工程热力学课件第2章热力学基本定律(热二律).ppt
第二章 热力学基本定律（热二律）,引言,热力学第一定律,满足热一律的热机都能实现吗？,第二类永动机(The second kind of perpetual motion machine),定义：从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响,w=q1，满足热一律,例：zero-engine(1881,John Gamgee),但从未获得成功！,2.6.1 自发过程,自然界自发过程都具有方向性、,自发过程都是不可逆过程，要实现，需补充条件,可自动逆行吗？,自发过程：不需任何外界作用而自动进行的过程,用何办法使其逆行？,可进行到什么程度？,条件、,限度。,例：,自然界的自发过程多种多样，其方向性表现各异，条件和限度不同,热力学第二定律,能不能找出共同的规律性?能不能找到一个统一判据?,2.6.2 热二律的表述与实质,1）开尔文普朗克表述（1851年，热功转换的角度）：“不可能建造一种循环工作的热机，只从单一热源吸热使之完全变为有用功，而不产生其它变化”。,2、热二律：功可全变热、而热不能全变功？,1、第二类永动机不可能实现，,热机的热效率100%,理解：,No!,若允许产生其它变化，则热能全变功，如理想气体定温过程：U=f(T)，U=0，Q=W。变化：系统P,系统和外界,2）克劳修斯表述,如：空调制冷,但要付出代价：耗功,克劳修斯表述（1850年，从热量传递的方向性角度）：“热量不可能自动地、无偿地从低温物体传至高温物体”,不能理解为：热量不能从低温物体传至高温物体,热二律的实质,1、自发过程都是具有方向性的，不可逆的。,2、要使非自发过程得以进行，必须伴随一个适当的自发过程作为补充条件,1、热量：高温 低温：,例：,自发过程，不可逆,补充条件：W Q（空调），自发,2、W Q：,自发过程，不可逆,补充条件：向低温热源放热，自发,低温高温：,QW（电厂）：,热机的热效率,2.7 卡诺循环理想可逆热机循环（法国，S.Carnot，1824年提出）,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w,3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1),卡诺循环热效率：,卡诺循环热机效率,任意正循环的热效率：,t,c的说明,当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能实现,T1,T2 0 K,t,c 100%，热二律,t,c 只取决于T1和T2，而与工质的性质无关；,例1 某热机工作于1500K的高温热源和300K的低温热源之间，从高温热源吸取1000kJ 热量，最多能做多少功？,T0 c,逆向卡诺循环制冷,T2 c,例2 室外35，为使室内维持25，每秒钟需要从室内排除29.8kJ热量。若采用逆向卡诺循环机，其最小功率为多少？,逆向卡诺循环 热泵,T1,T0,例3 冬季室外10，为使室内维持20，需向室内供热14400kJ/h。则供暖机的最小功率为多少？,2.7.2 卡诺定理,定理1：在给定的两恒温热源间工作的一切可逆循环，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。,S,T,T2,S1,S2,Q1,Q2,T1,S,T,T2,S4,Q1,Q2,T1,S1,1,2,3,4,S3,S2,1,2,3,4,Q3,Q4,卡诺循环,极限回热卡诺循环,卡诺定理2,定理2：在给定的高低温热源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于相应可逆循环的热效率。,Q1,Q2,w,热机,2.8 多热源可逆循环,卡诺循环(恒温热源)：吸热Q1，放热Q2可逆循环(变温热源)：吸热 Q 1，放热Q2 Q1 Q1，Q2 Q2多热源可逆循环t t c,引入：平均吸热温度：平均吸热温度：,卡诺定理的意义,1、从理论上确定了通过热机循环，实现热能转变为机械能的条件。2、指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。,卡诺定理应用举例,该循环能否实现？,1000 K,300 K,E,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,实际循环与卡诺循环,卡诺循环：tC=74.7%；实际：t=3040%,卡诺循环只有理论意义，实际上定T、定 s都难实现,火力发电：t1=600，t2=25,卡诺循环：tC=65.9%；实际：t=40%,内燃机：t1=2000，t2=300,2.9 熵与克劳修斯不等式,2.9.1 熵的引入,两式相加，得：,1、卡诺循环的Q/T,2、任意可逆循环的Q/T,过作P、Q等熵线PM、QN，构成微元可逆循环PQNMP,S,当PQ时，T PTQ，P-Q 等温过程。则PQNMP为微元卡诺循环。这样，ABA可由无穷个微元卡诺循环组成。,热量统一用Q表示，温度统一用T 表示：,（Q/T为某函数的全微分-微分特性）,3、AB沿不同路径APQ B 和AMNB的Q/T,上已导出：,与路径无关，满足积分特性,显然，Q/T 是一个状态参数。1865年，克劳修斯引入entropy1923年，I.R.Plank来华讲学，东大胡刚复教授根据entropie的定义“热温商”，译为：“熵”。,AMNB逆行：,4、熵的定义和物理意义,熵的定义：,1kg：比熵：,熵的物理意义：熵变表示可逆过程中热量交换的方向和大小。,克劳修斯不等式,由卡诺定理：不可逆循环的 t小于卡诺循环的 c：,取一包含不可逆过程的微元循环，则：,对整个循环积分，得：,综合前面导出的可逆循环公式，有：,克劳修斯不等式：,热二律数学表达式之一,克劳修斯不等式的说明,2、克劳修斯不等式是针对循环而言的，Q 的正、负以工质为对象，T为热源温度。,1、可作为循环能否进行或是否可逆的判据：,克劳修斯不等式应用举例,可能实现,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能实现,注意：Q的正、负是站在工质的立场上,0,0,该循环能否实现？,2.9.3 不可逆过程的熵变,任意不可逆循环：,S 12与过程无关，可按可逆过程1a2计算：,代入上式，得：,不可逆过程的熵变说明,2、也是热二律数学表达式。,3、过程能否进行或是否可逆的判据：（Q 的正、负以工质为对象）,4、对于循环,5、绝热过程(Q=0)：,由不可逆因素引起的,可逆：S=0，定熵过程,不可逆：S 0，熵增,=0,2.9.4 熵流和熵产,熵产：dSg，不可逆因素（摩擦、温差传热）引起的熵变,（2）熵产是过程不可逆性大小的度量。,熵流：,热二律表达式之一,系统与外界交换热量引起的熵变,注：,摩擦引起的熵产,微元不可逆过程1a2：吸热Q，对外做功W，摩擦耗功Wg,微元可逆过程1b2：吸热QR，对外做功WR,WWRWgQ dU WQR dU WR,QR Q Wg,推导中：dU、dS 相同,Why?,有温差传热引起的熵产,工质与假想热源无温差传热，其熵变：,Q2,W,Q1,工质温度,有温差传热时 为熵流：,2.10 孤立系统熵增原理,孤立系统：dSf=0,孤立系统熵增原理：孤立系统的熵只能增大或者不变，不可能减小。,=：可逆过程：不可逆过程0：不可实现,dSiso=dSf+dSg=dSg 0,热二律数学表达式之一，最为常用。,孤立系统熵增原理说明,1、可用于判断过程、循环能否实现、是否可逆,2、揭示了过程进行的方向、条件和限度：,（1）方向：Siso 0，自发进行，=为可逆；0不能自发进行,（2）条件：要使 Siso 0,（3）限度：随着孤立系中过程的进行，S不断增大，增至某最大值时，系统达到平衡，过程终止。,3、计算时，以孤立系内所有物质为对象。Siso是各物质S代数和。孤立系内可以存在S 减小的过程，但最终S0,4、对于非孤立系，可将环境划入系统，构成孤立系。,2.11 熵方程,dSiso=dScv+(s2dm2 s1dm1)=dSg,dSg=dScv-dSf s1dm1+s2dm2,有多股流体进、出时：,1、开口系统熵方程,孤立系统,s1dm1,s2dm2,熵方程特例:,1、稳流系统：dScv=0；dm1=dm2,dSg=dScv-dSf-s1dm1+s2dm2,Sg=（S2-S1）-dSf,2、绝热稳流：dSf=0；dSv=0；dm1=dm2,Sg=S2-S1,3、闭口系统：dm1=dm2=0；dSv=dS,4、闭口绝热：dSf=0,Sg=S,例1,能否实现？,根据孤立系统熵增原理：可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,注意：孤立系熵增原理以系统内各物质为对象,E,2000 kJ,1200 kJ,Q1,Q2,0,由循环+环境构成孤立系：包含高温热源H、低温热源L、循环工质C、热机E、环境。,例2：下列说法是否正确？为什么？,熵增原理表明：任何过程的熵只增不减,系统从状态1，经过可逆与不可逆两条路径变化到状态2，则不可逆过程的S必大于可逆过程的S,可逆循环S为零，不可逆循环S大于零,不可逆过程S必定大于可逆过程S,例3：分析题（1）,热源相同，若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过程，到达同一终态，问传热量是否相同？做功呢？,相同初终态，s相同,=：可逆过程：不可逆过程,热源T 相同,相同初终态，u相同,分析：,分析题（2）,若工质从同一初态出发，经历可逆与不可逆2个过程，从相同热源吸收相同热量，问终态熵可逆与不可逆谁大？,相同热量，热源T 相同,=：可逆过程：不可逆过程,相同初态s1相同,分析：,分析题（3）,若闭口系从同一初态出发，经历一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点？,可逆绝热：,不可逆绝热：,分析：,结论：不可能,例4：计算题,某物体比热容cp=1.0kJ/kgK，质量10kg，温度1000K。工质无温差地从该物体吸热1000kJ，求该物体熵变。,分析：,1）热源变温，不能直接用Q/T求熵变。先求终温：Q=cpm(T1-T2)终温 T2=900K,kJ/K,2）无温差可逆（无熵产）,
