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1、第二章能量转换基础本讲稿第一页，共三十页2.1 能量转换o物质的每一种运动都具有做功能力,即所说的具有“能”。工业、企业主要能的形式有：热能、机械能、电能、化学能。相互转换关系：输入能输出能热能化学能机械能电能热能传热过程吸热反应热力发动机热电偶化学能燃烧过程化学反应肌肉电池机械能摩擦机械转动发电机电能电热电解电动机变压器本讲稿第二页，共三十页本讲稿第三页，共三十页从表2-2 各种能源间的转换方式可以看出：绝大多数的能量都是通过热能这个环节而被利用的。在我国占到90%，世界各国平均也超过85%。分析其转换特点，对有效能量有重要意义！对转换装置的要求：1、转换效率高；指转换后得到的能量（受益）与
2、转换前耗费的能量（支付）之比。本讲稿第四页，共三十页2、转换速度快，能流密度要大；设备紧凑、轻便内燃机比燃料电池更适于汽车、火车3、具有良好的负荷调节性；4、满足环境的要求和经济上的合理。两者往往相互矛盾，降低污染与经济性统一起来。本讲稿第五页，共三十页2.2 能量平衡o热力学第一定律：输入能量-输出能量=储存能量的变化对于封闭系统:E=U+Ek+Ep宏观动能宏观动能 Ek=mc2/2宏观位能宏观位能 Ep=mgz机械能机械能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）本讲稿第六页，共三十页实际生产过程可以看成一个稳定流动系统，忽略宏观流动动能及位能的变化。系统第一定律表示为：为净输入功为
3、净输入热量本讲稿第七页，共三十页注意：1、焓的绝对值是不能求得的，在计算各项焓值时，实际上是指该状态的焓值与基准状态下的焓值的差值，并取基准状态（如0，1个大气压）下的焓值为0。2、在热平衡关系式中，焓与热量具有相同的单位，但是，焓是指能量，焓是状态参数，可以说物料的焓是多少，热量是过程参数，不能说物料的热量是多少。1kcal4.1868kJ1kWh=860kcal=3600kJ本讲稿第八页，共三十页能量之间能量之间数量数量的关系的关系热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能过程是否都能自发自发进行进行
4、2.3(可用能)本讲稿第九页，共三十页自发过程的方向性自发过程的方向性自发过程：自发过程：不需要任何外界作用而自动进不需要任何外界作用而自动进 行的过程。行的过程。自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性l 热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体l 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l 电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势本讲稿第十页，共三十页自发过程的方向性自发过程的方向性功量功量自发过程具有方向性、条件、限度自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量热量100%热量热量发电厂功量功量40%放热放热本讲稿第十一页
5、，共三十页 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质能不能找出能不能找出共同共同的规律性的规律性?能不能找到一个能不能找到一个判据判据?自然界过程的自然界过程的方向性方向性表现在不同的方面表现在不同的方面热力学第二定律热力学第二定律本讲稿第十二页，共三十页 热功转换热功转换 传传 热热 热二律的热二律的表述表述有有 60-7060-70 种种 1851年年 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度本讲稿第十三页，共三十页开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 不可能从单一热源取热，并使之完全不可能从单一热源取
6、热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热机不可能将从热源热源吸收的热量全部转变为吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给有用功，而必须将某一部分传给冷源冷源。冷热源冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限大，取、放热其温度不变 本讲稿第十四页，共三十页但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律热二律与第二类永动机热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从第二类永动机：设想的从单一热源单一热源取热并取热并使之完全变为功的热机。使之完全变为功的热机。这类永动机这类永动机并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律第二类永动机是不可能
7、制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源环境是个大热源本讲稿第十五页，共三十页第二类永动机第二类永动机?如果三峡水电站用降温法发电，使水如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低温降低5 C，发电能力可提高，发电能力可提高11.7倍。倍。设水位差为设水位差为180米米重力势能转化为电能：重力势能转化为电能：mkg水降低水降低5 C放热放热：本讲稿第十六页，共三十页克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体而不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。传至高温物
8、体。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功本讲稿第十七页，共三十页两种表述的关系两种表述的关系开尔文普朗克开尔文普朗克表述表述 完全等效!克劳修斯表述克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!本讲稿第十八页，共三十页热力学第二定律指出了能量转换的方向性。不同能量的可转换性不同，根据可转换性的不同，能量可分为三类：第一类：“高级能”，可以完全转换。第二类：“中级能”，具有部分转换能力。第三类：“低级能”，完全没有转换能力。本讲稿第十九页，共三十页卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理法国工程师法国工程师卡诺卡诺(S.Carnot)，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环既然既然t=100不可能热
9、机能达到的热机能达到的最高效率最高效率有多少？有多少？热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高本讲稿第二十页，共三十页S.卡诺卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国）法国卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人热二律奠基人本讲稿第二十一页，共三十页卡诺循环卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程，q2=T2(s2-s1)本讲稿第二十二
10、页，共三十页卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w本讲稿第二十三页，共三十页2.3.1 热量因此,由热量可能得到的最大功为:即为热量热量中不能转换的部分即为传递热量温度水平T愈高，越大。表2-3说明了这种关系。本讲稿第二十四页，共三十页本讲稿第二十五页，共三十页变温热源：若变温时：热源温度从T下降到T0时：本讲稿第二十六页，共三十页2.3.2 能级o热量中所占的比例称为“能级”(有效度)本讲稿第二十七页，共三十页2.3.3 开口体系工质的稳流工质所具有的，也叫焓，是指经过一系统列状态变化过程后，最终到达与环境平衡时所能做出的最大功。本讲稿第二十八页，共三十页2.3.3 开口体系工质的本讲稿第二十九页，共三十页2.3.3 开口体系工质的本讲稿第三十页，共三十页