也谈任意循环过程的热效率

任意循环（包括可逆或不可逆）过程中热效率的 研究不仅在热学理论中，而且在热机的发展中都具有 重要意义．本文试应用基于热力学第二定律的克劳修 斯等与不等式证明η任≤η卡，即任意循环的热效率 η任不大于可逆卡诺循环的热效率η卡．     

热力学与传热学的共性理论基础——可逆与不可逆过程普适的有效能方程

回顾总结了热力学与传热学共性理论基础研究的系列成果,从正视热力学第二定律、"熵产"理论在实际应用中存在的问题入手,以势能理论为依据,用相对环境平衡态的势能为基准态势能定义了能量中的有效能和无效能。这种定义具有与""相同的性质,又能从定义式直接写出有效能函数的表达式。继而利用热力学第一定律方程,推导出了普适的有效能方程、有效能率方程,并与熵方程、■耗散方程和方程进行了比较。前者方程各项都只与状态有关,都能独立计算出来,而后三个方程都有一项与不可逆过程有关的补缺项。把有效能率方程应用于传热过程,导出了传热效率的表达式;应用于实际热机系统,导出了传热与热力耦合系统的输出功率、输入热流率、效率、换热器传热系数以及热源参数之间的关系,并举例应用于系统优化设计。本文构建的热力学和传热学共性理论,为热机与换热器耦合进行热力系统综合分析和协调优化提供了理论基础。     

任意循环过程的效率和致冷系数

将任意循环过程的效率η和致冷系数ε，分别与工作在它所经历的最高与最低热源温度之间的可逆卡诺循环的效率ηｃ和致冷系数εｃ比较后可知：尽管对致冷机有与卡诺定理相应的结论，但由热机η得到的其他结论，对致冷机ε却不能相应地成立．虽然ηｃ是一切热机η的上限，但εｃ却是可逆致冷机ε的下限，且εｃ既非不可逆致冷机ε的上限，又非它的下限．     

不可逆过程的有效能消耗率及不可逆度

本文从不可逆过程有效能消耗率分析出发,提出一种表征不可逆过程的新参数一不可逆度,定义为不可逆过程的总有效能消耗率与总输入或输出能流流率之比值;在提出热力系的势能概念和多种形态能量的有效能定义式的基础上,阐述了有效能消耗率方程,有效能消耗源强度,有效能消耗率最小原理,给出并比较了有效能消耗率与熵产率和(火积)耗散率的关系;有效能消耗率与过程的能流率量纲一致,克服了熵产率和(火积)耗散率与能流率量纲不一致的缺点;不可逆度的物理意义是不可逆过程有效能消耗系数或功耗系数,与热力循环效率互补.     

传热规律对卡诺热机性能的影响

自从Curzon和Ahlborn于1975年导出工作于T_H、T_L热源间卡诺热机最大功率输出时的效率界限η_m=η_(CA)=1—(T_L/T_H)~(0.5)以来,已有百余篇文献研究了热机有限时间热力学问题,除了极少数文献外,其余工作多以线性传热定律为基础进行研究。本文进一步导出两种非线性传热规律时卡诺热机的最优性能。     

辐射对流传热对不可逆太阳能Braysson热机性能的影响

建立高温端同时辐射对流传热、低温端对流传热的不可逆太阳能Braysson热机循环新模型,探索有限速率热传导和绝热过程不可逆性等对热机循环性能的影响,基于热力学分析方法,导出热机输出功率和效率的解析表达式,数值计算结果揭示了等压温比、内不可逆参量及与热传导系数和面积有关的匹配参量等对热机性能特性的影响,所得结论不仅能导出其它不可逆太阳能热机的优化性能.且可为太阳能热机的参数设计和性能评价提供新理论参考.     

气膜冷却有效温比与换热系数的瞬态综合测量

一、前言 气膜冷却的基础实验研究可分为两类:稳态实验与短周期实验.稳态实验的气膜冷却效果用绝热壁面的有效温比可η_(ad)表示,η_(ad)=(T_∞—T_(aw)/(T_∞—T_2)。式中,T_∞,T_2分别为主流与射流温度,T-(aw)为绝热壁面的恢复溫度。气膜冷却绝热壁面的换热系数h_f按下式定义:q_f=h_f(T_w—T_(aw))。式中,T_w为壁温。稳态实验结果便于设计时使用,但实验参数较低。短周期实验的气膜冷却效果用等溫壁面的有效温比η_(iso)表示,η_(iso)=     

线性与非线性传热过程的Curzon-Ahlborn热机在任意功率时的效率

热机性能的优化是热力学领域的一个重要问题,而工质与热源之间的传热过程是热机工作时产生不可逆的主要来源.本文在引入功率增益和效率增益两个重要参数的基础上,基于一个简化的Curzon-Ahlborn热机模型并利用合比分比原理,给出了线性与非线性传热过程的热机在任意功率输出时的效率表达式,结合数值计算详细讨论了热机在任意功率输出时的特性.研究表明,参数ξ作为功率增益δP的函数存在两个分支:在第一分支上(不利情形),效率呈现出单调变化特征;在第二分支上(有利情形),效率随着的δP变化是非单调的且有最大值.随着传热指数的增加,热机的工作区域减小,这源于非线性传热过程包含热辐射所致.进一步发现功率-效率关系曲线存在权衡工作点,热机在该点附近工作能够实现最有效的热功转换.研究结果有助于深入理解具有不同传热过程热机的优化执行.     

卡诺制冷机的最佳制冷系数与制冷率间的关系

一、引 言 众所周知,可逆卡诺热机的效率为而可逆卡诺制冷机的制冷系数为然而,实际热机的效率或制冷机的制冷系数,都不象理想可逆机那么大,其主要原因是要实现理想的可逆卡诺循环,循环的等温部分必须以无限缓慢的速度进行.否则由于热阻的存在,循环就必须在不可逆导热的情况下进行.而实际热机或制冷机总是在有限时间内完成循环的,它难兔要受到热阻的影响.因此,为了使热力学理论能更好地指导实际热机或制冷机的工作,必须考虑有限时间的热力学问题. 自从Curzon和Ahlborn 发表《最大功率输出时卡诺热机的效率》一文后[1],这个问题引起了人们的…     

传热过程的效率

在许多物质或能量传递交换的过程中都有效率的概念,如热功转换过程、流动过程、输电过程等,但是在传热过程中却没有.基于效率可以讨论传热过程的性能,并可作为传热过程优化的目标.本文基于新的物理量=定义传热过程的效率,讨论影响传热过程效率的各种因素,特别是把"不可逆"因素与"不可用"因素分开.不可逆因素来自于某种能量形式的耗散...     

关于理想气体卡诺循环的一点注记

在证明理想气体卡诺循环的效率时,一般教科书都利用理想气体的绝热过程方程 常数(或与其等价的方程),但是这一方程是在假定y为一与温度无关的常数下得到的近似方程,利用了上述近似方程容易使人怀疑证明的结果是否也有近似的性质.答案自然是否定的,本文提出一种改进了的证明,其中只利用热力学第一定律和理想气体的定义.从而避免了 中含有近似成份的不正确想法。 证明如下: 考虑理想气体的卡诺循环如图(1) (1)1→2.等温膨胀过程.由第一定律和理想气体的内能仅为温度的函数可知。在这个过程中系统内能不变,系统对外作的功等于系统从热源T1中吸…     

金属恒温塑性力学过程的热力学研究

由于弹性学的热力学函数不能对塑性学推广,本文用以位错为基础的热力学函数反映了塑性现象的位错实质,并以此热力学函数建立了金属恒温弹塑性力学过程的热力学基本方程,即赫姆霍兹自由能变化dF_T的熵产生表达、耗散表达及熵产生与耗散之间的关系;对于恒温弹塑性应力-应变循环,证明了无论它是否为热力学循环,循环功都是正塑性功,加载功常大于卸载功;对于热力学循环,塑性功全部耗散;对于非热力学循环,因自由能永动机不存在,塑性功未全部耗散.本文理论很可能为金属塑性力学过程研究提供一个不可逆过程热力学基础.     

热漏、内不可逆性和导热规律对制冷机最优性能的影响

１引言有限时间热力学研究制冷循环性能已取得了一批成果。已发表了热阻加热漏模型［１－４］、热阻加内不可逆模型问研究各种损失对卡诺循环性能的影响。本文作者用一常数项ｑ表示热漏流率,用常系数表示热阻和热漏外的其余内不可逆性,建立了一类广义不可逆制冷机模型［６－７］,并分析了牛顿传热定律下的最优性能。本文将基于此模型和较为普遍的导热规律,导出制冷机的制冷率、制冷系数最佳特性关系。２广义不可逆卡诺制冷机及其最优性能考虑一类工作在两个恒温热源之间的定常态流卡诺制冷机,循环中存在热阻、热漏和其它内不可逆性［６…     

混合工质匹配性能的热力学分析

利用经典热力学的基本理论,建立了传热过程不可逆损失与匹配性能之间的关系式,从理论上揭示了制冷工质与变温热源的温度匹配性能与其不可逆损失之间的内在联系和混合工质的节能机理,使热力学理论在研究不可逆传热过程中得到了充分的应用与发展。     

热学中的新物理量

通过与力学、电学的比拟,在热学中引入了热量的势、势能、速度、动能等新的物理量,从而可建立热量运动的守恒方程组.热量传递是不可逆过程,耗散的是热量的"能量".以耗散最小(热阻最小)为目标函数,就能对传热过程进行优化.傅立叶导热定律是热量运动方程在不计动量变化条件下的简化.在极端(低温、超高速、纳米尺度)条件下不再适用,引入新物理量后,能阐明热波、导热系数尺度效应等"超常"物理现象.     

热源间定常态能量转换热机的面积特性

一、前言 自从CA效率导出以来,许多有限时间热力学结论是由活塞式热机模型得出的。这些结论,不能象经典热力学结论那样都适用于工质以定常态连续流方式工作的热机。活塞式热机模型的工质被活塞封闭于气缸中完成循环,工质吸,放热通过同一面积,诸过程完成于不同时间。而后者,构成循环的工质各过程是于不同的装置中同时完成的,当分析工质同热源间的传热不可逆性对热机循环的影响时,讨论工质吸、放热的不同传热面积很重要。本文在作者原来工作的基础上,定义了特征参数φ,ε,ι,用φ=φ(t,ε)讨论了定常态能量转换热机仅有工质与热源间传热不可逆性时,各种工况下的功率、效率、面积之间的关系,为实际热机的面积选择提供理论依据。     

关于密封性对斯特林热机性能影响的研究

针对斯特林热机在等温膨胀过程中存在的工质外漏现象,提出了存在密封性问题的内卡诺循环模型。然后通过有限时间热力学理论和热力学理论对模型进行分析,发现了循环效率与输出功率与密封性的关系。最后利用该关系探讨了影响斯特林热机性能参数的因素,并得到了密封性等对性能影响的4个主要结论,对斯特林热机的研发与优化设计具有一定的理论指导意义。     

带有Dzyaloshinski-Mariya相互作用的两比特纠缠量子Otto热机和量子Stirling热机

研究了以带有Dzyaloshinski-Mariya(DM)相互作用的两比特自旋体系为工质的量子纠缠Otto热机和量子Stirling热机.两种不同热机在各自的循环过程中,通过保持其他参量不变,只有DM相互作用发生改变,从而分析热机循环中DM相互作用与热传递、做功以及效率等热力学量之间的关系.研究结果表明:DM相互作用对两种热机的基本量子热力学量都具有重要的影响,但量子Stirling热机由于回热器的使用,其循环效率会大于量子Otto纠缠热机的效率,甚至会超过Carnot效率;得到了量子Otto纠缠热机和量子Stirling热机做正功的条件.因此,在这两个纠缠体系中,热力学第二定律都依然成立.     

关于不可逆卡诺循环一些问题的讨论

文献[1]在内可逆卡诺热机模型的基础上,考虑了绝热压缩和膨胀过程中的不可逆性,引进所谓完全不可逆卡诺热机模型,并声称对卡诺热机中的不可逆性进行了全面分析.尽管所用的“完全”、“全面”等词不尽妥当,甚至文中有些结论不对,但所引进的模型并不违背热力学基本原理,且有一定的意义,由它可初步分析传热以外的其他不可逆性对不可逆卡诺热机性能的影响.指出文献[1]中的一些问题是有必要的,但文献[2]认为“不存在这种不可逆卡诺循环”则出于误解.臆测“其他文献上对卡诺循环不讨论压缩膨胀过程的不可逆性”也不符合事实.实际上,国内外都有讨论…     

热质的运动和传递-最低热质能耗散原理和热质运动方程

过增元基于质能方程提出了热质的概念.在非平衡热力学中,存在最低能量耗散原理,根据该原理可以导出热传导,扩散及粘性流动等不可逆输运过程的方程式.当采用热质模型对传热现象进行描述时,发现热质的运动也满足最小作用量原理:最低热质能耗散原理,根据该原理可以推导得出热质运动的动量守恒方程。