热力学知识：热力学中的热力学循环和热力学制冷循环
第五章 热力循环——热力学第二定律
两个热源之间 b. 传热温差△ T↓ ↓，即不可逆程度越小， TH H ，熵增 的传热 L
Q1 T T 0 导致传热过程缓慢。增加传热面积，设备费用 ↑。 H L
5.2 熵
1. 闭系热力学第二定律 △Ssys+△Ssur≥0 微分形式 dSsys+dSsur≥0 dSsur=dS热源+dS功源
过程的不可逆程度越大，熵产生量也越大；熵产生永远 不会小于零。
ΔSg<0，不可能过程
5.2 熵
2. 熵平衡式
Q ) 熵流 S f ( T
物流入
敞开体系
S g
S A
in
物流出
m s
i i i
m s
j j j out
W
敞开系统熵平衡示意图 熵平衡的一般关系式： 熵流+熵入+熵产-熵出=熵积累
Ssys 0
高温热源
由热力学第二定律： 可逆过程： (Ssys Ssur ) 0
Ssur S高温源 S低温源 S功源 0 则：
QH
热机
WS ( R)
功 源
QL QH QL S高温源 S低温源 可逆： a. 孤立体系，发生可逆过程，△ St=0，可以获得最大功 TH TL 低温热源 Q Q TL Ws(R) ，但热并不
2 透 WS ,Tur 平 3
WS , Pump
T
TH
TL
1
QH 锅
炉
2
冷凝器
QL
4 6
3 5 S
1
水泵
4
图1 卡诺循环各步骤的能量平衡和熵平衡式 简单的蒸汽动力装置 图2 T—S图上的卡诺循环
热力学第一定律
21
例1: 一定量的理想气体从体积V1 膨胀到体积V2 ，经历 以下几个过程： AB等压过程； AC等温过程； AD绝热 过程。问：从P－V图上，(1) 哪一个过程做功较多？哪 一个过程做功较少？(2) 经历哪一个过程内能增加？经 历哪一个过程内能减少？(3) 经历哪一个过程吸热最多？ P 解： (1) 等压过程做功最多 A A A P A B p T Q 绝热过程做功最少 P C
例2：图示两卡诺循环，S1 = S2 P (1) 吸热和放热差值是否相同？ (2) 对外所做净功是否相同？ (3) 效率是否相同？ 答案：(1)相同；(2)相同；(3)不相同
讨论
T2 1 )卡诺热机效率C 1 T1
只与T1和T2有关
与物质种类、膨胀的体积无关
2 ) 理论指导作用
T1 提高 c T2
提高高温热源的温度现实些
31
3)理论说明低温热源温度T2 0
说明热机效率 且只能 进一步说明 •热机循环不向低温热源放热是不可能的
T
(2) 等压膨胀：系统吸热 O V1 V2 V 系统内能增加，且对外做功； 等温膨胀：系统吸热，全部用来对外做功，内能不变； 绝热膨胀：系统不吸收热量，靠减少系统的内能对外做功
PQ
D
等压：内能增加；等温：内能不变；绝热：内能减少。
(3) 等压膨胀过程吸热最多。（4）绝热线比等温线陡 22
例2: 一mol单原子理想气体在汽缸中，设汽缸与活塞无 摩擦，开始时，P1=1.013*105Pa， V1=1.0*10 –2m3 ，将 此气体在等压下加热，使其体积增大一倍，然后在等体 下加热至压强增大一倍，最后绝热 膨胀为起始温度。 (1)画P-V图(2)求内能的增量(3)过程中的功 解： (1)图示 (2)0 (3) P2
第二章 热力学第一定律
§2-5 理想气体内能 热容和焓
一、理想气体的内能 焦耳定律 自由膨胀过程 证明：理想气体内能仅是状 态的函数，与体积无关，称 为焦耳定律
A
C
B
焦耳实验(1845年) 理想气体
U U (T )
满足pV=νRT关系；满足道尔顿分压定律； 满足阿伏加德罗定律；满足焦耳定律U
宏观特性
U (T )
1 dU CV ,m v dT
CP , m 1 dH v dT
思考题 一、试指出以下提法是否正确？如有错误、指出误区所在． 1.“高温物体所含热量多；低温物体所合热量少” 2.“同一物体温度越高所含热量越多”． 热量不是状态函数，与过程有关 二、试指出以下不同用语申的‘热”指的是哪个概念．
P
2、理想气体定容热容量及内能
热力学第一定律
dQ dU dA dU PdV dU
dV 0
dQ dU CV dT dT
U 2 U1 CV dT
T1
T2
3、理想气体定压热容量及焓 焓
H U pV U (T ) vRT
dH dU pdV
第二章
热力学第一定律
热力学系统的过程 功
内能 热量 焦耳热功当量实验
热力学第一定律及应用 理想气体内能、热容和焓 循环过程 技术上的循环过程
§2.1
一、热力学过程
热力学系统的过程
原平衡态
p
( P0 ,V0 )
一系列
非平衡态
( P ,V1 ) 1
新平衡态
p-V图 V 问题：离开了原平衡态， 能不能回到一个新平衡态
(I)“摩擦生热”； (2)“热功当最”
(3)“这盆水太热” 三、热力学系统的内能是状态的单值函数，对此作如下理解是否 正确? 1.一定量的某种气体处于一定状态，就具有一定的内能． 2.此内能是可以直接测定的． 3.此内能只有一个数值．
热力学3 循环过程
§8.4 循环过程一.循环过程如果循环是准静态过程，在P –V 图上就构成一闭合曲线如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。
=∆E 1. 循环VpOⅡⅠ··12工质对外所作的净功，其值等于闭合曲线所包围的面积21A A A -=21>-=A A A 21Q Q A -=2. 正循环、逆循环正循环(循环沿顺时针方向进行)逆循环(循环沿逆时针方向进行)（系统对外作功）21Q A Q +=ⅠⅡQ 1Q 2ab V pO根据热力学第一定律，有021<-=A A A （系统对外作负功）正循环也称为热机循环逆循环也称为致冷循环··ⅠⅡQ 1Q 2ab VpO····热库热库冷库冷库二. 循环效率1212111Q Q Q Q Q Q A -=-==η在热机循环中，工质对外所作的功A 与它吸收的热量Q 1的比值，称为热机效率在制冷循环中，工质从冷库中吸取的热量Q 2与外界对工质作所的功A 的比值，称为循环的致冷系数2122Q Q Q A Q w -==热机的能流图2Q 1Q 2T 低温热源致冷机的能流图2T 低温热源1Q 1T 高温热源热机能流图制冷机能流图1T 高温热源2Q AA1 mol 单原子分子理想气体的循环过程如图所示。
(1) 作出p -V 图(2) 此循环效率解例求cab 600211632T (K ）V （10-3m 3）O2ln 600lnR V V RT A Q abab ===V （10-3m 3）OP （105R ）(2) ab 是等温过程，有bc 是等压过程，有750bc p Q C T Rν=∆=-(1) p -V 图abc300ca 是等体过程R p p V T T C E Q c a c a V ca 450)(23)(=-=-=∆=ν循环过程中系统吸热RR R Q Q Q ca ab 8664502ln 6001=+=+=循环过程中系统放热RQ Q bc 7502==00124.1386675011=-=-=RRQ Q η此循环效率一定量的理想气体经历如图所示的循环过程。
化工热力学第六章 蒸汽动力循环与制冷循环
WS=(1-)(H3- H2)+(H2-H1)
6.1 蒸汽动力循环
ws 热效率 QH ws Qh 能量利用参数 QH
6 蒸汽动力循环与制冷循环
6.1 蒸汽动力循环 6.2 膨胀过程 6.3 制冷循环
6.2 膨胀过程
膨胀过程在实际当中经常遇到，如：高压流 体流经喷嘴、汽轮机、膨胀器及节流阀等 设备或装置所经历的过程，都是膨胀过程。 下面讨论膨胀过程的热力学现象。着重讨 论工业上经常遇到的节流膨胀和绝热膨胀 过程及其所产生的温度效应
⑵H1升高，因为水不可压缩耗功很少，一般 可忽略不计，但H1增加，必须使P1、t1增加， P1太大会使设计的强度出现问题，从而使制 造成本增加，提高效率的收益，并不一定 能弥补成本提高的花费。
6.1 蒸汽动力循环
卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等 熵膨胀和等熵压缩。在朗肯循环中，等温 放热、等熵膨胀和等熵压缩这三各过程基 本上能够与卡诺循环相符合，差别最大的 过程是吸热过程。现在主要问题是如何能 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效 率。显然改造不等温吸热是提高热效率的 关键，由此提出了蒸汽的再热循环和回热 循环。
6.1 蒸汽动力循环
1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 3）朗肯循环 4）提高朗肯循环热效率的措施 5）应用举例
6.1 蒸汽动力循环
4）提高朗肯循环热效率的措施
要提高朗肯循环的热效率，首先必须找出影响热 效率的主要因素，从热效率的定义来看
对卡诺循环 对朗肯循环
ws TL c 1 QH TH
H ( )T P H ( )p T
H ( ) P CP T
6.2 膨胀过程
H ( )T T J ( ) H P P CP
第二章热力学基本详解
B
C
1
T2 T1
W Q1
热机A’：任意不可逆循环，任意工质
A'
W' Q1
取Q1相等，以便比较
定理2：即A ' B
§2.8 多热源可逆循环
1. 热源多于两个的可逆循环
任意可逆循环，如左图之1H2L1。
T
H
•
•2 1•
L• s
吸热过程： 1H2，工质温度变化，为可逆，
需热源温度时时与工质相等，这样就 要有无限多个热源。
AMNB逆行： Q Q
BNMA T
AMNB T
上已导出：
Q
APQB T
Q
BNMA T
0
显然， δQ/T 是一个状态参数。 1865年，克劳修斯引入entropy
Q
APQB T
Q
AMNB T
与路径无关， 满足积分特性
T
δPQ1 Q
1923年，I.R. Plank来华讲学，东南大
B
胡刚复教授根据entropie的定义“热 A
Q2
两式相加，得： Q1 Q2 0
T1 T2
S1
S2 S
∵ Q已作正负号规定， Q1、 Q2可统一写成Q；
T1、 T2可为热源温度（=工质温度），可统一写成T
∴ Q 0
T
2、任意可逆循环的Q/T
T
δPQ1 Q
B
过作P、Q等熵线PM、QN，构 成微元可逆循环PQNMP
A N
MδQ2
S
当P→Q时， T P→TQ ， P-Q →等温过程。则PQNMP为微元
是循环净功之比，表示多热 源可逆循环接近同温限间卡诺循 环的程度。
卡诺定理的意义
热力学循环的基本原理及种类分析
热力学循环的基本原理及种类分析热力学循环是热力学领域中的重要概念，它描述了能量在系统中的转化和传递过程。
热力学循环的基本原理是根据能量守恒和热力学第一定律，通过一系列的热交换和功交换过程，将热能转化为机械能或其他形式的能量。
在热力学循环中，最常见的是热机循环。
热机循环是将热能转化为机械能的过程。
其中最典型的热机循环是卡诺循环。
卡诺循环是理想化的热机循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成。
在等温过程中，系统与热源接触，吸收热量；在绝热过程中，系统与外界无热交换，只进行功交换。
卡诺循环的效率是所有热机循环中最高的，它是热机效率的理论极限。
除了卡诺循环，还有一些其他常见的热机循环，如斯特林循环和布雷顿循环。
斯特林循环是一种基于气体膨胀和压缩的热机循环。
它通过气体的等温膨胀和等温压缩过程，将热能转化为机械能。
斯特林循环的特点是工作流体不发生化学反应，因此可以重复使用。
布雷顿循环是一种常见的内燃机循环，它是汽车发动机中最常用的循环之一。
布雷顿循环通过燃烧燃料和氧气产生高压高温的气体，然后通过气体膨胀和排气的过程，将热能转化为机械能。
除了热机循环，还有一些其他类型的热力学循环，如制冷循环和热泵循环。
制冷循环是将热能从低温区域转移到高温区域的过程，以实现制冷效果。
最常见的制冷循环是蒸发冷凝循环，它通过制冷剂的蒸发和冷凝过程，将热能从冷却物体吸收，并释放到环境中。
热泵循环是制冷循环的逆过程，它将热能从低温区域吸收，并通过压缩和冷凝的过程，将热能释放到高温区域。
热力学循环的种类还有很多，如焓变循环、熵变循环等。
每种循环都有其特定的工作原理和应用领域。
热力学循环的研究不仅有助于深入理解能量转化和传递的基本原理，也对能源利用和环境保护等方面具有重要意义。
总之，热力学循环是热力学领域中的重要概念，它描述了能量在系统中的转化和传递过程。
热机循环、制冷循环和热泵循环是热力学循环的常见类型。
通过研究不同类型的热力学循环，可以深入理解能量转化和传递的基本原理，为能源利用和环境保护等方面提供理论支持。
第五章 热力循环——热力学第二定律及其应用
dS =
δQ R
T
熵的外文原名的意义是转变（entropy，thermal charge）， 指热量可以转变为功的程度，熵小则转化程度高，熵大则 转化程度低。
5．2 熵
熵和其他热力学性质一样，也具有统计性，表征着含有 大量分子的体系的平均性质。熵是体系内部分子混乱程 度的度量,熵值较小的状态对应比较有序的状态,熵值较 大的状态对应比较无序的状态.从统计热力学得知，用波 尔兹曼定理表示：
5.3.1 T-S图的构成和性质
等熵膨胀效率定义：
− ΔH(1→2′) H1 − H2′ WS ηS = = = WS (R) − ΔH(1→2) H1 − H2
或
ηS =
wS h −h = 1 2′ wS ( R ) h1 − h2
(5-19)
ηs值可由实验测定,一般在0.6～0.8之间。这样已知WS(R)和ηs就可 以求出Ws。 由于绝热膨胀过程是不可逆的，一部分机械功耗散为热,并被流体 本身吸收，因此膨胀后流体的温度T2/>T2，熵S2/>S2
热力学第一定律主要解决自然界能量守恒问题，而热力学 第二定律主要解决方向和限度问题。 热量传递的方向与限度 热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传 热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。热量传 递的限度是温度达到一致，不存在温差。 自发 高温 非自发 低温 限度：ΔT=0
热功转换的方向 热功转换的方向性是指功可以完全转化为热，而热只能部 分转化为功。 原因：热是无序能量，而功是有序能量，自然界都遵循这 样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，而无序 运动不能自发转变为有序运动。 100%自发 功 100%非自发 热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决 热
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热力学知识：热力学中的热力学循环和热力
学制冷循环
热力学是研究热能转化和传递规律的科学。
其中，热力学循环和
热力学制冷循环是热力学中的核心概念之一。
本文将从热力学循环和
热力学制冷循环的基本概念、应用、优缺点以及未来研究方向等方面
进行阐述，希望读者能对热力学有更深入的了解。
一、热力学循环的基本概念
热力学循环是指热源、工作物质、冷源和工质循环过程中的热力
学变化。
在热力学循环中，根据所用工质的不同，可分为空气循环、
水蒸气循环、制冷剂循环等多种类型。
热力学循环的基本步骤包括加热、膨胀、冷却和收缩四个阶段。
例如，蒸汽发电厂中的水蒸气循环就是一种常见的热力学循环。
它的基本流程是将液态水加热变成水蒸气，在蒸汽轮机中膨胀发电，
再通过冷凝器使蒸汽冷凝成液态水，最后再通过泵将液态水重新加热，形成一个完整的水蒸气循环。
二、热力学循环的应用
热力学循环的应用十分广泛，不仅应用于工业领域的发电和制冷，还广泛应用于交通运输、化工、建筑、军事等领域。
1、蒸汽发电厂
蒸汽发电厂利用煤炭、天然气等能源进行发电，是现代工业的重
要基础设施。
在中低温区间（100至300℃）内，采用燃烧化石燃料形
成高温燃气，使水在高温高压下变成蒸汽，进而驱动汽轮机发电，这
种形式的热力学循环被称为水蒸气循环。
2、制冷空调
制冷空调是以逆向的方式运用热力学循环产生冷空气。
通过膨胀
后冷却的制冷剂，吸收空气中的热量，从而使空气得以降温。
由于制
冷剂的不同，制冷空调也有多种类型，如常用的制冷剂为氟利昂，利
用氟利昂回收装置进行回收和循环利用。
三、热力学循环的优缺点
热力学循环作为热能转化和传递的重要方式，具有以下的优点和
缺点。
优点：
1、热力学循环简单可靠，易于维护和管理，效率稳定。
2、热力学循环可以根据需要进行加热或制冷，可适用于多种应用
场景。
3、热力学循环具有适用性广泛的特点，可以满足不同领域的需求。
缺点：
1、热力学循环能耗较高，影响其经济性和环境友好性。
2、热力学循环中的工质和介质对环境的污染也是一项重要的问题。
3、热力学循环对材料的要求较高，增加了设备的成本。
四、热力学制冷循环的基本概念
热力学制冷循环是指通过运用热力学循环，在低温环境下实现冷
却的工艺过程。
热力学制冷循环有多种类型，常见的有压缩制冷循环、吸收制冷循环等。
压缩制冷循环是一种应用较广泛的制冷循环技术，其基本流程包括压缩、冷却、膨胀和吸热四个环节，通过不断循环利用能量实现冷却的效果。
吸收制冷循环则是利用吸收性物质对制冷剂的吸收和释放特点来实现制冷效果的一种制冷循环技术。
它与压缩制冷循环相比，不需要机械压缩，因此具有更低的噪音和更高的能效比。
五、热力学制冷循环的应用
热力学制冷循环被广泛的应用于制冷空调、航空航天、医药、食品、化工等众多领域。
特别是在航空航天中，低温环境是实现航空飞行的一个重要部分，热力学制冷循环的技术应用对保证航空飞行的安全至关重要。
六、热力学制冷循环的优缺点
热力学制冷循环相比于其它制冷技术具有以下的优点和缺点。
优点：
1、热力学制冷循环制冷速度快，效率高，且不会产生污染和有害物质。
2、热力学制冷循环的调节性好、温室气体排放量小，具有良好的
环保效益和适用性。
3、热力学制冷循环利用周围温度差异为动力源，具有广阔的应用
前景和研究价值。
缺点：
1、热力学制冷循环需要大量的热能供给，造成热能浪费和对环境
的不良影响。
2、热力学制冷循环对环境的广泛影响可能会引起公众关注和质疑。
3、热力学制冷循环成本高，技术难度大，不易于大规模应用。
七、未来研究
随着全球能源的不断枯竭和对环境的关注，热力学循环和热力学
制冷循环将会成为未来的研究重点，发掘和创新更为高效、节能、环保、成本低的热力学技术成为行业的重要任务。
1、基于多能源结合的热力学循环
通过多能源在不同能级之间协同转换，可以实现能量的高效利用，创新高效的多能源结合热力学循环将会成为未来热力学领域重要的发
展方向。
2、新型环境友好型制冷技术
以大气热能和海水热能为代表的新型环境友好型制冷技术为关注
研究方向，这种技术利用海洋和大气对能量的吸收和释放进行热力学
循环，减少了对地球环境的影响和对传统化石能源的高消耗。
总之，热力学循环和热力学制冷循环作为热能转化和传递的两种
重要方式，应用范围广泛、效率高，对于经济社会的发展和环境的保
护都具有重要作用。
未来需要全面评估其优缺点，创新和完善技术，
争取更加高效和环保的应用。