，必使孤立系统的熵增加(孤立系统中可

3、以发生的实际过程都是自发过程) 方向：孤立系统的熵增加 限度：孤立系统熵值达到最大平衡态,2.4 能量的 计算,2.4.1 yong(Exergy)和 wu(Anergy)的提出,能量的分类（不同形式的能量之间的转化） 第一类，具有完全转换能力的能量，如机械能、电能等 第二类，具有部分转换能力的能量，如热能和物质的内能或焓等 第三类，完全不具有转换能力的能量，如处于环境状态下的热能等,2.4.2物系与环境的基准状态,物理基准态 基准温度，环境温度，T0298.15K（25oC） 基准压力，环境压力，p01atm 基准相态 化学基准态 化学能量（ ）是由于系统的组成物质及成分与环境不同而引起的。

4、 基准物 基准物是在环境状态下处于平衡的、最稳定的物质。 基准物的特点（1）每种元素都有其相应的基准物；（2）环境（大气、海洋、地表）中能存在的物质；（3）基准物之间不可能发生任何自发的化学变化；（4）各种基准物都应是相应元素的最稳定物质，其能量值（ ）为0。,火用,火用,例如：龟山吉田模型 基准温度，环境温度，T0298.15K（25oC） 基准压力，环境压力，p01atm 大气中气态基准物组成：,其它元素以在T0、P0下纯态最稳定的物质作为基准物。,环境基准状态的环境模型：斯蔡古特模型、龟山吉田模型,2.4.3 机械形式能量的,运动系统所具有的宏观动能和位能,c2/2, gz,火用,2.4

5、.4热量的 和,热机为例来说明,（可逆 ）,(2)热量的 和,热量,热量,可逆过程,热量,热量,对于可逆热机，S产0，那么,火用,火无,火用,火无,热源温度恒定：,(3)热量的 和,热源温度变化：,当系统温度低于环境温度 (TT0) 时，热量 可以设想一个工作在环境和物系温度之间的可逆热机,TT0,(4)热量的 和,火用,TT0,(4)热量的 和,当系统温度低于环境温度 (TT0) 时，,TT0,(4)热量的 和,体系得到热量（Q0)时， 减小（EQ0）,火用,火用,温度低于环境温度时，热量 和 在TS图上的表示,(5)热量的 和,火无,火用,单位热量的 与温度的关系,TT0，热量 小于热量；

6、 TT0，冷量 可以小于、等于、甚至大于热量本身。温差传热要引起 损失，在温差相同、传热量相同条 件下，低温时的 损失，要比高温时大得多。,EQ /Q,(6)热量 和,火用,火用,火用,火用,火用,例22（P43）把100kPa、127oC的1kg空气可逆加热到427oC，试求所加热量中的 和 。空气的平均定压比热容cp1.004kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。,解：空气吸收的热量为：,空气在吸收热量过程中熵的变化为：,火无,(7)热量 和,火用,例23（P44）在某一低温装置中将空气自600kPa 和27oC定压预冷至100oC，试求1kg空气所获冷量的 和 。空气的平均定压

7、比热容cp1.0kJ/(kg.K)。设环境的大气温度为27oC。,解：空气获得的冷量为：,空气在冷却过程中熵的变化为：,火无,(8)热量 和,火用,2.4.5 封闭系统的,定义：任一封闭系统从给定状态以可逆的方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所能作出的最大有用功。 能量：宏观动能、位能和内能。,宏观动能和位能,内能 的计算如下：,火用,火用,封闭系统在此过程中的能量方程为：,由给定的状态到环境状态积分得,封闭系统从状态1 到状态2 所能作得最大有用功：,在可逆过程中,即：,稳定物流从一给定的状态经开口系统，以可逆的方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功，称为稳定

8、流动系统的 。,2.4.6 稳定流动系统的,稳定流动的能量方程,熵方程,火用,环境状态下，c00，z00，积分得稳定流动系统的 为,火用,2.4.7 化学反应的最大有用功( ),当稳定流动体系进行一个化学反应过程时，其能量衡算式：,温度(T)一定时，化学反应系统的熵的方程为：,可逆时，S产0，系统做出的最大有用功为,从反应物(1)到产物(2)，SS2S1， HH2H1，那么,在标准态（298.15K，1atm）进行反应时，化学反应的最大有用功为,式中：H为标准态下，化学反应过程的焓变，即标准反应热,S为标准态下，化学反应过程的熵变,最大有用功也可以直接用自由焓计算,例25,在298.15K和1

9、atm下， CO和O2进行燃烧反应生成CO2。反应前反应物不混合，试求此化学反应的最大反应有用功。,解：,CO O2/2 CO2,查标准热力学数据表，得,组分 Hof/(kJ/kmol) So/kJ/(kmolK),CO (气） 1.1052x105 197.91 O2 (气） 0 205.03 CO2 (气） 393510 213.64,总能量H：282990 kJ， 其中有用功 257118 kJ（90.9）为 25875 kJ（ 9.1）,火无,2.4.8 气体的扩散,在p0、T0下的气体可逆定温地转变到其在环境空气中的分压pi0时，所能作出的最大有用功，为该气体的扩散,气体的扩散 属于

10、化学 。理想气体的扩散 可以用最大化学反应有用功的计算式获得,火用,火用,火用,火用,用环境模型计算的物质的化学 称为标准化学,2.4.9 元素和化合物的化学,基准反应：是指这样一种反应：一种非基准物质（包括元素、单质和化合物）与一种或几种基准物在p0、T0下发生化学反应，而反应物、生成物均为p0、T0下的纯物质。,火用,火用,元素和化合物的化学的,【例27】,试用龟山吉田环境模型求碳（石磨）的标准化学 。 解：基准反应为CO2 CO2 标准态：环境温度T0298.15K，pO20.2034；pCO20.0003。,火用,【例27】,所以，根据公式：,【例28】,试用龟山吉田环境模型求甲烷CH

11、4气体的标准化学。 解：甲烷的生成反应方程式为：C + 2H2 CH4,查的甲烷的标准生成自由焓,火用,燃料的化学 ：p0、T0下的燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以可逆方式转变到完全平衡的环境态所能作出的最大有用功。又称为燃料 。,2.4.10 燃料的化学,化学 反应 系统,EF,EO2,火用,火用,例 29,计算 C2H4燃料的标准化学 。,反应的自由焓为,火用,2.5 损失和 衡算方程式1,在任何可逆过程中， 的总量保持不变，即不发生 向的转变。 在任何不可逆过程中，必然发生 向的转变， 的总量减少。,输入系统的 输出系统的 损失系统 的变化,衡算方程式,火用,火用,火无,火用,火

12、无,火用,火用,火用,火用,火用,火用,2.5.1 封闭系统的衡算方程式,封闭系统的 平衡,封闭系统,热源,TH,Q，EQ,WA，EW,W0=P0(V2-V1),EL,Q0,EQ00,EW00,状态 1 2,火用,封闭系统的衡算方程式2,系统从 1 2 输出的有用功为,式中,不可逆时：,可逆时：,封闭系统的衡算方程式3,对于热源，熵增量为：,对于环境，熵增量为：,的损失为：,的损失产生的来源：,对于系统，熵增量为：,火用,火用,2.5.2 稳定流动系统的 衡算方程式,稳定流动 系统,热源,TH,Q，EQ,WA，EW,EL,Q0,EQ00,H2, Eh2,H1, Eh1,式中：,有限温差传热过程

13、,换热器,绝热节流过程,T,T0,1,2,S1,S2,S,1,2,理想气体的节流过程,T-S 图,不可逆绝热压缩过程,T0,T,1,2,p2,p1,T-S 图,1,2,不可逆绝热膨胀过程,T0,T,1,2,p1,p2,T-S 图,1,2,2.6装置的 效率和 损失系数,在系统或设备进行的过程中， 效率（e ）的定义：收益的（E收益）与耗费的（ E耗费）的比值。,火用,火用,火用,例211,试导出电热水器效率与 效率（e ）的数学表达式。设电热水器绝热良好，通过器壁向环境散失的热量为0。并求当T1T025oC，T50oC时的热效率和效率。,解：电热水器的能量方程为HQN（电功率）Hmcp T 所

14、以（第一定律的）热效率 t mcp t / N=1E收益HT0SmcpTT0ln(T2/T1）E耗费N 所以 e E收益/ E耗费mcpTT0ln（T2/T1） t1-T0ln（T2/T1) / T 因为 t1e1298.15ln(348.15/298.15)/500.0755,火用,火用,损失的可避免程度,损失,可避免 损失（AVO）,不可避免 损失（INE）,可避免 损失改进,火用,火用,火用,火用,在可避免 损失和不可避免 损失的基础上，定义实用 效率,例：简单的蒸汽动力厂循环,电厂循环原理图,蒸汽动力循环的参数和假定,假定：燃料热值 29306kJ/kg 蒸汽压力 10.3MPa 绝热

15、燃烧温度 1927oC 锅炉到透平压降 1.03MPa 炉膛热损失 12 透平效率 80 最高燃烧效率 0.90 蒸汽透平最高效率 0.90 最高燃烧温度 1927oC 泵最高效率 0.90 冷凝器中最小传热温差8oC,本章总结,热力学第一定律（复习） 热力学第二定律（复习） 函数 能量转化过程中的损失与的平衡 过程与系统的评价指标 损失的可避免程度,火用,火用,火用,火用,火用,作业,我们日常生活中的能量主要从那儿来？可再生否？举几例说明。 用氢气燃烧发电，（1）用氢气和氧气燃烧产生热能，将水加热到高温，然后推动透平，透平再带动发动机发电；（2）氢气和氧气在电化学电池中转化为电能。比较这两种方案的发电效率、 和 损失。 试用 龟山吉田 环境模型求H2气体的标准化学 。,火用,火用,火用,