石油大学热工学第2章-4-状态参数熵.pptVIP

第三节 热力学第二定律,热力学第二定律的任务：,研究热力过程的方向性最根本的； 非自发过程的补偿和补偿限度等。,研究热力过程的方向、条件和限度。,热力学第二定律的表述,热功转换 传 热,开尔文说法1851年 热功转换的角度,克劳修斯说法1850年 热量传递的角度,1、克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,2、开尔文说法 不可能从单一热源取热使之完全转变为功而不产生其它影响。,卡诺循环与卡诺定理,热效率是100%的热机是造不成的。 具有两个热源的最简单热机的热效率最高极限是多少？,（一）卡诺循环 理想可逆热机循环,4-1可逆绝热压缩过程。,1-2定温吸热过程；,2-3可逆绝热膨胀过程；,3-4定温放热过程；,卡诺循环热机效率：,概括性卡诺循环 两个热源间的极限回热循环,T,S,（二）卡诺定理 (Carnot theorem),定理一：在相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关。 定理二：在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。,卡诺定理小结,（1）两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相等，而与工质无关。 r = C 提高热源温度TH和降低冷源温度TL是提高可逆循环热效率的根本途径。 （2）相同高、低温热源间的不可逆循环的热效率小于相应可逆循环的热效率。 r t 尽量减少循环中的不可逆因素是提高循环热效率的重要方法。,卡诺定理小结,（3）循环热效率不可能等于100%，只能小于100%。这就是说，在动力循环中不可能把从热源吸取的热量全部转变为功。 （4）当TH=TL时，C=0，说明单一热源的热机是不可能造成的。要实现连续的热功转换，必须有两个或两个以上温度不等的热源。,一个热机循环能否实现、是否可逆判据,热力过程的方向性在于热力过程的不可逆性。 过程的不可逆和方向性互为因果。 反映热力过程方向性的的热力学第二定律的各种说法是等效的，则不可逆属性是等效的，实质是相同的。 用一个统一的热力学参数来描述所有不可逆过程的共同属性，作为热力过程方向性的判据。,“熵”,四、状态参数熵,用于描述所有不可逆过程共同特性的热力学量 熵的导出 定义式 熵是由热力学第二定律导出的状态参数。,1熵的导出,对于卡诺循环,在卡诺循环中，工质与热源交换的热量除以热源的热力学温度所得商的代数和等于零。,（Q取绝对值）,对于任意一个可逆循环，可用一组可逆绝热线将其分割成无数微元卡诺循环。,对整个循环积分：,对于每一个微元卡诺循环，,工质与热源交换的热量，统一用Q表示；热源温度统一用T表示。,克劳修斯积分等式,根据状态参数的特点断定，Q/T一定是某一状态参数的全微分。这一状态参数被称为熵，用S表示。,注意：可逆过程中，T是热源温度，也是工质温度。,Q /T 的积分与积分路径无关。,可逆过程,（entropy）,熵的物理意义,热源温度,熵变表示可逆过程中热量交换的方向和大小。,五、 不可逆过程的熵变、熵流及熵产,1、克劳修斯不等式,卡诺定理2：在相同的恒温高温热源TH和恒温低温热源TL之间工作的不可逆热机的热效率一定小于可逆热机的热效率。,（Q取绝对值）,（Q取代数值）,一个不可逆循环可以用无数可逆绝热线分割成无数个微元循环。对任意一个不可逆微元循环，,克劳修斯不等式 热力学第二定律的数学表达式之一,克劳修斯不等式可作为判断一个循环是否可逆、是否可以发生的判别式。,可逆循环,不可逆循环,不可能发生的循环,2、不可逆过程熵的变化,对于由不可逆过程1-a-2与可逆过程2-b-1组成的不可逆循环1a2b1。 根据克劳修斯不等式：,可逆过程2-b-1,微元过程,任意过程,“=” 可逆 “” 不可逆,判断过程能否进行、是否可逆的判别式：,可逆过程,不可逆过程,不可能发生的过程,在不可逆过程中熵的变化dS大于过程中工质与热源的换热量除以热源温度Q/T 。 差值称为熵产，用dSg表示。,或,不可逆过程,熵流dSf ：系统与外界进行热量交换所引起的熵变。,吸热dSf 0；,放热：dSf 0；,绝热：dSf 0；,熵产dSg：由于过程不可逆造成的熵变。,过程不可逆性愈大，熵产愈大。,熵产量是所有过程不可逆性大小的共同度量。,3、熵流与熵产,dSg 0,熵流、熵产和熵变,任意 过程,可逆,不可逆,可逆,不可逆,绝热 过程,六、孤立系统熵增原理,孤立系统,无质量交换,孤立系统的熵只能增大， 或者不变，绝不能减小。,无热量交换,无功量交换,= 可逆过程 不可逆过程,热力学第二律表达式之一,说明：一切实际过程都一定朝着使孤立系统的熵增大的方向进行，任何使孤立系统的熵减小的过程都是不能发生的。,孤立系统的熵增原理解决了过程的方向性问题，解决了由此引出的非自发过程的补偿和补偿限度的问题。 其表达式可作为热力学第二定律的数学表达式。,孤立系统熵增原理,补偿的目的：使孤立系的熵不减少； 理想情况下的最低限度的补偿：使孤立系的熵增为零。,克劳修斯(R. J. E. Clausius，18221888年)，德国物理学家。1822年1月2日生于普鲁士的克斯林(今波兰科沙林)。曾就学于柏林大学。1847年在哈雷大学主修数学和物理学的哲学博士学位。从1850年起，曾先后任柏林炮兵工程学院、苏黎世工业大学、维尔茨堡大学、波恩大学物理学教授。他是气体动理论和热力学的主要奠基人之一，是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。1850年发表论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律的论文。论文首先从焦耳确立的热功当量出发，将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律，并第一次引人热力学的一个新函数U；论文的第二部分在卡诺定理的基础上提出了热力学第二定律的最著名的表述形式：热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体。1854年发表力学的热理论的第二定律的另一种形式、1865年他发表力学的热理论的主要方程之便于应用的形式的论文，引入了一个新的热力学函数并定名为熵，同时提出克劳修斯不等式和“熵增原理“，1857年发表论热运动形式的论文，第一次推导出著名的理想气体压强公式。1858年发表关于气体分子的平均自由程论文，开辟了研究气体的输运过程的道路。1851年从热力学理论论证了克拉珀龙方程。1888年8月24日克劳修斯在波恩逝世。,克劳修斯,七、热量有效能及有效能损失,当低温热源的温度为环境温度T0时，温度为T的热源放出的热量Q中能转变为有用功的最大份额称为热量有效能，或热 用火用，或热量的做功能力； 热量Q中不能转变为有用功的那部分能量称为热量无效能，或热 火无，或热量的非做功能。,温差传热过程,有效能损失（做功能力损失）：,当环境的热力学温度T0确定后，做功能力损失 I 与孤立系统的熵增Siso成正比。 上式建立了做功能力损失与孤立系统的熵增之间的关系。,孤立系统的熵增是衡量做功能力损失的尺度。,适用于计算任何不可逆因素引起的做功能力损失。,八、能量的品质与能量贬值原理,能量的品质：有高有低 品质高的：电能、机械能 品质较低的：热能（温度愈高，品质愈高） 如果没有能量的品质高低就没有热力过程的方向性和孤立系的熵增，也就没有热力学第二定律。 能量贬值原理： 在孤立系统的能量传递与转换过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，极限条件下保持不变。,【本节基本要求】,1 深入理解热