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,

2、能量守恒与转换定律,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、制冷,热二律的表述有 60-70 种,1851年 开尔文

3、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

4、用降温法发电，使水 温降低5C，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：,第一类永动机?,定义：不消耗能量而连续作功。 违背了热力学第一定律！,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,热机能达到的最高效率是多少？,热二律奠基人,卡诺循环效率最高,S. 卡诺 N

5、icolas Leonard Sadi Carnot （1796-1832）法国人 热二律奠基人,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

6、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,q1,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

7、,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,前面已证： 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

8、 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 克劳修斯不等式 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

9、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,假设许多定熵线分割一任意卡诺循环1a2b1，并相应配合上等温线，从而构成一系列微元卡诺循环。取其中一个微元卡诺循环，则有:,对于不可逆循环，根据卡诺定理,5-4 熵,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,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

10、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

11、：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,5-4 熵方程,一、闭口系统,= 可逆 不可逆,联系,熵流,熵流 熵产,两种不同途径到达同一状态，即系统熵变相等，即：S21(a)=S21(b) (a)：S21=Sf+Sg=Sg 熵变来自熵产 (b)：S21=Sf+Sg=Sf 熵变来自熵流,二、开口系统,开口系统稳定流动,例题：气体在容器中绝热自由膨胀是一个典型的不可逆绝热过程。设容器左右两边容积相等，左边盛有0.1k

12、g空气，右边为真空，容器为刚性绝热。当隔板抽去后，空气充满整个容器，求空气熵的变化。,解：取整个容器为闭口系统 因为是绝热系统，Sf=0 所以：Ssys=Sf+Sg=Sg 又因为熵是状态参数，只要知道初、终态，就可以计算任何过程工质熵的变化。 根据热力学第一定律，Q= U+W 这里：Q=0，W=0 所以： U=0 即：T2=T1 又已知：V2=2V1 所以： S =m(cvln(T2/T1)+Rln(v2/v1),例题：压缩空气通过气轮机进行绝热膨胀并对外作功。已知，气轮机进气参数为p1=400kPa，T1=400K，排气参数为p2=200kPa，T2=350K。试求每流过1kg气体造成的熵产

13、。,孤立系统,解：取气轮机为控制体，连同它的外界空气质源及功源构成孤立系统。 siso=sc,v+ssur 因为：气轮机为稳态稳流，所以： sc,v=0 外界功源没有熵的变化。 空气质源流进出有熵的变化 ssur=s2-s1 则：siso=sc,v+ssur=0+s2-s1=s2-s1,熵的性质和计算（总结）, 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。, 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

14、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,熵增原理的理论意义,（1）可判断孤立系统过程进行的方向。 （2）可作为系统平衡的判据：当孤立系统的熵到达最大值时，系统处于平衡状态。 （3）可评价过程热力性能的完善性，不可逆程度越大，熵增也越大。,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=

15、Q1 ， W R WIR,作功能力损失,例题：某热机循环工作于热源t1=500及冷源t2=20 之间，它进行的是一个不可逆循环。a-b为可逆等温吸热，b-c为不可逆绝热膨胀，工质熵增加0.1kJ/(kg.K)，c-d为可逆等温放热过程，d-a为定熵压缩过程。循环工质为1kg空气，热源放热量q1=1000kJ/kg。求循环净功及孤立系统作功能力损失。,P,v,a,b,c,d,T1,T2, 5-6 火用与火无,一、“火用”与“火无”的定义 能量“质”的指标视根据它的作功能力来判断的，因此，可以根据能量转换能力将能量分为三种类型。 1、可以完全转换的能量，如机械能、电能等。 2、可部分转换的能量，如

16、热量、内能等。 3、不能转换的能量，如环境内能。,当系统由任意状态可逆变到与环境状态相平衡时，能最大限度转换为“可完全转换能量”的那部分能量被称为“火用”（exergy）。 不能转换为火用的那部分能量称为“火无”（anergy）。 能 量火用火无,热力学第一定律： 能量守恒，即火用和火无的总量守恒，可表示为(Ex +An)iso=0 热力学第二定律： 一切实际热力过程中不可避免地发生部分“火用”退化为“火无”，而火无不能再转化为“火用”，可称为孤立系统“火用”降原理，并表示为Exiso0,二、热量火用与冷量火用,热量火用：当热源温度（T）高于环境温度（T0）时，从热源取得热量Q,通过可逆热机可能对外界作出的最大功称为热量火用。,热量火用与火无在T-s图上表示,变温热源,恒温热源,冷量火用,定义：当系统温度（T）低于环境温度（T0)时，从制冷角度理解，按逆循环进行，从系统（冷源）获取冷量Q0，外界消耗一定量的功，将Q0连同消耗的功一起转移到环境中去。在可逆条件下，外界消耗的最小功即为冷量火用。,冷量火用与火无在T-s图上表示,变温冷源,恒温冷源,