工程热力学课件第五章热力学第二定律.ppt

第五章 热力学第二定律,5-1 热力学第二定律 自然过程的方向性 功热转化：功可以自动转化为热，热不可能全部无条件地转化为功 有限温差传热：热量总是自动地从高温物体传向低温物体 自由膨胀：气体能够自动进行无阻膨胀 混合过程：所有的混合过程都是不可逆过程，使混合物中各组分分离要花代价：耗功或耗热,耗散效应和有限势差作用下的非准平衡变化是造成过程不可逆的两大因素 自发过程：自然过程中凡是能够独立地、无条件自动进行的过程称为自发过程 非自发过程：不能独立地自动进行而需要外界帮助作为补充条件的过程称为非自发过程 不可逆是自发过程的重要特征和属性,热力学第二定律的表述 热力学第二定律是阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律 热力学第二定律的克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体 热力学第二定律的开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机 热力学第二定律还可以表述为：第二类永动机是不存在的,5-2 可逆循环分析及其热效率 卡诺循环 卡诺循环是工作于温度分别为T1和T2的两个热源之间的正向循环，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成 循环热效率为 对理想气体可逆定温过程a-b、c-d得 ，,d-a为绝热压缩；a-b为定温吸热；b-c为绝热膨胀；c-d为定温放热,对于绝热过程b-c、d-a可写出 ， 故 整理得 卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度T1、T2，提高T1降低T2，可以提高热效率,卡诺循环的热效率只能小于1，不可能等于1或大于1。循环发动机即使在理想情况下也不可能将热能全部转化为机械能 当T1=T2时，循环热效率c=0。热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，借助单一热源连续作功的机器是制造不出的 卡诺循环及其热效率公式奠定了热力学第二定律的理论基础，为提高各种热动力机热效率指出了方向 选用以气体为工质的卡诺循环的困难在于受设备限制及气体定温过程不易实现,概括性卡诺循环 概括性卡诺循环是工作于两个恒温热源间的极限回热循环，由两个可逆定温过程和两个同类型的其它可逆过程组成 概括性卡诺循环的热效率与卡诺循环相同 回热：利用工质排出的部分热量来加热工质本身的方法称为回热，是提高热效率的有效方法,逆向卡诺循环 逆向卡诺循环：按与卡诺循环相同的路线而循反方向进行的循环即逆向卡诺循环 逆向卡诺制冷循环的制冷系数为 逆向卡诺热泵循环的供暖系数为 对于制冷循环，环境温度T1低，冷库温度T2高，则制冷系数大；对于热泵循环，环境温度T2高，室内温度T1低，则供暖系数大，且总大于1,多热源的可逆循环 热源多于两个的可逆循环，其热效率低于同温限间工作的卡诺循环 工作在T1=Th、T2=Tl下的多热源可逆循环的热效率 卡诺循环的热效率 由于q1q2，所以tc,引入平均温度概念也可得到相同结论 T-s图上的热量以当量矩形面积代替时的矩形高度即平均温度 由于 ， ，所以tc 工作于两个热源间的一切可逆循环（包括卡诺循环）的热效率高于相同温限间多热源的可逆循环,5-3 卡诺定理 定理一 在相同温度的高温热源和相同温度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，与采用哪一种工质也无关 证明过程：设有两台可逆机A和B，在相同的高温热源T1和低温热源T2间工作，吸热量同为Q1，循环净功分别为 ， 热效率分别为 ，,若假定AB，令B反向运行，可得循环总效果相当于取出低温热源的热量(Q2B-Q2A)转化为功(WA-WB)，违反热力学第二定律的开尔文说法 若假定B A，也可得类似结论 因此 定理二 在温度同为T1的热源和温度同为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 证明过程：设A为不可逆机，B是可逆机，令A正向循环带动B逆向循环 若AB，得出的结论违反热力学第二定律 若A=B，得出的结论与A是不可逆机的假设矛盾,因此， AB,有关热效率的重要结论 在两个热源间工作的一切可逆循环热效率都相同，与工质性质无关，只决定于热源和冷源的温度，热效率 温度界限相同，但具有两个以上热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环 不可逆循环的热效率必定小于同样条件下的可逆循环,5-4 熵参数、热过程方向的判据 状态参数熵的导出 克劳修斯积分等式 用一组可逆绝热线将一个任意工质进行的任意可逆循环分割成无穷多个微元循环，每个小循环都是微元卡诺循环，热效率为 即 采用代数值得 对全部微元卡诺循环积分求和得,改写为 即 或 任意工质经任一可逆循环，微小量 沿循环的 积分为零 状态参数熵 Qrev为可逆过程的换热量，Tr为热源温度，由于过程可逆，Tr也等于工质温度T,1kg工质的比熵变 由于 所以 故,热力学第二定律的数学表达式 克劳修斯积分不等式 用一组可逆绝热线将一个不可逆循环分割成无穷多个微元循环，其中部分为微元卡诺循环，部分为微元不可逆循环，不可逆循环的热效率 故 可推得 工质经过任意不可逆循环，微量 沿整个循环的积分必小于零,热力学第二定律的数学表达式 克劳修斯积分 等于零为可逆循环，小于零 为不可逆循环，而大于零的循环则不能实现 工质由平衡状态1分别经可逆过程1-B-2和不可逆过程1-A-2到达平衡状态2，对可逆过程1-B-2 对不可逆循环1-A-2-B-1应用克劳修斯积分不等式，得,或 故 即 用于判断热力过程是否可逆热力学第二定律数学表 达式的积分形式,任何不可逆过程的熵变大于 ，极限状况（可 逆）时相等，不可能出现小于 的过程 对于1kg工质 用于判断微元过程是否可逆热力学第二定律数学表 达式 ， 以上各式中的Q表示系统与外界间实际微元传热 量，Tr为热源温度,不可逆绝热过程分析 绝热过程，无论是否可逆，均有Q=0 代入判别式有 或 对可逆绝热过程，有 ， ， 对不可逆绝热过程，有 ， ， 可逆绝热过程中熵不变，为定熵过程；不可逆绝热过程中，工质的熵必定增大 闭口系绝热膨胀过程 ， ， ，,熵产 由耗散热产生的熵增量叫做熵产，以Sg表示 内部存在不可逆耗散效应是绝热闭口系熵增大的唯一原因，其熵变量等于熵产，即 ， 熵产是过程不可逆程度的量度 熵产只可能是正值，极限情况（可逆过程）为零 相对熵及熵变量计算 绝对熵：热力学温度0K时纯物质的熵为零，以此为起点的熵称为绝对熵,相对熵：人为规定一个参照状态（基准点）下的熵值S基准点=0（或等于某一定值），从而得出的熵的相对值称为相对熵 p、T状态下的比相对熵为 理想气体选择标准状态时的熵为零，水和水蒸气取三相点时液态水的熵为零,熵变量计算 计算熵变量的原则方法 若有相变过程，则 若工质为水和水蒸气，则,5-5 熵增原理 孤立系熵增原理 孤立系统 任何一个热力系连同与其相互作用的一切物体组成一个复合系统，不再与外界有任何形式的能量交换和质量交换，该复合系统为孤立系统 熵增原理 孤立系统的熵可以增大或保持不变，但不可能减少,单纯的传热过程 孤立系中有物体A和B，温度分别为TA和TB TATB，A放热，B吸热 若为无限小温差传热， TA=TB，则 有限温差传热，热量由高温物体传向低温物体是 不可逆过程，同温传热为可逆过程,热转化为功 通过两个温度为T1、T2的恒温热源间工作的热机实现热能转化为功 热机进行可逆循环时， ， 热机进行不可逆循环时， ，,耗散功转化为热 由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称为耗散功 孤立系内部存在不可逆耗散效应时，耗散功Wl转化为耗散热Qg，它由某个物体吸收，引起熵增大，称为熵产Sg 孤立系的熵增等于不可逆损失造成的熵产 孤立系统内只要有机械功不可逆地转化为热能，系统的熵必定增大,作功能力损失 耗散功转化的热能如果全部被一个与环境温度T0相同的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，作功能力损失以I表示，dI=Wl，因而 熵增原理只适用于孤立系统，对于非孤立系，或者孤立系中某个物体 ，它们的熵可能增大，可能不变，也可能减小,熵增原理的实质 熵增原理阐明了过程进行的方向 实际的热力过程总是朝着使系统总熵增大的方向进行， 熵增原理指出了热过程进行的限度 孤立系统总熵达到最大值时过程停止进行，系统达到平衡状态， 熵增原理揭示了热过程进行的条件 如果某一过程的进行会使孤立系总熵减小，则该过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系总熵增大，或至少保持不变,热力学第二定律数学表达式及适用范围 循环过程 闭口系统 绝热闭口系 孤立系统,5-6 熵方程 闭口系（控制质量）熵方程 闭口系的热力学第二定律关系式 不可逆因素造成的熵产 或 由热流引起的熵变称为热熵流，用Sf,Q表示 因而 控制质量的熵变等于熵流和熵产之和,开口系（控制体积）熵方程 开口系熵方程 控制体积、热源、物质源共同组成一个孤立系统 孤立系的熵变包括控制体积的熵变dSCV，热源熵变Qr/Tr及物质源熵变seme-simi，孤立系熵变等于熵产，则 或,控制体积的熵变等于熵流与熵产之和，熵流包括热熵流和质熵流，熵流与熵产都是过程量 在时间内则有 对于稳定流动体系，dSCV=0，mi=me=m，则 时间内流入质量为m的工质时，则 1kg工质则为 对于绝热稳定流动系，则有,5-7 参数的基本概念 热量 能量的可转换性、 和 能量有品质的差别，功是比热品质更高的能量 环境：抽象概念，具有稳定的p0、T0及确定的化学组成，任何热力系与其交换热量、功量和物质，它都不会改变 ：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的 (exergy) 或者：热力系只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡状态时，作出的最大有用功称为该热力系的,在环境条件下不可能转化为有用功的那部分能量称为 (anergy) 闭口系工质可作出的最大有用功称为闭口系工质的热力学能 稳流工质可作出的最大有用功称为稳流工质的焓 任何能量E都由 (Ex)和 (An)两部分组成 E= Ex+ An,热量 和冷量 热量 ：温度为T0的环境条件下，系统(TT0)所提供的热量中可转化为有用功的最大值就是热量 ，用Ex,Q表示 设想一系列微元卡诺机在系统与环境之间工作，每一卡诺循环作出的循环净功，即系统提供的热量Q中的热量 Ex,Q为 热量 为,Q的热量 为循环工质对过程积分，即 过程可逆，则有 所以 若系统以恒温T供热，则热量 和热量 为,同样大小的热量，供热温度愈高，则S1-2愈小，An,Q愈小，Ex,Q愈大 热量 是过程量，由于TT0，Ex,Q与Q方向相同，系统放出了热量Q的同时也放出了热量 冷量 ：温度低于环境温度T0的系统(TT0)，吸入热量Q0时作出的最大有用功称为冷量 ，用Ex,Q0表示 简单恒温系统吸热 ，环境为热源，系统为冷源，设想一可逆卡诺机，冷量 为,由循环的能量守恒关系式 得 冷量 为系统从环境的吸热量，即 S为系统吸热时的熵变 因而 对于TT0的变温系统，可导出冷量,冷量 ：系统温度低于环境温度T0 (TT0)时，从系统(冷源)获得冷量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 ，用Ex,Q0表示 按逆卡诺循环 或,冷量 ：是为获取冷量Q0而必须传给环境的能量Q，此能量不能再转化为 ，用An,Q0表示 由热力学第一定律 即 Ex,Q0 与Q0方向相同，系统吸热放出冷量 并对外作功，系统放热得到冷量 ，外界提供最小有用功,T=T0时，Ex,Q/Q=0，热量 为零 TT0时， Ex,Q/Q随着T的增大而增大，变化逐渐平缓 T时， Ex,Q/Q 1，但永远小于1 T1，并随着T的减小急剧增大，冷 量 在数量上可以大于热量本身,孤立系中熵增与 损失，能量贬