第3章 热力学第二定律（课堂PPT）

第三章（第三节）热力学第二定律,1,2,第一节热力过程的方向性,2,2,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,问题：,所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行？,3,2020/5/19,只要Q不大于Q，并不违反热力学第一定律,4,2020/5/19,一刚性绝热容器，被刚性隔板分成A、B两部分：A内有气体，B内为真空。抽掉隔板后，工质经自由膨胀达到新的平衡。重新将隔板插入，A+B内的气体能否自动收缩到A内？,UA+B=UA，不违反热力学第一定律,5,2020/5/19,重物下落，水温升高;水温下降，重物升高？只要重物位能增加水温下降引起的水的热力学能减少，不违反热力学第一定律。,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，不违反热力学第一定律。,6,2020/5/19,结论：自发过程具有方向性、条件、限度；并非所有不违反热一律的过程均可自动进行。自然界自发过程都具有方向性。自发过程（Spontaneousprocess）：不需要任何外界作用而自动进行的过程。如：热量由高温物体传向低温物体；摩擦生热；水自动地由高处向低处流动；电流自动地由高电势流向低电势。,7,2020/5/19,能量转换方向性的实质是能量的品质有差异,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,能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。,8,2020/5/19,自然界自发过程的方向性表现在不同的方面,热力学第二定律,能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?,9,2020/5/19,第二节热力学第二定律的表述,10,2,热力学第二定律应用范围极为广泛，如：热量传递、热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体扩散、分离、溶解、结晶、生物化学、生命现象、低温物理、气象等领域。在不同的领域里有不同的表述，其表述多达6070种。工程热力学中典型表述有两种：克劳修斯表述热量传递的角度开尔文普朗克表述热功转换的角度,11,2020/5/19,克劳修斯表述Clausiusstatement：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。开尔文普朗克表述KelvinPlanckStatement：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。热机：实现热功转换的机器连续作功构成循环；有吸热，有放热。,12,2020/5/19,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!,13,2020/5/19,证明1：违反开氏表述导致违反克氏表述,假定违反开氏表述，热机A从单热源吸热并全部作功，热源T1失去热量：Q1=WA用热机A带动可逆制冷机B工作，热源T1得到热量（取绝对值）：Q1=WA+Q2Q1-Q2=WA=Q1热源T1获得净热量：Q=Q1-Q1=Q2违反了克氏表述。,14,证明2：违反克氏表述导致违反开氏表述,假定违反克氏表述，Q2热量可无偿从冷源送到热源；假定热机A从热源吸热Q1，对外作功WA，对冷源放热Q2：WA=Q1-Q2冷源无变化;热源失去净热量（取绝对值）：Q=Q1-Q2=WA全部变成功WA，违反开氏表述。,15,由开尔文普朗克表述引出的热力学第二定律的又一表述：第二类永动机是不可能制造成功的。第二类永动机（perpetual-motionmachineofthesecondkind）：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律，但违反了热力学第二定律。,16,2020/5/19,热力学第二定律的实质,自发过程都是具有方向性的;若想逆向进行，必付出代价。各种表述之间等价不是偶然，说明共同本质,17,2020/5/19,热力学第二定律的推论之一：卡诺定理给出热机的最高理想热力学第二定律的推论之二：状态参数熵反映热力过程的方向性热力学第二定律的推论之三：克劳修斯不等式反映热力过程方向性热力学第二定律的推论之四：孤立系熵增原理热力学第二定律的数学表达式,18,2020/5/19,第三节卡诺循环和卡诺定理热机的最高理想,19,2,比较：热一律与热二律,热一律否定第一类永动机,t100,热二律否定第二类永动机,t100,热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,20,2020/5/19,卡诺循环（Carnotcycle）和卡诺定理,由法国工程师卡诺(S.Carnot)1824年提出。热力学第二定律推论之一。两个恒温热源之间的理想可逆正循环（热机循环）效率最高。指出了影响热机循环热效率最本质的东西：热机必须工作在两个热源之间，热量要从高温热源流向低温热源才能作功。热机作功的数值与什么工质无关，而仅仅决定于两个热源之间的温度差。,21,2020/5/19,卡诺循环Carnotcycle,d-a绝热压缩过程：外界对系统作功,a-b定温吸热过程：qH=THs,b-c绝热膨胀过程：系统对外作功,c-d定温放热过程：qL=TLs,22,2020/5/19,卡诺循环热效率Carnotefficiency,热效率只与TH与TL有关，与工质无关。热效率只能小于1。当THTL时，热效率为零（第二类永动机不能实现）。,对于任一热机：,23,2020/5/19,卡诺循环是工作在两个恒温热源间的理想可逆正循环（热机循环）。实际循环不可能实现卡诺循环，原因：一切过程不可逆；气体实施等温吸热，等温放热困难；气体卡诺循环w太小，若考虑摩擦，输出净功极微。卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向：提高高温热源温度；降低低温热源温度。,卡诺循环热效率的意义,24,2020/5/19,卡诺逆循环,25,2020/5/19,卡诺逆循环卡诺制冷循环,制冷系数：,26,卡诺逆循环卡诺制热循环,供暖系数：,27,2020/5/19,三种卡诺循环比较,T0,TL,TH,制冷,制热,T,s,TH,TL,动力,28,2020/5/19,在两个恒温热源之间除了卡诺循环，还有没有其他的可逆循环？,29,2020/5/19,概括性卡诺循环,双热源间的极限回热循环。特点：等温传热回热（利用工质原本排出的热量来加热工质）,30,2020/5/19,卡诺定理推论,定理1：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，与采用哪种工质也无关。定理2：在同为温度TH的热源和同为温度TL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热效率。,31,2020/5/19,定理1的证明,32,2020/5/19,定理2的证明,33,2020/5/19,结论,两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相等，都等于相同温限卡诺循环的热效率。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。在动力循环（热机循环）中不可能把从热源吸取的热量全部转变为功。要实现连续的热功转换，必须有两个以上的温度不等的热源。不花代价的冷源温度以大气温度T0为最低限。,34,2020/5/19,卡诺定理的理论意义：从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。提高热机效率的途径：可逆、提高TH，降低TL；提高热机效率的极限。,35,2020/5/19,多（变温）热源可逆循环平均吸热温度和平均放热温度,36,2,变温可逆循环可视为由温差无限小的无穷多个恒温热源组成的可逆循环。热效率：,37,过程的吸（放）热量：,平均吸（放）热温度：,热效率：,对于任何可逆循环，工质的平均吸热温度越高，平均放热温度越低，循环热效率越高。,38,2020/5/19,例题一,某一循环装置在热源TH=2000K下工作，能否实现作功1200kJ，向TL=300K的冷源放热800kJ？,解法一,39,例题二,若用家用电冰箱将4kg温度为25的水制成0的冰，试问需要的最少电费是多少？已知水的比热容cw=4.19kJ/kgK，冰在0时的熔解热为334kJ/kg，电费价格为0.50元/(kWh)，设环境温度为25。,40,2020/5/19,解法一,41,2020/5/19,例三以20的环境为热源，以1000kg温度为0的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20时，热机对外所做的净功为多少？,对于微元卡诺循环有：,解法一,42,2020/5/19,43,2020/5/19,第四节状态参数熵热力过程的方向性,44,2,熵entropy,用于描述所有不可逆过程共同特性的热力学状态参数。与热力学第二定律紧密相关的状态参数：为判别实际过程的方向、过程能否实现、是否可逆提供了判据。过程不可逆程度的度量热力学第二定律的量化,45,2020/5/19,熵的导出,对于卡诺循环，有：,TH、TL：热、冷源温度；QH、QL：工质在循环中的吸、放热量（绝对值）；Q2取值为负。,46,对于任意可逆循环1A2B1，用无数条绝热线a-g、b-f等对循环进行分割。当两条线非常接近时，吸热和放热可看成定温微元过程。对于微元卡诺循环abfga有：,令分割循环的可逆绝热线数量无穷大，且任意两线间距离0。,整个循环：,47,2020/5/19,克劳修斯积分等式,48,2020/5/19,任意工质经任一可逆循环，微小量沿循环的积分为0。,熵:,比熵：,克劳修斯积分：,49,2020/5/19,对于可逆过程：,计算任意可逆过程熵变的途径。,熵的物理意义：熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,吸热,放热,热量无变化,50,2020/5/19,第五节克劳修斯不等式和不可逆过程的熵变热力过程的方向性,51,2,用一组可逆绝热线将不可逆循环1A2B1分割成无穷多个微元循环。a、b、c相邻两点无限靠近；可以近似地将相邻两点间的换热过程视为定温换热过程。,每一微元循环都可以近似为具有两个定温热源的循环。其中仅有一部分为可逆循环。,52,可逆微元循环部分：,不可逆微元循环部分：,可逆部分+不可逆部分：,53,2020/5/19,克劳修斯不等式：,称为热力学第二定律数学表达式之一。,循环是否可逆、是否可以发生的判别：=0：可逆循环；0：不可能。,54,2020/5/19,例三：以20的环境为热源，以1000kg温度为0的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20时，热机对外所做的净功为多少？,解法二,55,2020/5/19,不可逆过程中的熵变,56,2,为了计算不可逆过程1A2的熵变，增加可逆过程2B1，形成一个不可逆循环，则,不可逆过程1A2的熵变：,57,2020/5/19,热力学第二定律的数学表达式：,58,2020/5/19,熵流与熵产,59,2,对于任意微元过程有：,=0：可逆过程0：不可逆过程,熵产Entropygeneration：纯粹由不可逆因素引起是过程不可逆性大小的度量,熵流Entropyflow：由与外界的热交换引起,热力学第二定律表达式之一,永远,0：吸热,60,2020/5/19,熵流、熵产和熵变,任意不可逆过程,任意可逆过程,不可逆绝热过程,可逆绝热过程,61,2020/5/19,第六节熵增原理,62,2,孤立系统,无质量交换,无热量交换,无功量交换,孤立系统熵增原理：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。,=0：可逆过程0：不可逆过程0。熵增原理指出了过程进行的限度，即dSiso0。熵增原理揭示了热过程进行的条件：如果某一过程的进行，会导致孤立系中有部分物体熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系总熵增大，至少保持不变。,65,2020/5/19,熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。由于热力学第二定律的各种说法都可以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、相关环境一起归入一个孤立系统，所以可以认为,是热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。,66,2020/5/19,熵方程,67,2,控制质量绝热系（闭口绝热系）,无质量交换,无热量交换,=0：可逆过程0：不可逆过程,控制质量绝热系（闭口绝热系）的熵增=系统内不可逆因素造成的熵产之和。,68,2020/5/19,稳定流动绝热系统：,=0：可逆过程0：不可逆过程,开口系统：,稳定流动绝热系的熵增=系统内不可逆因素造成的熵产之和。,状态参数不随时间而变,69,2020/5/19,热力学第二定律数学表达式：,70,2020/5/19,卡诺热机【取热源、热机和工质组成孤立系】(三者分别为子系统),由卡诺循环可知:,（循环）,71,2020/5/19,不可逆热机（取热源、热机和工质组成孤立系）,又,高温热源放热熵减,低温热源吸热熵增,孤立系：,不可逆:,72,2020/5/19,温差传热（过程中A、B内部过程视为可逆）,设：A保持T1，B保持T2,且,取A+B为系统，依题意，可将该系统视为孤立系。,73,2020/5/19,例题一,某一循环装置在热源TH=2000K下工作，能否实现作功1200kJ，向TL=300K的冷源放热800kJ？,解法二：,解法二,74,例题二,若用家用电冰箱将4kg温度为25的水制成0的冰，试问需要的最少电费是多少？已知水的比热容cw=4.19kJ/（kgK），冰在0时的熔解热为334kJ/kg，电费价格为0.50元/(kWh)。设环境温度为25。,75,2020/5/19,解法二,76,2020/5/19,77,2020/5/19,例三：以20的环境为热源，以1000kg温度为0的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20时，热机对外所做的净功为多少？,78,2020/5/19,解法三,79,2020/5/19,例四：水从一温度为727的恒温热源吸热，温度从20升高到100。水的质量为mw=10kg，比热容cw=4.187kJ/（kgK）。求水与热源间不等传热的熵产。,80,第七节热量有效能及有效能损失,81,2,不花代价的冷源温度以大气温度T0为最低限。,由卡诺定理可得：,热量有效能（热）：,T0,82,热量有效能热量的可用能或热(exergy)。指在环境条件下热量中能最大可能转变为机械能（或有用功）的部分。,热量无效能热量的无用能或非做功能或热（anergy）。指在环境条件下热量中不可能转变为机械能（或有用功）的部分。,83,2020/5/19,任何能量都由有效能（热）和无效能（热）两部分组成。,任何过程中+的总和不变。,在Ts图上有效能（热）和无效能（热）可用面积法表示,84,2020/5/19,作功能力损失,又称为损失，有效能损失。指在给定的环境条件下，由于不等温传热的不可逆，使一部分有效能（热）转化成了无效能。通常取环境温度T0作为计算基准。,85,2020/5/19,温差传热：,物体A放出的热量有效能（热）：,物体B得到的热量有效能（热）：,传热过程中的有效能损失（损失）：,孤立系不可逆传热熵变：,有效能损失：,86,2020/5/19,结论,对于孤立系，能量传递过程中的有效能（）损失：,不可逆,必然有熵产,对应于过程中的损失,87,熵的宏观物理意义：系统熵的变化是系统无效能变化的度量,88,2020/5/19,例题：一块600的钢块（热容Csteel=240J/K）在绝热油槽中缓慢冷却。油的初温为25，热容为Coil=8000J/K。试求该过程钢块和油达到热平衡后，两者之间不等温传热引起的有效能损失。设环境温度为t0=27。,89,2020/5/19,例题：一块600的钢块（热容Csteel=240J/K）在绝热油槽中缓慢冷却。油的初温为25，热容为Coil=8000J/K。试求该过程钢块和油达到热平衡后，两者之间不等温传热引起的有效能损失。设环境温度为t0=27。,90,2020/5/19,解法一：,91,2020/5/19,解法二：,92,2020/5/19,第八节能量品质与能量贬值原理,93,2,三类不同质的能量,可无限转换的能量高级能量：理论上可100%地转换为任何其他形式的能量，E=EX，An=0。如：机械能、电能、水能、风能等。可有限转换的能量低级能量：转换要受热力学第二定律的限制，理论上仅有有限部分可以转换为任何其他形式的能量，E=EX+An。如：焓、热力学能、化学能、内能等。不可转换的能量：理论上不能转换为任何其他形式的能量，是失去了转换能力的能量E=An，EX=0。如：周围环境的焓和热力学能。,94,2020/5/19,热力学第一定律解决了能量之间的“量”关系，但却不能反映能量的“品质”；在热力学