工程熱力學與傳熱學4

1、第四章熱力學第二定律熱力學第一定律揭示了熱量與功的相互轉(zhuǎn)換及熱量傳遞中的能量守恒規(guī)律。 熱力學第二定律解決的是熱功轉(zhuǎn)換和熱量傳遞的方向、條件與限度等問題。 熱力學第一定律和熱力學第二定律共同組成了熱力學的理論基礎。本章重點討論熱力循環(huán)、卡諾循環(huán)和熵的概念；介紹熱力學第二定律的兩種 說法及卡諾定理等有關(guān)理論。從工程應用的角度，闡明提高動力裝置熱效率和制 冷裝置制冷系數(shù)的基本途徑。第一節(jié)熱力循環(huán)由前邊的分析知道，熱機將熱能轉(zhuǎn)變成機械能是借助氣體工質(zhì)的膨脹過程來 進行的。工質(zhì)吸收熱量，體積膨脹，推動活塞對外做功。但是僅靠一個膨脹過程 是不可能連續(xù)地把熱能轉(zhuǎn)換為機械能的。因為隨著工質(zhì)的膨脹，它的參數(shù)將

2、變化 到不能再做功的程度。而且機器的尺寸也是有限的，也不允許工質(zhì)無限制地膨脹 下去。為了實現(xiàn)不斷地做功，必須在工質(zhì)膨脹做功之后，在經(jīng)歷某種壓縮過程使工 質(zhì)恢復原來的狀態(tài)重新獲得做功的能力，以便再次膨脹做功。只有不斷地重復這些過程，周而復始，熱機才能連續(xù)不斷地將熱能轉(zhuǎn)變成機 械能。熱力循環(huán)：指工質(zhì)從某一熱力狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)變化過程，又 回到原來的熱力狀態(tài)的全部過程的組合稱為熱力循環(huán)（循環(huán)）。熱力循環(huán)包括：可逆循環(huán)和不可逆循環(huán)。可逆循環(huán)：組成循環(huán)的所有熱力過程都是可逆過程的循環(huán)。循環(huán)過程可用狀態(tài)參數(shù)坐標圖表示。如圖4-1所示?？赡嫜h(huán)包括：正循環(huán)（在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上沿順時針方向進行的循

3、環(huán)）； 和逆循環(huán)（在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上沿逆時針方向進行的循環(huán)）。正循環(huán)的結(jié)果是工質(zhì)將高溫熱源的部分熱能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，故稱為熱機循環(huán)（或稱為動力循環(huán)）。如：內(nèi)燃機循環(huán)、蒸汽輪機循環(huán)燃氣輪機循環(huán)等。逆循環(huán)：是借助環(huán)境提供的能量而將低溫物體的熱能轉(zhuǎn)移到高溫物體上的。如：制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)等。不可逆循環(huán)：再循環(huán)過程中只要有一個過程不可逆，則整個循環(huán)就是不可逆 循環(huán)。熱機包括：可逆熱機（進行可逆循環(huán)的熱機）和不可逆熱機（進行不可逆循 環(huán)的熱機）?？赡嫜h(huán)的特征：（1）循環(huán)中工質(zhì)的任意一個狀態(tài)參數(shù)的凈變化量都為零。并可用b dx = 0表示。（2）循環(huán)過程中工質(zhì)與環(huán)境交換的凈功w等于其與環(huán)境的凈傳

4、熱量q。圖4 -1正循環(huán)示意圖因為任何熱力循環(huán)都應符合熱力學第一定律，且工質(zhì)在完成一個循環(huán)后又回 到初始態(tài)，則有A u = 0 或 b dx = 0。所以q=Au+w=w.一、正循環(huán)和熱效率正循環(huán)：是把熱能轉(zhuǎn)換為機械能 的循環(huán)。循環(huán)按順時針方向進行。即沿1-a-2-b-1的順序進行。圖中1-a-2為膨脹過程，工質(zhì)從高溫熱源吸收熱量q1后做膨脹功，功的大 小可用p-v圖上的面積1-a-2-3-4-1表示。為使工質(zhì)恢復到初始態(tài)，必須對工質(zhì) 進行壓縮。在壓縮過程2-b-1中，工質(zhì)向低溫熱源放出的熱量為q2 （取絕對值）環(huán)境 消耗的壓縮功為面積2-b-1-4-3-2。工質(zhì)完成一個循環(huán)后，對外所作的凈功

5、W為膨脹功與壓縮功之差（正值）， 在p-v圖上為循環(huán)曲線所包圍的面積1-a-2-b-1。根據(jù)熱力學第一定律，正循環(huán)的比循環(huán)凈功為w=q=q1-q2（4-1）通常用循環(huán)熱效率n t來評價正循環(huán)的經(jīng)濟性。循環(huán)熱效率（nt）：指工質(zhì)在整個熱力循環(huán)中，對外所做的循環(huán)功凈w與循 t環(huán)中外界加給工質(zhì)的熱量q1的比值即門二虬=q廣q 2 1 全_q 1q 1q 1熱效率是衡量熱機性能的重要指標之一，體現(xiàn)了熱機循環(huán)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 的有效程度。由熱力學第一定律知，第一類永動機是造不出來的，所以熱效率不可能大于 1.。由上式知，若q2=0，則nt=100%，即在循環(huán)中工質(zhì)如果沒有向低溫環(huán)境 放熱，則工質(zhì)便可將吸

6、收的熱量100%地轉(zhuǎn)換為功。這雖然不違反熱力學第一定 律，但實踐證明這是不可能的。熱力學第二定律就是在研究如何提高熱機效率的過程中被發(fā)現(xiàn)并逐步發(fā)展 起來的。由此可見，循環(huán)的熱效率總是小于1的。每完成一次正循環(huán)，工質(zhì)從高溫熱 源得到的熱量q1中，在一部分熱量（q1-q2）轉(zhuǎn)變?yōu)楣的同時，必定有另外一 部分熱量勺2排放該低溫熱源（環(huán)境），這就是熱能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為機械功必要 的補充條件。二、逆循環(huán)及其工作系數(shù)逆循環(huán)：是消耗機械能，迫使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的循環(huán)。按目的不同，逆循環(huán)可分為兩種：制冷循環(huán)：從低溫熱源吸收熱量；熱泵循環(huán)：向高溫熱源供熱。圖4 -1逆循環(huán)示意圖逆循環(huán)按逆時針方向進

7、行。如圖 4-2所示。圖中，1-b-2為膨脹過程，工質(zhì)從低溫熱源吸收熱量q2后做膨脹功，功的大小可用p-v圖上的面積1-b-2-3-4-1表示。為使工質(zhì)恢復到初始態(tài)，必須對工質(zhì)進行壓縮。在壓縮過程2-a-1中，工質(zhì)向高溫熱源放出的熱量為q1 （取絕對值）環(huán)境消 耗的壓縮功為面積2-a-1-4-3-2。循環(huán)所消耗的凈功w為壓縮功與膨脹功之差（取絕對值），在p-v圖上為循 環(huán)曲線所包圍的面積1-b-2-a-1。根據(jù)熱力學第一定律，逆循環(huán)的比循環(huán)凈功為W = Q1- q2逆循環(huán)的經(jīng)濟程度用工作系數(shù)來衡量。工作系數(shù) =得到的收益花費的代價制冷機的目的：從冷庫或冰箱中抽取熱量排向溫度較高的環(huán)境，使冷庫或

8、冰 箱內(nèi)的溫度下降并保持低溫。代價：消耗了一部分機械能。制冷循環(huán)的經(jīng)濟程度用制冷系數(shù)8表示熱泵循環(huán)的經(jīng)濟程度用供熱系數(shù) /表示e / = q_ q 1供熱系數(shù) /恒大于1。制冷系數(shù)可能大于1、等于1也可能小于1。在同一個循環(huán)中，分別以制冷為目的和以供熱為目的的工作中，其制冷系數(shù) 供熱系數(shù) /之間存在以下關(guān)系：e / 幻幻-q2+q2 = 1 + e 幻*2 幻*2無論是制冷循環(huán)還是供熱循環(huán)，為了實現(xiàn)把熱量從低溫物體傳該高溫物體， 都必須消耗一定的機械能。這些機械能將轉(zhuǎn)換為熱能，并與q2 一起傳向高溫物 體。這就是使熱量從低溫熱源傳至高溫熱源必要的補充條件。小結(jié)：指工質(zhì)從某一熱力狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)變化過程，又回到 原來的熱力狀態(tài)的全部過程的組合稱為熱力循環(huán)（循環(huán)）。熱力循環(huán)