第二章 能量转换基础

2.1能量转换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）与转换前耗费的能量（支付）之比。支付收益转换效率＝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。2.2能量平衡热力学第一定律：[输入能量]-[输出能量]=[储存能量的变化]WEQ对于封闭系统:E=U+Ek+Ep宏观动能Ek=mc2/2宏观位能Ep=mgz机械能分子动能（移动、转动、振动）分子位能（相互作用）U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iHeHiQeQiWeW0E)()(eeeiiiWQHWQH第一定律表示为：eeeiiiWQHWQHWHHQie)(eiQQQ为净输入功ie为净输入热量注意：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。1kcal＝4.1868kJ1kW·h=860kcal=3600kJ能量之间数量的关系热力学第一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过程是否都能自发进行2.3(可用能)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。自然界自发过程都具有方向性热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律热功转换传热热二律的表述有60-70种1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度1850年克劳修斯表述热量传递的角度开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变但违反了热力学第二定律热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源第二类永动机???如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低5C，发电能力可提高11.7倍。设水位差为180米重力势能转化为电能：1800[]EmghmJmkg水降低5C放热：21000[]QcmtmJ2100011.71800QmEm克劳修斯表述不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功两种表述的关系开尔文－普朗克表述完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!!!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。卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环既然t=100％不可能热机能达到的最高效率有多少？热二律奠基人效率最高S.卡诺NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人卡诺循环—理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1)t1wq2212t,C121111TssTTssT卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w122111qqqqq2.3.1热量因此,由热量可能得到的最大功为:)1(12maxTTQW即为热量QEx21TTQAnQ传递热量温度水平T愈高，表2-3说明了这种关系。21maxQTT1QWExQQAnExQ变温热源：若变温时：dQTTEXQ01dQTTEXQ01d热源温度从T下降到T0时：0000000TT0TT0ln1)(ln)(m1100TTTTTTTmcTTTmcTTmcdTcTTdQTTEppppXQ2.3.2能级“能级”(有效度)EExλ2.3.3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。2.3.3精品课件！精品课件！2.3.3