热工与流体力学基础 热工篇第4章

1、第一节第一节 热力循环热力循环 可逆循环可逆循环可以表示在状态参数坐标图可以表示在状态参数坐标图上，且为一条上，且为一条封闭的曲线封闭的曲线。 一、正向循环和热效率一、正向循环和热效率 将将热能热能转变为转变为机械能机械能的循环称为正向循环的循环称为正向循环,也称也称为为动力循环动力循环或或热机循环热机循环 。1. 正向循环正向循环 一切一切热力发动机热力发动机都是按正向循环工作的。都是按正向循环工作的。 正向循环在正向循环在p-v图上按顺时针方向进行图上按顺时针方向进行。设设1kg工质在热机中进行一个正向循环工质在热机中进行一个正向循环1234l1-2-3: 膨胀过程膨胀过程,作膨胀功作膨胀

2、功123v3v113-4-1: 压缩过程，作压缩功压缩过程，作压缩功341v1v33工质从高温热源工质从高温热源t1吸热吸热q1，向，向t2放热放热q2210qqw 循环净功循环净功w0quw 0u 在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量的比值称为热效率。的比值称为热效率。2. 热效率热效率 t1212110t1qqqqqqw二、逆向循环和工作系数二、逆向循环和工作系数 1. 逆向循环逆向循环由于逆向循环要消耗机械能，所以由于逆向循环要消耗机械能，所以其循环净功其循环净功w00。 逆向循环在逆向循环在p-v图上按逆时针方向进行图上按逆时针方向进行。

3、设设1kg工质在热机中进行一个逆向循环工质在热机中进行一个逆向循环143211-4-3: 膨胀过程膨胀过程,作膨胀功作膨胀功143v3v113-2-1: 压缩过程，作压缩功压缩过程，作压缩功321v1v33工质从低温热源工质从低温热源t2吸热吸热q2，向，向t1放热放热q1210qqw或或 消耗净功消耗净功w0021wqq 工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值，工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值，用以衡量逆向循环的热经济性用以衡量逆向循环的热经济性 。2. 工作系数工作系数21202qqqwq21101qqqwq 可能大于、等于或小于可能大于、等于或小于1，而而 总是大于总是大于

4、1。第二节第二节 热力学第二定律热力学第二定律 自发过程自发过程都具有方向性都具有方向性, 且都为且都为不可逆过程不可逆过程。非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。 热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中有关传递有关传递方向方向、转化的、转化的条件条件和和限度限度等问题。等问题。 针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，但其实质等效但其实质等效。1. 克劳修斯（克劳修斯（clausius）表述）表述 不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其

5、他不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。变化。它是从它是从热量传递过程热量传递过程来表达热力学第二定律的。来表达热力学第二定律的。2.开尔文普朗克（开尔文普朗克（kelvinplank）表述）表述 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其他影响。生其他影响。它是从它是从热功转换过程热功转换过程来表述热力学第二定律的。来表述热力学第二定律的。它说明，从热源取得的热量不能全部变成机械能，因它说明，从热源取得的热量不能全部变成机械能，因为这是非自发过程。但若伴随以自发过程作为补偿，为这是非自发过程。但若伴随以自发过程作为补偿，那么

6、热能变成机械能的过程就能实现。那么热能变成机械能的过程就能实现。 第二类永动机第二类永动机热力学第二定律说明，用于热功转换的热机至热力学第二定律说明，用于热功转换的热机至少要有少要有高温、低温高温、低温两个热源（即要有温度差）。两个热源（即要有温度差）。为此，热力学第二定律也可以表述为为此，热力学第二定律也可以表述为“第二类第二类永动机不可能实现永动机不可能实现”。如如: :一个热机工作在高温热源和低温热源之间，一个热机工作在高温热源和低温热源之间，它从高温热源吸收热量它从高温热源吸收热量ql，将其中的一部分转变，将其中的一部分转变为功为功w0，剩余的热量，剩余的热量q2= ql- -w0排向

7、低温热源。排向低温热源。如果可以把热量从低温物体传向高温物体而不引如果可以把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化（违反第一种说法），则起其他变化（违反第一种说法），则q2可以自动可以自动地不付代价地回到高温热源。整个热力系运行的地不付代价地回到高温热源。整个热力系运行的结果是高温热源放出热量结果是高温热源放出热量ql q2，并全部转变为，并全部转变为功功w0，低温热源则没有改变。在实质上，这就等，低温热源则没有改变。在实质上，这就等于从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产于从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其他影响，这就违反了第二种说法。生其他影响，这就违反了第二种说法。 能量

8、不仅具有数量，而且还有能量不仅具有数量，而且还有品质上的区别品质上的区别，热功转换过，热功转换过程以及传热过程的方向性，反映了不同的能量有着质的区程以及传热过程的方向性，反映了不同的能量有着质的区别。别。能量能量品质的高低品质的高低，体现在它的，体现在它的转换能力转换能力上。机械能和电能上。机械能和电能可以不付代价的完全转变为热能，而热能却不能无偿的转可以不付代价的完全转变为热能，而热能却不能无偿的转变为机械能或电能。这说明机械能和电能的转换能力大于变为机械能或电能。这说明机械能和电能的转换能力大于热能。也就是说，它们是一些更有价值的品质较高的能量热能。也就是说，它们是一些更有价值的品质较高的

9、能量形式（我们通常将机械能和电能称为形式（我们通常将机械能和电能称为高级能高级能，热能称为，热能称为低低级能级能）。当机械能或电能转变为热能时，能量的数值并没）。当机械能或电能转变为热能时，能量的数值并没有变化，但能的品质下降了，或者说能量贬值了。有变化，但能的品质下降了，或者说能量贬值了。此外，即使同为热能，当它们此外，即使同为热能，当它们储存的热源温度储存的热源温度不同时不同时，它们的品质也是不同的。，它们的品质也是不同的。储存于高温水储存于高温水平热源的热能品质较高平热源的热能品质较高。当热由高温物体自动的。当热由高温物体自动的传向低温物体时，同样也使能的品质下降了。传向低温物体时，同样

10、也使能的品质下降了。热力学第二定律热力学第二定律的的实质是能量贬值原理实质是能量贬值原理，即，即在在能量的传递和转换过程中，能量的品质只能降低能量的传递和转换过程中，能量的品质只能降低不能增高不能增高。它是一个非守恒定律。它是一个非守恒定律。第三节第三节 卡诺循环与卡诺定律卡诺循环与卡诺定律 卡诺循环解决了在确定的工作条件下热机卡诺循环解决了在确定的工作条件下热机的工作效率可能达到的极限问题。的工作效率可能达到的极限问题。卡诺循环在卡诺循环在p-v图图和和t-s图上的表示图上的表示:a-b: 定温可逆吸热膨胀过程定温可逆吸热膨胀过程, 工质从工质从t1吸热吸热q1, 在在t1下由下由a 膨胀至

11、膨胀至b,并对外界作膨功；并对外界作膨功；对对1kg工质工质:b-c: 绝热可逆膨胀过程绝热可逆膨胀过程, 工质由工质由b膨胀至膨胀至c,由由t1 降至降至t2，并对外界作膨胀功；，并对外界作膨胀功；c-d: 定温可逆放热压缩过程定温可逆放热压缩过程, 工质由工质由c在在t2下向下向t2 放热放热q2被压缩为被压缩为d，外界对工质作压缩功；，外界对工质作压缩功；d-a: 绝热可逆压缩过程绝热可逆压缩过程，工质由，工质由d经可逆绝热压缩经可逆绝热压缩 回到回到a，由，由t2升至升至t1，外界对工质作压缩功。，外界对工质作压缩功。由由t-s图图由正向循环热效率由正向循环热效率ab11sstqdc2

12、2sstq2t11qq ab1dc212c11sstsstqq过程过程b-c、d-a为定熵过程，故为定熵过程，故dcabssss12c1tt12c1tt0c二、逆卡诺循环二、逆卡诺循环112ttt 卡诺循环沿相反方向进行，即为卡诺循环沿相反方向进行，即为逆卡诺循环逆卡诺循环。 逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反，逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反，工质从低温热源吸热工质从低温热源吸热q2，向高温热源放热向高温热源放热q1，并，并接受接受外界作功外界作功w0。 制冷系数制冷系数2c12ttt逆卡诺循环在逆卡诺循环在p-v图图和和t-s图上的表示图上的表示逆卡诺循环是逆卡诺循环是制冷循

13、环制冷循环和和热泵循环热泵循环的理想循环的理想循环 制冷系数制冷系数:212dc2ab1dc2212c)()()(tttsstsstsstqqq211dc2ab1ab1211c)()()(tttsstsstsstqqq2c12ttt112ttt （1）逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热）逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热源温度源温度t1和低温热源温度和低温热源温度t2。且随高温热源温度。且随高温热源温度t1的降低的降低或低温热源温度或低温热源温度t2的提高而增大。的提高而增大。 （2）逆卡诺循环的制热系数总是大于逆卡诺循环的制热系数总是大于1，而其制冷系，而其制冷系数可以大

14、于数可以大于l、等于、等于1或小于或小于l。在一般情况下，由于。在一般情况下，由于t2（t1-t2），所以），所以制冷系数也是大于制冷系数也是大于1的的。三、卡诺定律三、卡诺定律 卡诺定律可表述为：卡诺定律可表述为： （1）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切热机，可逆热机的热效率最高。一切热机，可逆热机的热效率最高。 （2）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其热效率相等。一切可逆热机，其热效率相等。 卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的重要意义重要意

15、义: 它解决了热机热效率的极限问题，指出了提高热效率它解决了热机热效率的极限问题，指出了提高热效率的途径。虽然卡诺循环在实际工程中无法实现，但它给实的途径。虽然卡诺循环在实际工程中无法实现，但它给实际热机的循环提供了改进方法和比较标准。际热机的循环提供了改进方法和比较标准。 例例4-1 某热机在高温热源某热机在高温热源1000k1000k和低温热源和低温热源300k300k之间工作。之间工作。问能否实现对外作功问能否实现对外作功1000kj1000kj，向低温热源放热，向低温热源放热200kj200kj。 解：解：计算该热机从高温热源吸热量计算该热机从高温热源吸热量 q1 q2 w0 200

16、1000 1200（kj） 该热机的热效率该热机的热效率 在相同条件下工作的可逆热机的热效率在相同条件下工作的可逆热机的热效率 ，显然这一结果违反了卡诺定理，因此不能实现。，显然这一结果违反了卡诺定理，因此不能实现。833. 01200100010tqw7 . 010003001112ctttc 例例4-2 利用以逆卡诺循环工作的热泵作为一住宅的采暖设备。利用以逆卡诺循环工作的热泵作为一住宅的采暖设备。已知室外环境温度为已知室外环境温度为-10，为使住宅内温度保持，为使住宅内温度保持20，每小时需供，每小时需供给给105kj的热量。试求（的热量。试求（1）该热泵每小时从室外吸取的热量；（）该热

17、泵每小时从室外吸取的热量；（2）热泵所需功率；（热泵所需功率；（3）若直接用电炉取暖，电炉的功率应为多少？）若直接用电炉取暖，电炉的功率应为多少？ 解解:（1）该热泵的制热系数为又由于 故热泵每小时从室外的吸热量为 （2）热泵所需功率为 p=q1-q2=（105-89765）=10235（kj/h）=2.84kw （3）电炉采暖所需功率为 p1=q1=105（kj/h）=27.78 kw77. 9)10273()20273(20273211tttc211211cqqqqqq55121c101089765(/ )9.77qqqkj h第四节第四节 熵与熵增原理熵与熵增原理 熵熵s是是的状态参数。

18、的状态参数。熵的微分定义式为熵的微分定义式为tqsrd适用于任何热力系的适用于任何热力系的任何热力过程任何热力过程可逆过程中可逆过程中1、2两平衡态的熵差为两平衡态的熵差为21r12tqss关于熵的几点说明：关于熵的几点说明： （1）熵是状态参数熵是状态参数，当热力系平衡态确定后，熵就完全确定了，当热力系平衡态确定后，熵就完全确定了，与通过什么路径（过程）到达这一平衡态无关。与通过什么路径（过程）到达这一平衡态无关。 （2）无论过程是否可逆）无论过程是否可逆, 计算两个状态的熵差时，可计算两个状态的熵差时，可选任一连接两选任一连接两状态的可逆过程状态的可逆过程进行计算。进行计算。 （3）熵具有可加性熵具有可加性, 热力系的熵等于热力系内各个部分熵的总和。热力系的熵等于热力系内各个部分熵的总和。 （4）从微观上看，熵与热力系内部分子运动的混乱程度有关。）从微观上看，熵与热力系内部分子运动的混乱程度有关。熵熵是热力系内部分子混乱程度的量度。是热力系内部分子混乱程度的量度。熵值较小的状态对应于较为有序熵值较小的状态对应于较为有序的状态，熵值较大的状态，对应于较为无序的状态。的状态，熵值较大的状态