工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律.ppt

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1、工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,1,第五章 热力学第二定律The second law of thermodynamics,5-1 热力学第二定律,5-2 卡诺循环和卡诺定理,53 熵和热力学第二定律的数学表达式,54 熵方程与孤立系统熵增原理,5-5 系统的作功能力（火用）及熵产与作功能力损失,5-6 火用平衡方程及火用损失,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,2,51 热力学第二定律,一、自发过程的方向性,只要Q不大于Q，并不违反第一定律,Q,Q,?,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,3,重物下落，水温升高;水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水

2、降内能减少，不违反第一定律。,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻内产生反向电流？只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,4,归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。,能量转换方向性的实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,5,能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。,代价,代价,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定

3、律,热二律的表述与实质,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 热功转换的角度,1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,7,二、第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。2.开尔文-普朗克叙述不可能制造循环热机，只从一 个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述的等效性,T1 失去Q1 Q2T2 无得失热机净输出功Wnet= Q1 Q2,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,8,理想气体可逆等温膨胀,环境一个热源?吸

4、收热量全部转变成功?,例,例A344155,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,证明1、违反开表述导致违反克表述,Q1 = WA + Q2,反证法：假定违反开表述 热机A从单热源吸热全部作功,Q1 = WA,用热机A带动可逆制冷机B,取绝对值,Q1 -Q2= WA = Q1,Q1 -Q1 = Q2,违反克表述,Q2,Q1,WA,Q1,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,证明2、违反克表述导致违反开表述,WA = Q1 - Q2,反证法：假定违反克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机A从热源吸热Q1,冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开表述,Q2,Q2,

5、WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,三.关于第二类永动机,试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。,证明：设等熵线S与同一条等温线T有两个交点A和B。,令工质从A经等温线到B，再经等熵过程返回A，完成循环。此循环中工质在等温过程中从单一热源吸热，并将之转换为循环净功输出。这是违反热力学第二定律的，故原假设不可能成立。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,热一律与热二律,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t =100不可能,工程热力学配套多媒体课

6、件第5章热力学第二定律,13,52 卡诺循环和卡诺定理,一、卡诺循环及其热效率 1. 卡诺循环,是两个热源的可逆循环,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,14,2. 卡诺循环热效率,?,?,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,15,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,16,讨论：,2）,3）,第二类永动机不可能制成。,4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。,5）卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的方向。,1）,即,循环净功小于吸热量，必有放热q2

7、。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,实际循环与卡诺循环,内燃机 t1=2000oC，t2=300oC,tC =74.7% 实际t =40%,火力发电 t1=600oC，t2=25oC,tC =65.9% 实际t =40%,回热t 可达50%,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,18,二、逆向卡诺循环,制冷系数：,Tc,T-Tc ,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,19,供暖系数：,TR,TR-T0 ,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,20,三、概括性卡诺循环 1. 回热和极限回热,2. 概括性卡诺循环及其热效率,工程热力学配套多媒体课件第5章热力

8、学第二定律,21,四、多热源可逆循环 1. 平均吸（放）热温度,注意：1）Tm 仅在可逆过程中有意义,2. 多热源可逆循环,2),工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,22,五、卡诺定理 定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源 之间工作的一切可逆循环，其热效率都相 等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种 工质也无关。 定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源 间工作的一切不可逆循环，其热效率必小 于可逆循环热效率。 理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2； 2）提高热机效率的极限。,例A440155,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,23,

9、循环热效率归纳：,讨论：热效率,适用于一切工质，任意循环,适用于多热源可逆循环，任意工质,适用于卡诺循环，概括性卡诺循环,任意工质,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,24,53 熵和热力学第二定律的数学表达式,一、熵是状态参数,证明：任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程组成的 过程替代。,如图，1-2可用1-a，a-b-c及c-2代替。需证明： 1-a及1-a-b-c-2的功和热量分别相等。,令面积,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,25,又,所以,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,26,2. 熵参数的导出,令分割循环的可逆绝热线无穷大

10、，且任意两线间距离0 则,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,27,讨论： 1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关； 2）因s是状态参数，故s12=s2-s1与过程无关；,克劳修斯积分等式， （Tr热源温度）,s是状态参数,令,3）,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,28,二、克劳修斯积分不等式,用一组等熵线分割循环,可逆小循环不可逆小循环,可逆小循环部分：,不可逆小循环部分：,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,29,可逆部分+不可逆部分,可逆 “=”不可逆“”,注意：1）Tr是热源温度； 2）工质循环，故 q 的符号以工质考虑。,结合克氏等式，有,例A

11、443233,克劳修斯不等式,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,30,三、热力学第二定律的数学表达式,不可逆,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,31,所以,可逆“=”不可逆，不等号,第二定律数学表达式,讨论：1) 违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；,2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的 方向判据。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,32,a),b)若热源相同，则说明,或热源相同，热量,相同，但终态不同，经不可逆达终态s2s2（可逆达终态），如：,q=0,3),并不意味着,因为：,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,33,3）由克氏不等式

12、,与第二定律表达式相反！？,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,34,四、不可逆过程熵差计算,即设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,35,54 熵方程与孤立系统熵增原理,一、熵方程1. 熵流和熵产,其中,吸热 “+”放热 “”,系统与外界换热造成系统熵的变化。,（热）熵流,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,36,sg熵产，非负,不可逆 “+”可逆 “0”,系统进行不可逆过程造成系统熵的增加,例：,若TA = TB，可逆，取A为系统,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,37,

13、取B为系统,若TATB，不可逆，取A为系统,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,38,所以，单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。,2. 熵方程 考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流，熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程应为： 流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增,其中,流入流出,热迁移质迁移,造成的,热质,熵流,例A4221441,例A4412553,例A442265,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,39,流入,流出,熵产,熵增,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,40,熵方程核心：

14、熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），因此熵是不守恒的，熵产是熵方程的核心。,闭口系熵方程：,闭口绝热系：,可逆“=”不可逆“”,闭口系：,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,41,绝热稳流开系：,稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）,稳流开系：,矛盾?,例A140155,例A444277,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,42,二、孤立系统熵增原理 由熵方程,因为是孤立系,可逆取 “=”不可逆取“”,孤立系统熵增原理： 孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程均可逆时系

15、统熵保持不变。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,43,3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判 别过程进行的方向；,讨论： 1）孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为第二定律 的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；,2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；,4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即 任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可 造成机械能损失，而任何不可逆过程均是Siso0， 所以熵可反映某种物质的共同属性。例,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,44,R “=”,IR “”,不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（功）减少,a) 热能

16、,机械能,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,45,b),R “=” IR “”,若不可逆，TATB,，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这里也意味着机械能损失。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,46,c) 机械功（或电能）转化为热能,输入WsQ（=Ws），气体由T1 上升到T2，v1=v2。,工质熵变,外界 S外=0,由于热能不可能100%转变成机械能而不留任何影响，故这里Siso0还是意味机械能损失。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,47,d) 有压差的膨胀（如自由膨胀）,孤立系熵增意味机械能损失,例A340133

17、,例A440233,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,48,55 系统的作功能力（火用 ） 及熵产与作功能力损失,系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。,一. 热源热量的可用能,因T0基本恒定，故quns12,热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的热量。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,49,讨论： 1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高 分额份额，称为热量火用 ； 2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是 热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除 减少，称为热量火用 ； 3）与环境有温差的热源传出的

18、热量具备作功能力，但 循环中排向低温热源的热量未必是废热，而环境介 质中的内热能全部是废热。 4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上 讲不是状态参数。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,50,二、冷量的作功能力 冷量低于环境温度传递的热量。,整理,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,51,讨论： 1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号。 2）物体吸热，热量中可用能使物体作功能力增大； 但物体吸冷，使物体的作功能力下降，即 “热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。” 3）热（冷）量可用能与T的关系。,热量可用能,冷量可用能,工程热力学配套多媒体课件第5

19、章热力学第二定律,52,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,53,三、定质量物系的作功能力 工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,54,气体从初态（p，T）（p0，T0）据,微卡诺机,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,55,讨论： 1）相对于p0，T0， wu,max是状态参数，称之为 热力学能 火用，用Ex,U（ex,U）表示。 2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。,3）pp0,TT0时物系的作功能力,4）因为是最大有用功，所以

20、必须一切过程可逆；最终 向环境排热。,如：真空系统作功能力= p0V,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,56,四、稳流工质的作功能力,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,57,2）从状态12，稳流工质可作出的最大有用功,3）若考虑动能，则称之为物流火用，用Ex（ex）表示,讨论： 1）对于 p0 、T0，wu,max仅取决于状态，称之为焓火用，用Ex,H（ex,H）表示。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,58,4）焓火用在T-s图上表示,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,59,* 5）焓火用在h-s图上表示,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第

21、二定律,60,注：点在点1左侧同样,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,61,五、熵产与系统作功能力（火用 ）损失 1.两个特例,据热力学第一定律：面积1211091 =面积348103,qAa=面积16721qAun=面积691076=T0(s1s2)qBa=面积45734qBun=面积581075=T0(s4s3),工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,62,循环12341比循环12341少输出的净功即为不可逆绝热膨胀过程2-3造成的作功能力损失。,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,63,2.闭口系作功能力（火用 ）损失,可逆微元过程中,不可逆微元过程中,工程

22、热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,64,3.稳流开系作功能力（火用 ）损失,微元不可逆过程：,归纳：,微元可逆过程：,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,65,注意：,可逆等温,不可逆绝热,例A4402551,例A4402552,例A944277,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,66,56 火用平衡方程及火用损失,一、火用概念推广 机械能机械火用 用Ex,w（ex,w）表示 热（冷）量的可用能热量火用 用Ex,Q（ex,Q）表示,注意：严格地讲Ex,Q不是状态参数,说明：物系热力学能和热能转换成机械能时均有一部分 T0s不可转化，这一不可转化部分与T0及s相关。

23、,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,67,二、 火用平衡方程 一切不可逆过程均造成作功能力即火用损失，所以火用和熵一样不守恒，但与孤立系中熵在过程中只增不减相反，火用在能量传递和转换过程中其总量只减不增，故 “流入系统各种火用量之和 离开系统各种火用量之和 各种不可逆过程造成火用损失 = 系统火用变化量“,1.闭口系,能量方程：,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,68,火用平衡方程,其中：Ex,l 火用损失,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,69,2.稳流开系,能量方程：,火用平衡方程：,工程热力学配套多媒体课件第5章热力学第二定律,70,归纳： 火用损失即作功能力损失，均可以T0Sg（=T0Siso）计算。,孤立系：,，因火用损大于等于零，所以孤立系统内火用只减不增。,