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Chapt热力循环热力学第二定律及其应用.ppt
Chapt.5 热力循环—热力学第二定律应用 曲阜师范大学.化学与化工学院 内 容 5.1 热力学第二定律 5.2 熵熵增原理 5.1 热力学第二定律 第二定律几种等价的表述 孤立体系热力学第二定律的表述式: 热源: 即可取出热量,也可投入热量 取出或投入热量,热源温度不变。 热源里进行的过程是可逆过程 地球周围的大气及天然水源可视为热源。 热机效率 二、熵熵增原理 熵-可逆热温商 熵增原理 三、热力学第二定律用于闭系 封闭体系热力学第二定律数学表达式 四、熵流熵产 熵流 有序能量(e.g.机械能、电能etc.)耗散为无序热能, 并被体系吸收,必然导致体系熵的增加→熵产生. 4.5 熵平衡 以热力学第一定律为指导的能量衡算对解决工程问题十分重要。 它从能量转换的数量关系评价过程和装置在能量利用上的完善性; 然而它对于揭示过程不可逆引起的能量损耗,则毫无办法。 根据热力学第二定律,能量的传递和转化须加上些限制,熵就是用以计算这些限制的, 而熵平衡就是用来检验过程中熵的变化,它可以精确地衡量过程的能量利用是否合理. 式(5-8)(5-9)~封闭体系的熵平衡式;封闭体系既可是静止的,又可是流动的。由上二式可看出,对不可逆过程,体系的熵变取决于熵流 以及熵产生 ,故不能由体系吸热(+)或放热(-)来简单判断体系熵变 的正负. 3. 开系熵平衡式 敞开体系熵变除与熵流和熵产有关外,还与进出体系物流熵有关 如图所示,对有多股物流出入的敞开体系,其熵变 为: (1) 稳定流动过程 由于体系本身状态不随时间变化 , ,式(4-12)变为 e.g. 要求流体流经节流阀产生的熵 ,可按上式来求。 只有一股流体,mi=mj=m,因而有: 例题(陈钟秀.第二版P113)有人声称发明了一种绝热操作,不需要外功的稳定流动装置能将P=0.4MPa, 298k的空气分离成质量相等的两股流体(见下图),一股是PA=0.1013MPa, 273K,另一股PB=0.1013MPa, 323K. 试问这样的装置可行吗?(假设空气为i.g,其恒压热熔Cp=29.3kj/kmol.K (2)该装置能量衡算: 由(3-17),if. 忽略设备进出口间的动能、位能变化。则: (3)最后由式(4-16)计算该装置熵产生 4.6 热力学图表&应用 物质热力学性质可以以三种形式表示:方程式、图和表。 几种方法各有优缺: 方程式可以用分析法进行微分,其结果较图解法精确,但很 费时间,而且许多状态方程式其中变数分离难以办到; 表格能给出确定点的精确值,但要使用内插法比较麻烦,而 图示法容易内插求出中间数据,对问题形象化也有帮助, 但 缺点是精确度不高,其变量数目受到限制。 热力学性质图使用十分方便,且容易看出其变化趋势,因此 进行过程热力学分析一般都使用热力学性质图。 1. T-S图的构成和性质 单相区(g、v、l、s)和两相区(s/l、v/l、s/v); C点~临界点; C→A~饱和液体线; C→B~饱和蒸汽线, AC和BC所围区域~汽液共存区; 相同温度下汽相的熵总是较液相为大,因此饱和蒸汽线在熵值大的那半边。 1. T-S图的构成和性质 两相区内水平线与饱和汽、液相线的交点互成汽液平衡,温度和压力均相等; 水平线的长度为相变化的熵变,其与绝对温度的乘积为汽化热。 温度升高,汽化热降低,直到临界点,汽化热为零。 线段B→A→D~汽-液-固三相平衡线; 汽液共存区内任一点都是汽液混合物,即 湿蒸汽, 其摩尔性质M (M=V,U,H,S,A,G,CV,CP…) 可以从相应饱和蒸汽性质MSV与饱和液体性质Msl计算得到: M= Msl·(1-x) + MSV·x 其中,x是饱和蒸汽在湿蒸汽中所占重量百分比~干度(或品质)。 (5)T-S图中的等变量线 等压线变化规律~一系列从左下角往右上角偏斜近乎平行的曲线 压力不太高时,相同温度时高压下的焓一般比低压下者为小,故压力不太高时等焓线从左上方往右下方偏斜; 在等T下,由Maxwell式知: (6)T-S图上的典型过程 (b)节流膨胀~教材P129, 图5-9 等焓,节流过程可在等焓线上表示。 状态1(P1,T1)的高压气体沿等焓线节流至低压P2时与P2等压 线相交,过程如线段1→2表示,膨胀后T2可由纵坐标直接读出。 (c)等熵膨胀或压缩 可逆、绝热膨胀~等熵膨胀。物系由状态1(T1, P1)等熵膨胀至P2,
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