工程热力学第五章（课堂PPT）

1,第五章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics,5-1热力学第二定律,5-2卡诺循环和多热源可逆循环分析,5-4熵、热力学第二定律的数学表达式,5-5熵方程,5-7火用参数的基本概念热量火用,5-8工质火用及系统火用平衡方程,5-3卡诺定理,5-6孤立系统熵增原理,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,2,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，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。,3,能量之间数量的关系,热力学第一定律,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,4,5,51热力学第二定律,一、自发过程的方向性,只要Q不大于Q，并不违反第一定律,Q,Q,?,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,自发过程的方向性,水自动地由高处向低处流动摩擦生热电流自动地由高电势流向低电势热量由高温物体传向低温物体,6,自发过程的方向性,功量,摩擦生热,热量,100%,热量,发电厂,功量,40%,放热,7,8,重物下落，水温升高;水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水的内能减少，不违反第一定律。,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻内产生反向电流？只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。,9,归纳：1）自发过程有方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。,能量转换方向性的实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,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,10,二、第二定律的两种典型表述,热功转换传热,热二律的表述有60-70种,1851年开尔文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,11,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。,12,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,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。,13,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,14,两种表述的关系,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!,15,16,证明1、违反开表述导致违反克表述,Q1=WA+Q2,反证法：假定违反开表述热机A从单热源吸热全部作功,Q1=WA,用热机A带动可逆制冷机B,取绝对值,Q1-Q2=WA=Q1,Q1-Q1=Q2,违反克表述,Q2,Q1,WA,Q1,17,证明2、违反克表述导致违反开表述,WA=Q1-Q2,反证法：假定违反克表述Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机A从热源吸热Q1,冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开表述,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,18,但违反了热力学第二定律,设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。,第二类永动机是不可能制造成功的(零发动机),三.关于第二类永动机,历史上首个成型的第二类永动机装置是1881年美国人约翰嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。,19,热二律的实质Essentialofthesecondlaw,实践经验得出的经验规律，具有广泛的适用性和高度的可靠性。但是，热能的本质、热现象所以有方向的原因，都不是宏观方法所能解释的，只有在统计热力学中用微观的以及统计的方法才能予以阐明。,20,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,?,热一律与热二律,t100不可能,热二律否定第二类永动机,t=100不可能,21,第二类永动机不可以制成，是因为？,A、违背了能量的守恒定律B、热量总是从高温物体传递到低温物体C、机械能不能全部转变为热力学能D、热力学能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化D,52卡诺循环和多热源可逆循环分析,法国工程师卡诺(S.Carnot,1796-1832,法国)，1824年提出卡诺循环,热机能达到的最高效率有多少？,热二律奠基人,效率最高,22,23,循环Cycle：工质经过一系列的状态变化,重新回复到原来状态的全部过程。,将热能转化成机械能的循环叫正向循环,它使外界得到功。将机械能转化为热能的循环叫逆向循环,效果是将热量从低温物体传给高温物体,消耗外功。,24,正向循环（Forwardcyclepowercycle),顺时针方向Clockwisedirection,wnet,q1-q2=wnet,总效果Netresult：Outputwork,Inputheat,25,逆向循环（Conversecycle-Refrigerationcycle）,净效果Netresult：Inputwork,Outputheat,逆时针方向Anticlockwisedirection,wnet,q1-q2=wnet,26,可逆循环与不可逆循环Reversibleandirreversiblecycle,可逆循环reversiblecycle:经过一个可逆循环之后,整个体系,包括工质、高温热源和低温热源都回复到原来状态,而不留下任何改变。,不可逆循环irreversiblecycle:经过一个不可逆循环后,运用任何方法都不可能使整个系统全部回复原状而不留下变化。,一、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),是两个热源的可逆循环,27,卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,28,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越大t,c越高,T2越小t,c越高,当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能,T1=K,T2=0K,t,c0,T1无变化从T2吸热Q2-Q2,WR,假定Q1=Q1,要证明,把R逆转,-WR,WIR=Q1-Q2,WR=Q1-Q2,对外作功WIR-WR,克劳修斯的证明反证法,假定：WIR=WR,若tIRtR,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,Q10,从T2吸热Q2-Q2向T1放热Q1-Q1,不付代价,要证明,Q1-Q2=Q1-Q2,WR,把R逆转,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,由卡诺定理,tR1tR2tR2tR1,WR2,只有：tR1=tR2,与工质无关,43,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,已证：tIRtR,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,44,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tRtIR：不可逆过程,热二律表达式之一,81,82,由熵方程,因为是孤立系,可逆取“=”不可逆取“”,结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，这一规律称为孤立系统熵增原理。,83,3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；,讨论：1）孤立系统熵增原理Siso=Sg0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；,2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系（功量交换无熵变）；,84,a),R“=”IR“”,若不可逆，TATB,，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这里也意味着机械能损失。,85,R“=”,IR“”,不可逆使孤立系熵增大造成的后果是机械能（功）减少,b)热能,机械能,86,1、在任意不可逆过程中，ssf，即任意过程的熵变可表示为：,阐明了过程进行的方向！,并且：,二、熵增原理的实质,2、孤立系统内部存在不平衡势差是过程自动进行的推动力。随着过程进行，系统内部由不平衡向平衡发展，总熵增大，当总熵最大时，过程停止进行，系统达到相应的平衡状态。,指出了热过程进行的限度：,下午11时56分,87,3、如果某一过程的进行会导致孤立系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系统的总熵增大，至少保持不变,熵增原理的实质,补偿过程就是伴随着熵减少的过程一起进行的熵增过程；实际过程总是朝熵增大的方向进行,热源T1,Q1,热机,Q2,冷源T2,熵减,熵增,W0,下午11时56分,88,利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可能制成的:它从167的热源吸热1000kJ，向7的冷源放热568kJ，输出循环净功432kJ。,证明：,所以该热机是不可能制成的,A340133,取热机、热源、冷源组成闭口绝热系,返回,89,熵的问答题,1、任何过程，熵只增不减,2、若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S,3、可逆循环S等于零，不可逆循环S大于零,4、不可逆过程S永远大于可逆过程S,90,哪个参数才能正确评价能的价值,热量？,500K,293K,100kJ,1000K,100kJ,293K,57火用参数的基本概念热量火用,91,哪个参数才能正确评价能的价值,焓？,h1=h2,p1,p2,w1,w2,w1w2,92,哪个参数才能正确评价能的价值,内能？,u1=u2,w1,w2,w1w2,93,三种不同品质的能量,1、可无限转换的能量,如：机械能、电能、水能、风能,理论上可以完全转换为功的能量,2、不能转换的能量,理论上不能转换为功的能量,如：环境（大气、海洋）,3、可有限转换的能量,理论上不能完全转换为功的能量,如：热能、焓、内能,（Ex）,（An）,（Ex+An）,94,一、能量的可转换性、火用和火无,火用(exergy)：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火用；用Ex表示。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平衡时，作出的最大有用功称为该热力系的火用。火无(anergy)：系统中不能转变为有用功的那部分能量称为火无；用An表示。,95,机械能、电能：An=0Ex=E,能平衡只讨论量，不讨论质。火用平衡既讨论量，还讨论质。,环境介质中的热能：Ex=0,96,二、热量火用和冷量火用,因T0基本恒定，故quns12,热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的热量。,1、热量火用,97,讨论：1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高份额，称为热量火用；2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除和减少，称为热量火无；3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，因此循环中排向环境的热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是废热。4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上讲不是状态参数。,98,2、冷量火用冷量低于环境温度传递的热量。,整理,99,讨论：1）热量的可用能和冷量的可用能计算式差一负号,即“热流与热量可用能同向；冷量与可用能反向。”2）热（冷）量可用能与T的关系。,热量可用能,冷量可用能,100,101,冷量火用的说明,实际上，只要系统状态与环境的状态有差别，就有可能对外作功，就有Ex,T,ExQ2,Q0,冷量Ex可理解为:TT0,肯定是对其作功才形成的，而这个功（就是Ex）就储存在冷量里了。,102,不可逆过程的火用损失,三、孤立系统熵增与火用损失，能量贬值原理,（以不可逆传热为例）,不可逆过程的熵增大为：,孤立系统熵增等于熵产，可得：,103,热量Q由A传到B，热量的数量并未减少，但Q中的热量火用减少了，热量的品质降低了，即能量贬值了,热二律讨论,热二律表述“功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功”,温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?,一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?,理想T(1)体积膨胀,对外界有影响(2)不能连续不断地转换为功,104,105,一、闭口系工质的热力学能火用工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。,5-8工质火用及系统火用平衡方程,106,气体从初态（p，T）（p0，T0）据,微卡诺机,107,讨论：1）相对于p0，T0，wu,max是状态参数，称之为热力学能火用，用Ex,U（ex,U）表示。2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。,3）pp0,TT0时物系的作功能力,4）因为是最大有用功，所以必须一切过程可逆；最终向环境排热。,如：真空系统作功能力=p0V,108,闭口系统内能的Ex与An的说明,1）闭口系的热力学能u1-u0，只有一部分是exu其余anu=T0(s1-s0)-p0(v1-v0),2）当环境p0,T0一定，exu是状态参数,3）环境的热力学能很大，但热力学能ex=0,4）闭口系由12的可逆过程，工质作的最大功,109,二、稳定流动工质的焓火用,0,110,2）从状态12，稳流工质可作出的最大有用功,3）若考虑动能，则称之为物流火用，用Ex（ex）表示,讨论：1）对于p0、T0，wu,max仅取决于状态，称之为焓火用，用Ex,H（ex,H）表示。,0,111,4）焓火用在T-s图上表示,112,*5）焓火用在h-s图上表示,113,注：点在点1左侧同样,114,三、熵产与系统作功能力（火用）损失1.两个特例1)热源温度降低,据热力学第一定律：面积129101=面积348103,qAa=面积17621qAun=面积691076=T0(s1s2)qBa=面积45734qBun=面积581075=T0(s4s3),115,循环12341比循环12341少输出的净功即为不可逆绝热膨胀过程2-3造成的作功能力损失。,2)不可逆绝热膨胀过程,116,2.闭口系作功能力（火用）损失,可逆微元过程中,不可逆微元过程中,117,3.稳流开系作功能力（火用）损失,微元不可逆过程：,归纳：,微元可逆过程：,118,注意：做功能力损失不等于少做的功,可逆等温,不可逆绝热,119,刚性绝热容器用隔板分成两部分，VB=3VA。A侧有1kg空气，p1=1MPa，T1=330K，B侧为真空。抽去隔板，系统恢复平