第四章程序熱力學Therecannotbeagreatermistakethanthatoflookingsuperciliouslyuponpracticalapplicationsofscience.Thelifeandsoulofscienceisitspracticalapplication.LordKelvin(WilliamThompson)前面我們已討論過，焦點放在簡單系統（如turbine,throttle）的熱力學第一、二定律的應用。第二定律的利用應已明朗。這節將分析同時合併一個或二個操作的複雜程序。於此，我們舉例動力循環、冷凍循環、液化循環的幾個特例說明。4.1TheCarnotCycle茲考慮steamturbine有關能量及熵的平衡已討論。Turbine須高壓蒸氣進口，出口釋出低壓蒸氣或濕蒸氣。我們希望出口的蒸氣通到boiler再生而循環使用。然而我們必須設法升到足夠壓力使它回到高壓鍋爐。假如要將出口低壓蒸壓到boiler，我們必須作同樣的功，此功大小就是turbine產生的功，那就沒有義意了，我們不做如此的選擇。我們將蒸氣冷凝成水，然後加壓打到boiler（這只須少許的功）。這樣的過程每單位熱進入可以產生多少的功呢？我們在3.34方程式已定義熱效率，即產生的功對輸入的熱之比，4.1式是也。注意：此處熱效率不同於turbineorcompressor的效率，是針對利用熱產生功的總過程的總效率，有可能包含turbineorcompressor的熱效率。Carnot循環以理想氣體為工作流體，將此一循環的每一過程畫出P-V圖及T-S圖，如圖4.1所示。P-V圖之循環曲線所包圍的面積代表氣體所作的功，而T-S路徑所包圍的面積是氣體的淨吸入熱量。Carnotcycle比其他的循環過程有二個好處，其一是Carnot循環可以盡可能在高溫的地方吸熱較長的時間，而他種的循環只在高溫的地方吸熱短暫。如此Carnotcycle在高溫的熱儲可以做最大的利用，同理，在低溫的熱儲亦可得到最大利用。其二是假設所有過程是可逆。因此要建造一個比Carnotcycle效率更高的熱引擎是不可能的。再回過頭來看，要將Carnotcycle實際應用到日常生活上也是不可能的，實際的熱引擎效率要比理論Carnotcycle要低。但理論的Carnotcycle是可提供我們估計其他循環過程或近似Carnot循環的結果。Carnotcycle每一步驟是可逆，因此整個過程可逆，所以淨產生熵是零，ΔS*gen=0，淨功為4.2式，我們以控制溫度差來調整熱效率。為了執行等溫膨脹及壓縮，我們必須利用相轉移，即恒溫下體積改變。圖4.2顯示Carnotcycle的可能草圖及T-S圖。4.2TheRankineCycle當使用水做為工作流體時，Carnotcycle是不切實際的，有二個理由：1)壓縮部份凝態流體比壓縮全部的凝態流體來得複雜，2)低乾度(濕)的蒸氣因液滴會快速沖蝕turbine的葉片，因此大部份動力工廠都是以修正的Rankinecycle來執行產生功。敘述如下，請看圖4.3，vapor在進入turbine之前是過熱的，boiler與turbine之間有一個過熱器（superheater），沒有畫出來，只畫出boiler。實際動力工廠是將boiler及superheater分開使用，為了討論方便簡化將boiler/superheater的蒸氣產生器合併在一起，僅以boiler表示。圖4.3的cycle之實際過程要理想化，考慮水進入pump是飽和的。在實際過程中，水必須稍為冷一點以避免進入pump困難，若溫度稍高會有vapor產生，這時會有一種叫做cavitation現象（請看143頁說明）。在簡圖中各零件之間的管路會有壓力、溫度的變化，本章中除非有特別說明，否則在Rankinecycle及所有其他過程中我們忽略這些改變。圖4.3中，狀態4’是turbine可逆絕熱過程出口的狀態。本章中全部以‘符號表示出口可逆狀態。狀態4是實際出口的狀態，應用效率來計算焓的改變如4.3式，因實際turbine總會產生熵，狀態4總是在狀態4’的右邊，狀態4及4’都是稍為在飽和曲線內。假如狀態4是靠近飽和曲線時，效率最大，因為對於相同的壓力落差由於汽化焓較大，所以焓的變化最大。無論如何，為了避免turbine葉片受阻，蒸氣乾度必須保持在90%以上。Example4.1Rankinecycle一個動力工廠利用Rankinecycle，boiler的溫度是500℃，假如turbine是可逆的，turbine出口是飽和蒸氣，壓力為P=0.025MPa，求boiler操作溫度熱效率供應1MW的循環質量流率solution：解此題請參考圖4.3的每