第6章 第2講 熱功間轉(zhuǎn)化及熵平衡

1、2022年2月1日星期二-1-6.2 熱功轉(zhuǎn)換 熱力學第一定律是從能量傳遞或轉(zhuǎn)換過程中總結(jié)出來的一條客觀規(guī)律。凡違背熱力學第一定律的過程一定不會發(fā)生，但不違背熱力學第一定律的過程是否一定會自發(fā)發(fā)生呢？這個問題熱力學第一定律是回答不了的，必須用熱力學第二定律。 熱力學第二定律： 克勞修斯：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體。 開爾文：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?022年2月1日星期二-2-6.2.1 6.2.1 基本概念基本概念 自然界中的許多過程，如熱從高溫物體傳遞給低溫物體，氣體向真空或低壓膨脹，水由高處流向低處，這些過程都不需要借助外力即可進行。這說明自然界

2、中類似的自發(fā)過程的進行有一定的方向性。 自發(fā)過程是不消耗功即可進行的過程； 非自發(fā)過程是需要消耗功才可進行的過程。 2022年2月1日星期二-3-熱從高溫物體傳遞給低溫物體2022年2月1日星期二-4-氣體向真空或低壓膨脹2022年2月1日星期二-5-水由高處流向低處2022年2月1日星期二-6-6.2.1 基本概念 可逆過程：沒有摩擦，推動力無限小，因此過程進行無限慢，體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學平衡；對產(chǎn)功的可逆過程，產(chǎn)功最大；對耗功的可逆過程，耗功最小。 不可逆過程：有摩擦，過程進行有一定速度，體系內(nèi)部不均勻（有擾動、渦流等現(xiàn)象），逆向進行時體系恢復始態(tài)，環(huán)境留下痕跡，如果與相同始、終態(tài)

3、的可逆過程相比較，產(chǎn)功小于可逆過程，耗功大于可逆過程。2022年2月1日星期二-7-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度 熱量傳遞的方向性是指高溫物體可自發(fā)向低溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必須消耗功。 熱量傳遞的限度是指溫度達到一致，不存在溫差。 熱功轉(zhuǎn)換的方向性是指功可以完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱只能部分轉(zhuǎn)化為功。 之所以有此結(jié)果，是由于熱是無序能量，而功是有序能量，自然界都遵循這樣一個規(guī)律：有序運動可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序運動，而無序運動不能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動。2022年2月1日星期二-8-內(nèi)容回顧與展望內(nèi)容回顧與展望l穩(wěn)流系統(tǒng)穩(wěn)流系統(tǒng)l熱力學第一定

4、律在穩(wěn)流系統(tǒng)中的應用熱力學第一定律在穩(wěn)流系統(tǒng)中的應用l熱力學第二定律三個表述熱力學第二定律三個表述l可逆過程與不可逆過程可逆過程與不可逆過程l熱量傳遞方向性熱量傳遞方向性l熱功轉(zhuǎn)換方向性熱功轉(zhuǎn)換方向性2022年2月1日星期二-9-提出問題提出問題l 有一種熱機，從有一種熱機，從400K處吸熱處吸熱25000J/s，向，向200K處放熱處放熱12000J/s，做功，做功16000W。問：該。問：該熱機是否合理？熱機是否合理？熱功轉(zhuǎn)換的限度？熱功轉(zhuǎn)換的限度？本講主要內(nèi)容：本講主要內(nèi)容：卡諾循環(huán)（難點）卡諾循環(huán)（難點）利用卡諾循環(huán)熱效率計算判斷過程的合理利用卡諾循環(huán)熱效率計算判斷過程的合理性（重點）

5、性（重點）卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)2022年2月1日星期二-10-熱機熱機 : 持續(xù)地將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器持續(xù)地將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器一個概念一個概念熱機熱機高溫熱源高溫熱源低溫熱源低溫熱源HQLQW2022年2月1日星期二-11-制冷制冷循環(huán)示意圖循環(huán)示意圖致冷致冷機機高溫熱源高溫熱源HQLQW低溫熱源低溫熱源下一次課內(nèi)容下一次課內(nèi)容2022年2月1日星期二-12-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度 熱功轉(zhuǎn)換的限度熱功轉(zhuǎn)換的限度卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)（1824、1830-1840） 卡諾循環(huán)是熱力學的基本循環(huán)，解決了工卡諾循環(huán)是熱力學的基本循環(huán)，解決了工質(zhì)從高溫熱源

6、吸收的熱量轉(zhuǎn)換為功的最大限度質(zhì)從高溫熱源吸收的熱量轉(zhuǎn)換為功的最大限度問題。問題。 由四個可逆過程組成。由四個可逆過程組成。 2022年2月1日星期二-13-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度 卡諾循環(huán)分兩種：卡諾循環(huán)分兩種：正卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)。正卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)。 正卡諾循環(huán)正卡諾循環(huán)是指工質(zhì)吸熱溫度高于排熱溫度，是產(chǎn)功是指工質(zhì)吸熱溫度高于排熱溫度，是產(chǎn)功過程；（熱電廠、蒸汽機）過程；（熱電廠、蒸汽機） 逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)是指吸熱溫度低于排熱溫度，是耗功過是指吸熱溫度低于排熱溫度，是耗功過程。（空調(diào)、冰機）程。（空調(diào)、冰機）2022年2月

7、1日星期二-14-熱電廠2022年2月1日星期二-15-2022年2月1日星期二-16-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度可逆等溫膨脹41：工作介質(zhì)蒸發(fā)，吸熱量QH可逆絕熱膨脹12：做功量WC可逆等溫壓縮23：工作介質(zhì)冷凝，放熱量QL可逆絕熱壓縮34：對液體做功Wp(可忽略)高溫熱源低溫熱源泵泵1234TH，QHTL，QLST1234THTLp1p22022年2月1日星期二-17-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度 卡諾循環(huán)的結(jié)果是熱部分地轉(zhuǎn)化為功，熱轉(zhuǎn)化為功的限度用熱效率來評價。熱效率的物理意義為：工

8、質(zhì)從高溫熱源吸收的熱量轉(zhuǎn)化為凈功的比率。cHWQ凈移走凈功吸入熱量 卡諾循環(huán)的熱效率最大。可以根據(jù)熱力學第一定律推出卡諾循環(huán)的熱效率。2022年2月1日星期二-18-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度根據(jù)熱力學第一定律：U=Q+W內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，一個循環(huán)U=02022年2月1日星期二-19-6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度HLcHHLHLLHH14LL321234LL32L41H14L41HcHH1H4QTS -SQTS -SSSSSQTS -STS -QQQQQT -TT1STS -STS -STS-QT-ST由溫熵圖可知： （） （）

9、（） （） （） （）（）卡諾熱機效卡諾熱機效率與工作物率與工作物質(zhì)無關，只質(zhì)無關，只與兩個熱源與兩個熱源的 溫 度 有的 溫 度 有關，兩熱源關，兩熱源的 溫 差 越的 溫 差 越大，則卡諾大，則卡諾循環(huán)的效率循環(huán)的效率越高越高 。2022年2月1日星期二-20-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度討論：1HLHLHLHHLHL11TT02f (T ,T ),TTT3TT0W04TT 可逆（ ） ，欲使 ，則需或這在現(xiàn)實中是不能的，也說明了熱不可能全部轉(zhuǎn)化為功。（ ） 欲使效率增大，需要升高或降低，工程上采用高溫高壓，提高吸熱溫度的辦法，但要受材質(zhì)

10、的影響；（ ） 若，則 ， ，這說明單一熱源不能轉(zhuǎn)化為功，必須有兩個熱源。（ ） 卡諾循環(huán)的效率最大，相同的、無論經(jīng)過何種過程，是相同的，實際上熱機只能接近，不能達到。2022年2月1日星期二-21-6.2.26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度 意義：雖然可逆過程只是一個理想過程，實際上雖然可逆過程只是一個理想過程，實際上無法實現(xiàn)，由可逆過程組成的卡諾循環(huán)發(fā)動機也無法無法實現(xiàn)，由可逆過程組成的卡諾循環(huán)發(fā)動機也無法制造，但是，卡諾循環(huán)在熱力學中具有重大的意義。制造，但是，卡諾循環(huán)在熱力學中具有重大的意義?？ㄖZ循環(huán)在歷史上首先奠定了熱力學第二定律的基本卡諾循環(huán)在

11、歷史上首先奠定了熱力學第二定律的基本概念，對如何提高各種熱機的效率指明了方向。概念，對如何提高各種熱機的效率指明了方向。2022年2月1日星期二-22-解決問題解決問題有一種熱機，從有一種熱機，從400K處吸熱處吸熱25000J/s，向，向200K處放處放熱熱12000J/s，做功，做功16000W。問：該熱機是否合理？。問：該熱機是否合理？ 不合理小于cHLcHsTTQW5 . 0400/2001164. 02500016000解：2022年2月1日星期二-23-思考思考某 人 稱 其 設 計 了 一 臺 熱 機 ， 該 熱 機 消 耗 熱 值 為某 人 稱 其 設 計 了 一 臺 熱 機

12、， 該 熱 機 消 耗 熱 值 為42000kJ/kg的燃料的燃料30kg/h，可以產(chǎn)生的輸出功率為，可以產(chǎn)生的輸出功率為170kW。該熱機的高溫與低溫熱源分別為。該熱機的高溫與低溫熱源分別為670K和和330K。試判斷此熱機是否合理？。試判斷此熱機是否合理？合理507. 0670/33011486. 03501703503600/3042000HLcHsHTTQWkWQ2022年2月1日星期二-24-小結(jié)小結(jié)l卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)l卡諾循環(huán)熱效率計算卡諾循環(huán)熱效率計算l利用卡諾循環(huán)熱效率計算判斷過程的利用卡諾循環(huán)熱效率計算判斷過程的合理性合理性2022年2月1日星期二-25-6.3 熵函數(shù)熵與熵

13、增原理TQdS過程的熵變與過程的熱溫熵之間的關系。等號用于可逆過程，不等號用于不可逆過程。孤立體系 0dS熵增原理熵增原理2022年2月1日星期二-26- 熵增原理熵增原理 或者或者孤立體系經(jīng)歷一個過程時，總是自發(fā)的向熵增大的方孤立體系經(jīng)歷一個過程時，總是自發(fā)的向熵增大的方向進行，直到熵增大到最大值，體系達到平衡態(tài)。向進行，直到熵增大到最大值，體系達到平衡態(tài)。2022年2月1日星期二-27-如果設計過程的總熵變小于如果設計過程的總熵變小于0，則過程不能實現(xiàn)。，則過程不能實現(xiàn)。 熵增原理熵增原理2022年2月1日星期二-28-熵是過程進行方向的判據(jù)。孤立體系達到平衡時，熵值最大。熵是系統(tǒng)的性質(zhì)，

14、只要系統(tǒng)處于一定的狀態(tài)，便有一個確定的熵值。與內(nèi)能一樣，熵只能求取相對值。自然界存在各種有序性，例如結(jié)構(gòu)、分布、運動有序性等。晶體結(jié)構(gòu)是高度有序的。從晶體熔化成液體，分子的排列由有序轉(zhuǎn)向無序；擴散過程，分子由分布的有序變成無序；機械運動摩擦生熱，分子由有序運動變?yōu)闊o序運動。所有這些過程都具有一個共同的特點，即隨著無序程度增加，系統(tǒng)熵值增大。熵是系統(tǒng)分子無序程度的度量。 理解幾句話理解幾句話2022年2月1日星期二-29- 熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生積分積分Sg 稱為熵產(chǎn)生稱為熵產(chǎn)生由于過程的不可逆性而引起的那部分熵變。由于過程的不可逆性而引起的那部分熵變?？赡孢^程熵產(chǎn)生可逆過程熵產(chǎn)生Sg0，不可逆過程熵產(chǎn)生

15、，不可逆過程熵產(chǎn)生Sg0?？傊禺a(chǎn)生永遠不會小于零?？傊禺a(chǎn)生永遠不會小于零。2022年2月1日星期二-30- 熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生 上式可以看出，系統(tǒng)總熵變由兩部分組成。一上式可以看出，系統(tǒng)總熵變由兩部分組成。一部分是由于與外界存在熱交換部分是由于與外界存在熱交換Q（可逆或不可逆）（可逆或不可逆）而引起的，被稱為熱熵流；另一部分是經(jīng)歷過程不而引起的，被稱為熱熵流；另一部分是經(jīng)歷過程不可逆性而引起?？赡嫘远?。 熵與質(zhì)量和能量的性質(zhì)不同，無論是可逆或不熵與質(zhì)量和能量的性質(zhì)不同，無論是可逆或不可逆，孤立系統(tǒng)的質(zhì)量和能量都是守恒的，而熵卻可逆，孤立系統(tǒng)的質(zhì)量和能量都是守恒的，而熵卻不同，可逆過程的熵

16、守恒，不可逆過程熵不守恒。不同，可逆過程的熵守恒，不可逆過程熵不守恒。2022年2月1日星期二-31-不可逆造成了能量品位的降低，結(jié)合熵產(chǎn)生，可不可逆造成了能量品位的降低，結(jié)合熵產(chǎn)生，可以認為熵產(chǎn)生以認為熵產(chǎn)生Sg 與做功能力之間必然有聯(lián)系。與做功能力之間必然有聯(lián)系。過程的不可逆造成熵產(chǎn)生，減少了系統(tǒng)對外做功過程的不可逆造成熵產(chǎn)生，減少了系統(tǒng)對外做功的能力。熵產(chǎn)生越大，造成的能量品位降低越的能力。熵產(chǎn)生越大，造成的能量品位降低越多。多。 熵產(chǎn)生熵產(chǎn)生2022年2月1日星期二-32- 熵平衡熵平衡假設從環(huán)境吸收熱量假設從環(huán)境吸收熱量Q，同時對外做功同時對外做功W流入熵流入熵流出熵流出熵能量交換聯(lián)

17、系熵能量交換聯(lián)系熵過程不可逆性產(chǎn)生熵過程不可逆性產(chǎn)生熵敞開系統(tǒng)敞開系統(tǒng)2022年2月1日星期二-33-熵平衡方程式熵平衡方程式穩(wěn)流體系：體系無累積，那么，穩(wěn)流體系：體系無累積，那么，SA0 熵平衡熵平衡該穩(wěn)流系統(tǒng)經(jīng)歷的是可逆過程，那么，該穩(wěn)流系統(tǒng)經(jīng)歷的是可逆過程，那么，Sg02022年2月1日星期二-34- 熵平衡熵平衡封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)沒有物質(zhì)的進出，沒有物質(zhì)的進出，SA 該系統(tǒng)累積的熵變就是系統(tǒng)的該系統(tǒng)累積的熵變就是系統(tǒng)的熵變熵變S。該封閉系統(tǒng)經(jīng)歷的是可逆過程，那么，該封閉系統(tǒng)經(jīng)歷的是可逆過程，那么，Sg02022年2月1日星期二-35- 熵平衡熵平衡熵平衡方程與能量守恒（熱力學第一定律）和

18、質(zhì)量熵平衡方程與能量守恒（熱力學第一定律）和質(zhì)量守恒一樣，是任何一個過程必須滿足的條件式，守恒一樣，是任何一個過程必須滿足的條件式，它可以用來檢驗過程中熵的變化，進而表明過程的它可以用來檢驗過程中熵的變化，進而表明過程的不可逆程度。通過計算熵產(chǎn)生不可逆程度。通過計算熵產(chǎn)生Sg 的大小，找出不的大小，找出不同化工過程的能量消耗部位。同化工過程的能量消耗部位。2022年2月1日星期二-36-理想功、損失功與熱力學效率自學理想功、損失功與熱力學效率自學2022年2月1日星期二-37-u 系統(tǒng)熵增加的過程必為不可逆過程。系統(tǒng)熵增加的過程必為不可逆過程。u 絕熱過程必是定熵過程。絕熱過程必是定熵過程。u 熱溫熵即過程的熵變。熱溫熵即過程的熵變。u 對一個絕熱不可逆過程，是否可以設計一個絕熱可對一個絕熱不可逆過程，是否可以設計一個絕熱可逆過程來計算其熵變化？逆過程來計算其熵變化？u 不可逆過程一定是自發(fā)的，自發(fā)過程一定是不可逆不可逆過程一定是自發(fā)的，自發(fā)過程一定