工程熱力學(xué)熱力學(xué)第二定律課件

1、第五章 熱力學(xué)第二定律5-1 熱力學(xué)第二定律自然過(guò)程的方向性功熱轉(zhuǎn)化：功可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱，熱不可能全部無(wú)條件地轉(zhuǎn)化為功有限溫差傳熱：熱量總是自動(dòng)地從高溫物體傳向低溫物體自由膨脹：氣體能夠自動(dòng)進(jìn)行無(wú)阻膨脹混合過(guò)程：所有的混合過(guò)程都是不可逆過(guò)程，使混合物中各組分分離要花代價(jià)：耗功或耗熱耗散效應(yīng)和有限勢(shì)差作用下的非準(zhǔn)平衡變化是造成過(guò)程不可逆的兩大因素自發(fā)過(guò)程：自然過(guò)程中凡是能夠獨(dú)立地、無(wú)條件自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程稱為自發(fā)過(guò)程非自發(fā)過(guò)程：不能獨(dú)立地自動(dòng)進(jìn)行而需要外界幫助作為補(bǔ)充條件的過(guò)程稱為非自發(fā)過(guò)程不可逆是自發(fā)過(guò)程的重要特征和屬性熱力學(xué)第二定律的表述熱力學(xué)第二定律是闡明與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過(guò)程進(jìn)行的方向、條件

2、及限度的定律熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說(shuō)法：熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文說(shuō)法：不可能制造出從單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其它任何變化的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)第二定律還可以表述為：第二類永動(dòng)機(jī)是不存在的5-2 可逆循環(huán)分析及其熱效率卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是工作于溫度分別為T1和T2的兩個(gè)熱源之間的正向循環(huán)，由兩個(gè)可逆定溫過(guò)程和兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程組成循環(huán)熱效率為 對(duì)理想氣體可逆定溫過(guò)程a-b、c-d得 ，d-a為絕熱壓縮；a-b為定溫吸熱；b-c為絕熱膨脹；c-d為定溫放熱 對(duì)于絕熱過(guò)程b-c、d-a可寫出 ， 故 整理得卡諾循環(huán)的熱效率只決定于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)?/p>

3、源的溫度T1、T2，提高T1降低T2，可以提高熱效率卡諾循環(huán)的熱效率只能小于1，不可能等于1或大于1。循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)即使在理想情況下也不可能將熱能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能當(dāng)T1=T2時(shí)，循環(huán)熱效率c=0。熱能產(chǎn)生動(dòng)力一定要有溫度差作為熱力學(xué)條件，借助單一熱源連續(xù)作功的機(jī)器是制造不出的卡諾循環(huán)及其熱效率公式奠定了熱力學(xué)第二定律的理論基礎(chǔ)，為提高各種熱動(dòng)力機(jī)熱效率指出了方向選用以氣體為工質(zhì)的卡諾循環(huán)的困難在于受設(shè)備限制及氣體定溫過(guò)程不易實(shí)現(xiàn) 概括性卡諾循環(huán)概括性卡諾循環(huán)是工作于兩個(gè)恒溫?zé)嵩撮g的極限回?zé)嵫h(huán)，由兩個(gè)可逆定溫過(guò)程和兩個(gè)同類型的其它可逆過(guò)程組成概括性卡諾循環(huán)的熱效率與卡諾循環(huán)相同回?zé)幔豪霉べ|(zhì)排出的

4、部分熱量來(lái)加熱工質(zhì)本身的方法稱為回?zé)?，是提高熱效率的有效方法逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán)：按與卡諾循環(huán)相同的路線而循反方向進(jìn)行的循環(huán)即逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為逆向卡諾熱泵循環(huán)的供暖系數(shù)為對(duì)于制冷循環(huán)，環(huán)境溫度T1低，冷庫(kù)溫度T2高，則制冷系數(shù)大；對(duì)于熱泵循環(huán)，環(huán)境溫度T2高，室內(nèi)溫度T1低，則供暖系數(shù)大，且總大于1多熱源的可逆循環(huán)熱源多于兩個(gè)的可逆循環(huán)，其熱效率低于同溫限間工作的卡諾循環(huán)工作在T1=Th、T2=Tl下的多熱源可逆循環(huán)的熱效率 卡諾循環(huán)的熱效率 由于q1q2，所以tc引入平均溫度概念也可得到相同結(jié)論 T-s圖上的熱量以當(dāng)量矩形面積代替時(shí)的矩形高度即平均溫度 由于 ，

5、，所以tB，令B反向運(yùn)行，可得循環(huán)總效果相當(dāng)于取出低溫?zé)嵩吹臒崃?Q2B-Q2A)轉(zhuǎn)化為功(WA-WB)，違反熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文說(shuō)法 若假定B A，也可得類似結(jié)論 因此定理二在溫度同為T1的熱源和溫度同為T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán) 證明過(guò)程：設(shè)A為不可逆機(jī)，B是可逆機(jī)，令A(yù)正向循環(huán)帶動(dòng)B逆向循環(huán) 若AB，得出的結(jié)論違反熱力學(xué)第二定律 若A=B，得出的結(jié)論與A是不可逆機(jī)的假設(shè)矛盾因此， ATB，A放熱，B吸熱 若為無(wú)限小溫差傳熱， TA=TB，則 有限溫差傳熱，熱量由高溫物體傳向低溫物體是 不可逆過(guò)程，同溫傳熱為可逆過(guò)程熱轉(zhuǎn)化為功 通過(guò)兩個(gè)溫度為T1、T2的恒溫

6、熱源間工作的熱機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為功 熱機(jī)進(jìn)行可逆循環(huán)時(shí)， ， 熱機(jī)進(jìn)行不可逆循環(huán)時(shí)， ，耗散功轉(zhuǎn)化為熱 由于摩擦等耗散效應(yīng)而損失的機(jī)械功稱為耗散功 孤立系內(nèi)部存在不可逆耗散效應(yīng)時(shí)，耗散功Wl轉(zhuǎn)化為耗散熱Qg，它由某個(gè)物體吸收，引起熵增大，稱為熵產(chǎn)Sg 孤立系的熵增等于不可逆損失造成的熵產(chǎn) 孤立系統(tǒng)內(nèi)只要有機(jī)械功不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能，系統(tǒng)的熵必定增大作功能力損失 耗散功轉(zhuǎn)化的熱能如果全部被一個(gè)與環(huán)境溫度T0相同的物體吸收，它將不再具有作出有用功的能力，作功能力損失以I表示，dI=Wl，因而熵增原理只適用于孤立系統(tǒng)，對(duì)于非孤立系，或者孤立系中某個(gè)物體 ，它們的熵可能增大，可能不變，也可能減小熵增原理的

7、實(shí)質(zhì)熵增原理闡明了過(guò)程進(jìn)行的方向 實(shí)際的熱力過(guò)程總是朝著使系統(tǒng)總熵增大的方向進(jìn)行，熵增原理指出了熱過(guò)程進(jìn)行的限度 孤立系統(tǒng)總熵達(dá)到最大值時(shí)過(guò)程停止進(jìn)行，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，熵增原理揭示了熱過(guò)程進(jìn)行的條件 如果某一過(guò)程的進(jìn)行會(huì)使孤立系總熵減小，則該過(guò)程不能單獨(dú)進(jìn)行，除非有熵增大的過(guò)程作為補(bǔ)償，使孤立系總熵增大，或至少保持不變熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式及適用范圍 循環(huán)過(guò)程 閉口系統(tǒng) 絕熱閉口系 孤立系統(tǒng)5-6 熵方程閉口系（控制質(zhì)量）熵方程閉口系的熱力學(xué)第二定律關(guān)系式 不可逆因素造成的熵產(chǎn) 或 由熱流引起的熵變稱為熱熵流，用Sf,Q表示 因而 控制質(zhì)量的熵變等于熵流和熵產(chǎn)之和 開(kāi)口系（控制體積）熵方程

8、開(kāi)口系熵方程 控制體積、熱源、物質(zhì)源共同組成一個(gè)孤立系統(tǒng) 孤立系的熵變包括控制體積的熵變dSCV，熱源熵變Qr/Tr及物質(zhì)源熵變seme-simi，孤立系熵變等于熵產(chǎn)，則 或 控制體積的熵變等于熵流與熵產(chǎn)之和，熵流包括熱熵流和質(zhì)熵流，熵流與熵產(chǎn)都是過(guò)程量 在時(shí)間內(nèi)則有 對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)體系，dSCV=0，mi=me=m，則 時(shí)間內(nèi)流入質(zhì)量為m的工質(zhì)時(shí)，則 1kg工質(zhì)則為 對(duì)于絕熱穩(wěn)定流動(dòng)系，則有 5-7 參數(shù)的基本概念 熱量能量的可轉(zhuǎn)換性、 和能量有品質(zhì)的差別，功是比熱品質(zhì)更高的能量環(huán)境：抽象概念，具有穩(wěn)定的p0、T0及確定的化學(xué)組成，任何熱力系與其交換熱量、功量和物質(zhì)，它都不會(huì)改變 ：在環(huán)境條件

9、下，能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額稱為該能量的 (exergy) 或者：熱力系只與環(huán)境相互作用，從任意狀態(tài)可逆地變化到與環(huán)境相平衡狀態(tài)時(shí)，作出的最大有用功稱為該熱力系的在環(huán)境條件下不可能轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量稱為 (anergy)閉口系工質(zhì)可作出的最大有用功稱為閉口系工質(zhì)的熱力學(xué)能穩(wěn)流工質(zhì)可作出的最大有用功稱為穩(wěn)流工質(zhì)的焓任何能量E都由 (Ex)和 (An)兩部分組成 E= Ex+ An熱量 和冷量熱量 ：溫度為T0的環(huán)境條件下，系統(tǒng)(TT0)所提供的熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值就是熱量 ，用Ex,Q表示 設(shè)想一系列微元卡諾機(jī)在系統(tǒng)與環(huán)境之間工作，每一卡諾循環(huán)作出的循環(huán)凈功，即系統(tǒng)提供的熱量

10、Q中的熱量 Ex,Q為 熱量 為 Q的熱量 為循環(huán)工質(zhì)對(duì)過(guò)程積分，即 過(guò)程可逆，則有 所以 若系統(tǒng)以恒溫T供熱，則熱量 和熱量 為同樣大小的熱量，供熱溫度愈高，則S1-2愈小，An,Q愈小，Ex,Q愈大熱量 是過(guò)程量，由于TT0，Ex,Q與Q方向相同，系統(tǒng)放出了熱量Q的同時(shí)也放出了熱量冷量 ：溫度低于環(huán)境溫度T0的系統(tǒng)(TT0)，吸入熱量Q0時(shí)作出的最大有用功稱為冷量 ，用Ex,Q0表示 簡(jiǎn)單恒溫系統(tǒng)吸熱 ，環(huán)境為熱源，系統(tǒng)為冷源，設(shè)想一可逆卡諾機(jī)，冷量 為 由循環(huán)的能量守恒關(guān)系式 得 冷量 為系統(tǒng)從環(huán)境的吸熱量，即 S為系統(tǒng)吸熱時(shí)的熵變 因而對(duì)于TT0的變溫系統(tǒng)，可導(dǎo)出冷量冷量 ：系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度T0 (TT0時(shí)， Ex,Q/Q隨著T的增大而增大，變化逐漸平緩 T時(shí)， Ex,Q/Q 1，但永遠(yuǎn)小于1TT0時(shí)，隨著T的減小 增大 T0/2TT0時(shí)， 1，冷量 數(shù)量上小于熱量 T1，并隨著T的減小急劇增大，冷 量 在數(shù)量上可以大于熱量本身孤立系中熵增與 損失，能量貶值原理Gouy-Stodla公式（G-S式） 設(shè)有兩個(gè)恒溫體系A(chǔ)和B，TATB，體系A(chǔ)放出的熱量Q中的熱量 為 體系B放出的熱量Q中的熱量 為 孤立系中因不可逆?zhèn)鳠?/p>