[高二理化生]传热学第5章课件.ppt

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1、第五章 热力学第二定律,本章知识点,理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无 的概念。,本章重点（1）,l深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。,本章重点（2）,4深入理解熵增原理,并掌握其应用。5深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒

2、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,一、热力过程的方向性,自发过程：不需要任何附加条件就可以自 然进行的过程,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,5-1 热力学第二定律的实质与表述,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,二、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,论述热力过程的方向性及能质退化或贬值,三、热力学第二定律的表述,热

3、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,不可能制造只从一个热源取热使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机。,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,理想气体 T 过程,q=w,T,s,p,v,1,2,热机：连续作功 构成循环,1,2,有吸热，有放热,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

4、是不可能制造成功的,环境是个大热源,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!,5-2 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,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 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人,一、卡诺循环,卡诺循环示意图,4-1绝热压缩过程，对内作功

5、,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),卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,t,c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关；,卡诺循环热机效率的说明,T1 t,c,T2 c，温差越大，t,c越高,当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能,T1=K,T2=0 K,t,c 100%，热二律,T1 c,二、逆卡诺循环,T1,T2,制冷,q1,q2,w,T2 c,T1,逆卡诺循环,T2,T1,制热,q1,q2,w,s2,s1,T2,三、卡诺定理,定理1：在两个不同温度的恒温热源间工作 的一切可逆

6、热机，具有相同的热效 率，且与工质的性质无关。,定理2：在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。,WR,假设：,违背热力学第二定律,假设：,违背热力学第二定律,卡诺定理小结,1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR=tC,2、多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC,3、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR tR=tC,卡诺定理的意义,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，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

7、定理举例,A 热机是否能实现,1000 K,300 K,A,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,5-3 状态参数熵及熵方程,一、熵的导出,克劳修斯等式：,定义：熵,于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。,小知识,可逆过程，代表某一状态函数。,比熵,熵的物理意义,定义：熵,热源温度=工质温度,比熵,克劳修斯不等式,熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,熵的物理意义,熵是状态量,可逆循环,熵变与路径无关,只与初终态有关,克劳修斯不等

8、式,=可逆循环 不可逆循环,不可逆循环,不可逆过程S与传热量的关系,任意不可逆循环,=可逆 不可逆,=可逆不可逆不可能,热二律表达式之一,针对过程,二、熵方程,1.闭口系统熵方程,对于不可逆过程有：,对于可逆过程有：,令：,熵产是由不可逆因素引起的，不可逆时为正，可逆时为零,结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。,熵流,熵流是由热量的流动带来的熵变，吸热为正；放热为负；绝热为零,令：,熵产,熵流、熵产和熵变,任意不可逆过程,可逆过程,不可逆绝热过程,可逆绝热过程,2.开口系统熵方程,对于稳态稳流,3.孤立系统熵方程,熵变的计算方法,理想气体,仅可逆过程适用,3,4,任何过程,5-4 孤立系统熵增

9、原理与做功能力损失,孤立系统,无质量交换,结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，这一规律称为孤立系统 熵增原理。,无热量交换,无功量交换,=：可逆过程：不可逆过程,热二律表达式之一,一、孤立系统熵增原理,熵增原理的理论意义,（1）可通过孤立系统的熵增原理判断 过程进行的方向,（2）熵增原理可作为系统平衡的判据 当孤立系统的熵达到最大值时，系统处于热平衡。,（3）熵增原理与过程的不可逆性密切相 关，不可逆程度越大，熵增也越 大，由此可以定量地评价过程的热 力学性能的完善性。,二、作功能力损失,卡诺定理tR tIR,可逆,作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功,假定 Q1=Q1，WR WIR,作功能力损失,作功能力损失,T1,T0,IR,W,Q1,Q2,假定 Q1=Q1，W R WIR,作功能力损失,熵的性质和计算,不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之间任选一可逆过程进行计算。,熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；,熵的变化只与初、终态有关，与过程的路 径无关,熵是广延量,