工程热力学第5章热力学第二定律.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,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,5-1 第二定律的表述与实质,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

3、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,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

4、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：,mkg水降低5C放热：,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

5、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),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,T0 c,卡诺逆循环卡诺制冷循环,T0,T2,制冷,q1,q2,w,T2 c,T1,卡诺逆循环卡诺制热循环,T0,T1,制热,q

6、1,q2,w,s2,s1,T0,卡诺定理 热二律的推论之一,定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的 所有热机，以可逆热机的热效率为最高。,卡诺提出：卡诺循环效率最高,即在恒温T1、T2下,结论正确，但推导过程是错误的,当时盛行“热质说”,1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明,卡诺定理推论一,在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。,Q1,Q1,Q2,Q2,WR1,求证：tR1=tR2,由卡诺定理,tR1 tR2 tR2 tR1,WR2,只有：tR1=tR2,与工质无关,卡诺定理推论二,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

7、率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,已证：tIR tR,只要证明 tIR=tR,反证法,假定：tIR=tR,令 Q1=Q1 则 WIR=WR,工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。,Q1-Q1=Q2-Q2=0,WR,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

8、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 克劳修斯不等式,5-3、5-4 熵、5-5 孤立系熵增原理 围绕方向性问题，不等式,热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想,热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性 定义熵,克劳修斯不等式,克劳修斯不等式的研究对象是循环 方向性的判据,正循环逆循环可逆循环不可逆循环,克劳修斯不等式的推导,5-4 熵,热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理

9、想,热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性,热二律推论之三 熵反映方向性,熵的导出,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,克劳修斯不等式,可逆过程，代表某一状态函数。,=可逆循环 不可逆循环,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,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,S与传热量的关系,=可逆不可逆不可能,热二律表达式之一,对于

10、循环,克劳修斯不等式,除了传热,还有其它因素影响熵,不可逆绝热过程,不可逆因素会引起熵变化,=0,总是熵增,针对过程,熵流和熵产,对于任意微元过程有：,=：可逆过程：不可逆过程,定义,熵产：纯粹由不可逆因素引起,结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。,熵流：,永远,热二律表达式之一,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,熵变的计算方法,理想气体,仅可逆过程适用,3,4,任何过程,5-5 孤立系统熵增原理,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,为什么用孤立系统？,孤立系统=非孤立系统+相关外界,=：可逆过程：不可逆过程,最常用的热二律表达式,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,5-4 熵方程,闭口系,开口系,稳定流动,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,