09 工程热力学 第五章

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《工程热力学》第五章 思考题答案

《工程热力学》第五章 思考题答案
2
思考题5-4
摩擦等耗散效应
不可逆根源:
温差
有限势差下 进行的过程
压差 浓度差等
3
思考题5-5
4
思考题5-8
1)错 闭口系熵方程 dS Sg S f ,Q
2)错 开口系熵方程 dS (si mi s j mj ) Sf ,Q Sg
Sf,m Sf ,Q Sg
3)错 可逆绝热过程为定熵过程,反之不成立
如:不可逆放热过程,当放热引起的熵减等于不可逆引起 的熵增时(亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量 时),它也可以表现为熵没有发生变化。
5
思考题5-8 4)错 可逆吸热过程为熵增大过程 5)错 使孤立系统熵增大过程为不可逆过程 6)对
6
思考题5-9
1)错
s12
2
1 cV
dT T
Rg
ln
v2 v1
s12
2 dT 1 cp T Rg ln
p2 p1
s12
2
1 cV
dp p
2
1 cp
dv v
2) dS Sf,m Sf ,Q Sg
S不可逆=S可逆
Sf
不一定
,Q
Sg,不可逆 Sg,可逆 7
思考题5-9
3)错,对于闭口系,绝热过程,无论是膨胀还是压 缩
dS Sg S f ,Q Sg 0, S f ,Q 0
S 0
4) 错
ds 0
δq Tr
0
8
思考题5-10
9
思考题5-11
不可逆绝热压缩 dS Sg S f ,Q
Sg 0, S f ,Q 0
S 0
10
可逆绝热压缩过程的技术功为 面积1-2T-j-m-1

工程热力学-第五章热力学第二定律之熵方程

工程热力学-第五章热力学第二定律之熵方程

02
考虑系统与外界发生质量交换,系统熵变除(热) 熵流,熵产外,还应有质量迁移引起的质熵流,所以 熵方程应为:
流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增
其中
流入 流出
热迁移
造成的
热 熵流
质迁移

02
δmi si
δW
δm j s j
Ql Trl 流入
熵产
δmisi
δQl Tr ,l
2 δQ Q Q
1 TB TB
TA
Sg 0
01
取B为系统
SB
2 δQ Q 1 TB R TB
Sf

2 δQ 1 Tr
2 δQ Q Q 1 TA TA TB
Sg 0
01
若TA>TB,不可逆,取A为系统
SA
2 δQ Q
1 TA R
δSg
流出
δmj s j
熵增 dS
δmisi
δm j s j
δQl Tr,l
δSg

dS
S

(si mi s j mj ) S转移;可在不可逆过程中自 发产生。由于一切实际过程不可逆,所以熵在能量转移 过程中自发产生(熵产),因此熵是不守恒的,熵产是 熵方程的核心。
04
稳定流动开口系熵方程(仅考虑一股流出,一股流进)
S

(siδmi s jδm j ) Sf ,l Sg
绝热稳流开系:
sf 0 s2 s1 sg 0
? SCV 0 矛盾
s2 s1 0
稳流开系:
δm1 δm2 δm dSCV 0

工程热力学第五章习题答案

工程热力学第五章习题答案

第五章 热力学第二定律5-1 利用逆向卡诺机作为热泵向房间供热,设室外温度为5C −D ,室内温度为保持20C D 。

要求每小时向室内供热42.510kJ ×,试问:(1)每小时从室外吸多少热量?(2)此循环的供暖系数多大?(3)热泵由电机驱动,设电机效率为95%,求电机功率多大?(4)如果直接用电炉取暖,问每小时耗电几度(kW h ⋅)?解:1(20273)K 293K T =+=、2(5273)K 268K T =−+=、142.510kJ/h Q q =×(1)逆向卡诺循环1212Q Q q q T T =214421268K 2.510kJ/h 2.28710kJ/h293KQ Q T q q T ==××=×(2)循环的供暖系数112293K 11.72293K 268KT T T ε′===−−(3)每小时耗电能1244w (2.5 2.287)10kJ/h 0.21310kJ/hQ Q q q q =−=−×=×电机效率为95%,因而电机功率为40.21310kJ/h 0.623kW3600s/h 0.95P ×==×(4)若直接用电炉取暖,则42.510kJ/h ×的热能全部由电能供给442.5102.510kJ/h kJ/s 6.94kW3600P ×=×==即每小时耗电6.94度。

5-2 一种固体蓄热器利用太阳能加热岩石块蓄热,岩石块的温度可达400K 。

现有体积为32m 的岩石床,其中的岩石密度为32750kg/m ρ=,比热容0.89kJ/(kg K)c =⋅,求岩石块降温到环境温度290K 时其释放的热量转换成功的最大值。

解:岩石块从290K 被加热到400K 蓄积的热量212133()()2750kg/m 2m 0.89kJ/(kg K)(400290)K 538450kJQ mc T T Vc T T ρ=−=−=××⋅×−=岩石块的平均温度21m 21()400K 290K342.1K 400Kln ln290Kmc T T Q T T Smc T −−====Δ在T m 和T 0之间运行的热机最高热效率0t,max m290K 110.152342.1KT T η=−=−=所以,可以得到的最大功max t ,max 10.152538450kJ 81946.0kJW Q η==×=5-3 设有一由两个定温过程和两个定压过程组成的热力循环,如图5-1所示。

工程热力学第五章

工程热力学第五章

S与传热量的关系
热力过程 S12 S 2 S1 12 T
对于循环 △S=0
S
Q
r
= 可逆 >不可逆 <不可能
克劳修斯不等式
Q
Tr
除了传热,还有其它因素影响熵
12
不可逆绝热过程 Q 0 dS 0 不可逆因素会引起熵变化 总是熵增
熵流和熵产
对于任意微元过程有 dS 定义 熵流
Tr为热源温度
注意:过程可逆, 传热温差为0,故热源 温度Tr=工质温度T
δQrev 循环积分 0 Tr 或 Qrev T 0
该积分称为克劳修斯积分
定义 定义
熵 比熵
Qrev Qrev dS Tr T qrev qrev ds Tr T
热源温度 =工质温 度

对所有微元不可逆循环积分求和 对该不可逆循环 δQ Tr 0
δQ T 0 r
克劳修斯积分不等式
克劳修斯积分含义: (1)工质经过任何不可逆循环,克劳修斯积分小于零; (2)工质经过任何可逆循环,克劳修斯积分等于零; (3)工质经过任何循环,克劳修斯积分不可能大于零。 可以利用来判断一个循环是否能进行,是可逆循环, 还是不可逆循环。
熵变的计算方法
水和水蒸气:查图表 固体和液体: 通常 cp cv c 常数 例:水 c 4.1868kJ/kg.K
Qre dU pdv dU cmdT
Qre cmdT 熵变与过程无关,假定可逆: dS T T T2 S cm ln T1
熵变的计算方法

Q
Tr
2 B 1
0

Qห้องสมุดไป่ตู้
Tr

工程热力学第五章(热力学第二定律)09(理工)(沈维道第四版)

工程热力学第五章(热力学第二定律)09(理工)(沈维道第四版)

T2 w 300 有 t tC 1 1 70% 由 t q1 T1 1000
w t q1 0.7 100 70kJ
四、卡诺定理举例(2)
(2) 当吸热和放热均有温差时,工质实际在吸热温 度为800K和放热温度为400K的两个热源间工作, 则热效率为
T2 400 t tC 1 1 50% 70% T1 800
循环净功为
w t q1 0.5 100 50kJ
可见,由于传热温差的存在,循环热效率降低了。
§5-4 熵与克劳修斯不等式
热二律推论之一
卡诺定理给出热机的最高理想
热二律推论之二
克劳修斯不等式反映方向性
第五章 热力学第二定律
§5-1 热力学第二定律的实质
热力学第一定律
能量守恒与转换定律
能量之间数量的关系
所有满足能量守恒与转换定律 的过程是否都能自发进行?
一、自发过程的方向性
自发过程:不需要任何外界作用而自动进 行的过程。 摩擦生热: 机械能变热能 自动地热能变机械能?


水自动地由高处向低处流动 自动地低处流向高处? 两液体混合过程自动进行 自动地将两种液体分离? 热量自发地由高温物体传向低温物体
◆ §5-3 卡诺定理
热二律的推论之一 卡诺定理有两个分定理, 下面予以介绍
◆ 一、 卡诺定理
定理1:在相同的高温恒温热源和相同的低温 恒温热源间工作的所有可逆热机,热效率相 同,且与工质的性质无关。
定理2:在相同的高温恒温热源和相同的低温恒 温热源间工作的所有热机,以可逆热机的热效 率最高。不可逆热机热效率总小于这两个热源 间工作的可逆热机的热效率。 可见,在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机的热效率相同, tR = tC 在给定的温度界限间工作的一切热机,tC最高 热机极限 减小不可逆性,可提高热效率。

工程热力学__第五章气体动力循环

工程热力学__第五章气体动力循环

k 1 k
p2 p1
k 1 k
T2 T1
T1 1 1 1 1 1 k 1 T2 T2 p2 k T1 p1
T
2 1
3
4
t,C
T1 1 T3
热效率表达式似乎与卡诺循环一样
s
勃雷登循环热效率的计算
热效率:
t 1
p
2 3 2 4 T 3
4
1 1
v s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
放热量(取绝对值)
T 2
1
3
4
q2 cv T4 T1 热效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
s
定压加热循环的计算
k 1 热效率 t 1 k 1 k ( 1) t
T1
s
燃气轮机的实际循环
压气机: 不可逆绝热压缩 燃气轮机:不可逆绝热膨胀 T
定义:
3 2 1
2’
4’
压气机绝热效率
h2 h1 c h2' h1
4
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
s
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' w净 h3 h4' h2' h1
oi h3 h4
h2 h1
T
2 1
2’
3
4’
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
4
吸热量
q h3 h2' h3 h1
' 1

工程热力学(第5章--水蒸汽的热力性质)

工程热力学(第5章--水蒸汽的热力性质)
v′增大(因水的膨胀性大于压缩性); v″减小(因汽的压缩性大于膨胀性);
18
5-2 水蒸气的定压产生过程
所以:随着p升高,b点向右移动,d点向左移动,即 预热过程增长,汽化过程缩短,过热过程增加。
19
5-2 水蒸气的定压产生过程
当压力升高至pc=22.064MPa时,汽化过程缩成一点,即临 界点C,同时产生两线(CM、CN)和三区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)。
D = t - ts
h
15
➢水蒸气定压产生过程中热量的计算
1.水的定压预热阶段:
液体热 ql h ' h0 kJ/kg
T
2.饱和水的定压汽化过程:
汽化潜热 r h" h ' kJ/kg
Ts
b
e d
r Ts s" s ' kJ/kg
3.干蒸汽的定压过热过程:
过热热 qs h h" kJ/kg
2
本章主要内容 水蒸气的饱和状态 水蒸气的定压产生过程 水蒸气的热力性质图表 水蒸气的基本热力过程
3
5-1 水蒸气的饱和状态
一、汽化:液态→汽态 (如锅炉水冷壁中水的汽化过程)
汽化方式有两种:1)蒸发,2)沸腾。
1、蒸发——在液体表面缓慢进行的汽化现象。
特点:它能在任何温度下进行;液体的蒸发速度取决于 液体的性质、液体的温度、蒸发表面积和液面上气流的流速。
饱和状态的特点: p s
①汽水共存;
ts
②汽水同温;
③饱和压力与饱和温度
成一一对应关系.
ts f ps
8
饱和温度与饱和压力的关系
ts f ps
ps上升, ts上升 ts上升, ps上升
饱和压力 0.005MPa

工程热力学-第五章 热力学第二定律

工程热力学-第五章 热力学第二定律
时作出的最大有用功称为冷量㶲,用Ex,Q0表示。
Q0即为冷量
5
孤立系统中㶲只会减少,不会增加,极限情况下 (可逆过程)保持不变—能量贬值原理。
dEx,iso ≤ 0 或 I≥0
孤立系统的熵增等于熵产,因此㶲损失为:
I = T0D Siso = T0Sg
6
ห้องสมุดไป่ตู้
火无 (anergy):系统中不能转变为有用功的那 部分能量称为Wu;用An表示。
则: E Ex An
3
热量㶲
在温度为T0的环境条件下,系统(T>T0 )所
提供的热量中可转换为有用功的最大值称为热量
㶲,用Ex,Q表示。
4
冷量㶲 把与温度低于环境温度的物体(T<T0 )交换的热 量叫冷量;温度低于环境温度的系统,吸入热量Q0
第五章 总结
1、卡诺循环
c
1
T2 T1
2、热力学第二定律的数学表达式
2 δq
s2 s1 1 Tr
3、闭口系熵方程
δq ds
Tr
δq
Ñ Tr 0
dS Sg S f ,Q 或S12 Sg S f ,Q
1
4、开口系熵方程
dS (si mi s j mj ) Sf ,Q Sg
Sf,m Sf ,Q Sg
5、孤立系统熵增原理
dSiso dSg 0 或 Siso Sg 0
6、作功能力的损失与孤立系统熵增之间的关系
I T0Siso
2
㶲(exergy): 1、在环境条件下,能量中可转化为有用功的最
高份额称为㶲;用Ex表示。
2、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,作出的最大有用功
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第5 章
水蒸气
饱和水的定压汽化阶段
饱和水
湿饱和蒸汽
干饱和蒸汽
p = const t = ts v = v′ s = s′ h = h′
p = const t = ts v′ < v < v′′ s′ < s < s′′ h′ < h < h′′
p = const t = ts v = v′′ s = s′′ h = h′′
20
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.3.1 零点规定 零点规定:三相点时液态水的热力学能及熵为零。 零点规定:三相点时液态水的热力学能及熵为零。
p0 = 611.2 Pa T0 = 273.16 K v0 = 0.001 m3 / kg u0 = 0 kJ / kg s0 = 0 kJ /( kg K ) h0 = u0 + p0 v0 = 0 + 611.2 × 0.001 J / kg = 0.6112 J / kg
湿饱和蒸气、 湿饱和蒸气、湿蒸气(wet-saturated vapor; wet vapor ): 饱和蒸气和饱和液体的混合物, 饱和蒸气和饱和液体的混合物 t = ts。 干饱和蒸气、 干饱和蒸气、干蒸气(dry-saturated vapor; dry vapor ):不 含有饱和液体的饱和蒸气,t = ts。 含有饱和液体的饱和蒸气 过热蒸气(superheated vapor):温度高于压力所对应的饱 温度高于压力所对应的饱 和温度的蒸气,t > ts。 和温度的蒸气
三相点处液态水的焓可近似为零
21
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.3.2 未饱和水的状态参数确定 根据压力和温度从未饱和 水和过热蒸汽表中查得比体积、 焓、熵,或由专用程序计算。
当压力不太高时,可近似
T ht = cpt st = cp ln 273.16
第5 章
水蒸气
5.2 水蒸气的定压发生过程
5.2.1 水蒸气的定压发生过程 水预热 汽化 过热
t < ts
t = ts
t = ts
t = ts
t > ts
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工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
水的定压预热阶段
未饱和水(过冷水)
水蒸气
规律: 一点 两线 三区 五态 一点、两线 三区、五态 两线、三区 一点:临界点
pc = 22.064 MPa vc = 0.003106 m3 / kg sc = 4.4092 kJ / kg k
tc = 373.99 oC hc = 2085.9 kJ / kg
两线:上界限线(干饱和蒸汽线)、下界限线(饱和水线); 三区:液相区、汽液两相共存区、汽相区; 五态:未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、 过热蒸汽。
liquefaction) 由蒸汽变成液体的过程。 液化(liquefaction):由蒸汽变成液体的过程。
4
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.1.2 饱和状态(saturated state) state) 当汽化速度 = 液化速度时,系统 处于动态平衡 动态平衡;宏观上气、液两相保持 动态平衡 一定的相对数量——饱和状态 饱和状态。 饱和状态时蒸气和液体的温度为饱 饱 和温度, 饱和压力, 和温度,ts(Ts) ;压力为饱和压力,ps。 饱和压力 对闭口系统加热,使温度升高为 t ’,并保持定值,系 统建立新的动态平衡。与之对应,p变成ps’。 故ts、ps一一对应,只有一个独立变量,即ts = f( ps )。
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.2 水蒸气的定压发生过程
5.2.1 水蒸气的定压发生过程 水预热 汽化 过热
t < ts
t = ts
t = ts
t = ts
t > ts
12
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
5
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
水的饱和温度和饱和压力之间关系
6
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.1.3 几个名词
) 处于饱和状态的蒸气, 饱和蒸气(saturated vapor):处于饱和状态的蒸气,t = ts。 ) 处于饱和状态的液体 处于饱和状态的液体, 饱和液(saturated liquid):处于饱和状态的液体,t = ts。
使未饱和液达到饱和状态的途径:
t < ts ( p) p = const,t ↑ (t,p) p > ps (t) t = const,p ↓
8
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.1.4 干度 干度:湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比, 。 干度:湿蒸气中饱和蒸气所占的质量百分比,x。
饱和水
p = const t < ts v < v′ s < s′ h < h′
p = const t = ts v = v′ s = s′ h = h′
这个阶段所需的热量称为液体热。 液体热。 液体热 液体热:在定压预热过程中所需的热量 液体热:在定压预热过程中所需的热量,ql。
11
工程热力学和传热学
这个阶段所需的热量称为汽化潜热。 汽化潜热。 汽化潜热 汽化潜热:汽化阶段吸进的热量 汽化潜热:汽化阶段吸进的热量,r。
13
工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.2 水蒸气的定压发生过程
5.2.1 水蒸气的定压发生过程 水预热 汽化 过热
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工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat
5.1 基本知识
5.1.1 汽化和液化(vaporization and liquefaction) 汽化(vaporization):物质由液态变成气态的物理 ) 过程(无化学变化)。 过程(无化学变化)。 蒸发:在液体表面上的汽化过程。 沸腾:在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化现象。 沸点:液体沸腾时的温度,ts。
x=
mg mf + mg
(湿湿: y =1 x)
mf :湿蒸汽中所含的饱和水的质量; mg :湿蒸汽中所含的饱和蒸汽的质量。 x = 0,饱和水; 0 < x < 1,湿蒸气; x = 1,干饱和蒸汽。 , ; , ; , 描述湿蒸气确切状态的参数,表示湿蒸气的成分。
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工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
p = const t > ts v > v′′ s > s′′ h > h′′
这个阶段所需的热量称为过热量。 过热量。 过热量 过热量:在过热过程中所需加热量 过热量:在过热过程中所需加热量,qsup。
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工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
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工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
5.3.3 饱和水和干饱和水蒸气的状态参数确定 根据压力(或温度)从饱和水和饱和水蒸气表中直 接查得饱和温度、比体积、焓、密度、熵、以及汽化潜 热等,或由专用程序计算。 5.3.4 过热蒸汽的状态参数确定 根据压力和温度从未饱和水和过热蒸汽表中查得比 体积、焓、熵,或由专用程序计算。 由于cp变化复杂,过热蒸汽不可用类似未饱和水的 近似公式进行计算。
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工程热力学和传热学
Engineering Thermodynamics & Heat Transfer
第5 章
水蒸气
) 过热度(degree of superheat):过热蒸气的温度和其压 力所对应的饱和温度之差, 力所对应的饱和温度之差 d = t - ts。 ) 未饱和液体(unsaturated liquid):温度低于所处压力下 饱和温度的液体, 饱和温度的液体 t < ts。
第5 章
水蒸气
5.2.2 水定压加热汽化过程的 p – v 图及 T - s 图
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工程热力学和传热学
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