1第二章+2.3热力学第二定律.ppt

热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,1,第二章热能转换的基本概念和基本定律,2-1热能转换的基本概念2-2热力学第一定律2-3热力学第二定律,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,2,第二章热能转换的基本概念和基本定律,2-1热能转换的基本概念2-2热力学第一定律2-3热力学第二定律,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,3,经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。,能量数量上的守恒，第一定律。,过程的方向性问题，？,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,4,一、热力过程的方向性,温差传热,A,B,A,B,B,A,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,5,摩擦生热,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,6,自由膨胀,混合过程,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,7,1、自发过程,可以自动发生的过程,不需要花费额外的代价,存在有限势差或耗散效应,是不可逆过程,注意：1）自发过程有方向性；2）自发过程的逆过程并非不可进行，而是不能自发进行。若满足一定附加条件，也是可以进行的；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,8,能量转换方向性的实质是能质（或能级）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；反之则需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,9,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,10,二、热力学第二定律的表述,热二律的表述有60-70种,传热,1850年克劳修斯表述热量传递的角度,热功转换,1851年开尔文普朗克表述热功转换的角度,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,11,热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。,克劳修斯表述,空调,制冷,代价：耗功,不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,12,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他任何变化的热力发动机。,开尔文普朗克表述,不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他变化。,？,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,13,第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。,环境是个大热源,第二类永动机,这类永动机并不违反热力学第一定律,第二类永动机是不可能制造成功的,但违反了热力学第二定律,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,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!,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,15,证明.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,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,违反开表述,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,16,三、卡诺循环和卡诺定理,卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环，它是由四个可逆过程组成：一个可逆热机在二个恒温热源间工作。,热二律奠基人,卡诺（1796-1832）法国,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,17,1.卡诺循环,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),4-1绝热压缩过程，对内作功,卡诺循环是工作在高、低温两个热源间的可逆正循环，由两个定温和两个绝热可逆过程组成,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,18,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,19,讨论：,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,20,2.概括性卡诺循环,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,21,回热：利用工质放出的热量来加热工质本身的方法。,回热器,回热循环,极限回热循环,回热提供了一个提高热效率的途径。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,22,3、卡诺定理,定理一,定理二,在相同的高温热源和低温热源间工作的所有可逆热机具有相同的热效率，而与循环的具体构成无关，与所采用的工质无关。,在相同的高温热源和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。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,23,定理一证明,tR1tR2tR2tR1,只有：tR1=tR2,与工质无关,反证法,求证：tR1=tR2,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,24,单一热源热机，违背热力学第二定律,假如t,R1t,R2,R1带动R2逆向运行,R1带动R2逆向运行,t,R1t,R2、t,R1t,R2不可能,t,R1t,R2,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,25,1、两个恒温热源间一切可逆循环的热效率都相等，都等于相同温限间卡诺循环的热效率。tR=tC热效率仅取决于热源和冷源的温度，与工质无关。,2、相同高、低温热源间的不可逆热机tIR同热源间工作可逆热机tRtIRtR=tC,结论,3、热量有效能和热量无效能,Exergy,Anergy,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,26,卡诺循环与卡诺定理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。它们的提出和研究对热力学的发展，特别是对热力学第二定律的建立具有重大意义。,卡诺循环与卡诺定理的理论价值与实际意义：,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,27,卡诺定理举例,A热机是否能实现,1000K,300K,A,2000kJ,800kJ,1200kJ,可能,如果：W=1500kJ,1500kJ,不可能,500kJ,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,28,4、多（变温）热源的可逆循环,吸热量q1=面积ehgnme,放热量q2=面积elgnme,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,29,定义平均吸热和放热温度,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,30,四、状态参数熵,卡诺循环的热效率,绝对值,考虑到正负号,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,31,用一组可逆绝热线，把它分割成无限多个微元循环，每个微元循环都是可逆的。,任意可逆循环,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,32,对任意微元循环abcda：,克劳修斯积分等式,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,33,的积分与积分路径无关。,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比熵，用s表示。,注意：由于是可逆过程，T既是工质的温度，也等于热源的温度。,一定是某一参数的全微分。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,34,对于质量为m的工质，,可逆过程熵变,可逆过程比熵变,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,35,五、不可逆过程的熵变、熵流和熵产,热力学第二定律的任务,这里热量都是绝对值,对于其中任一不可逆微循环,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,36,对于其中任一可逆微循环,对所有微元循环进行积分求和：,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,37,1、克劳修斯不等式,热力学第二定律的表达式之一,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,38,为了计算1A2过程的熵变，增加可逆过程2B1，这形成一个不可逆循环，则,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,39,对于任一不可逆微元过程,2、不可逆过程的熵产,3、熵流,是由于过程不可逆造成的熵变。过程不可逆性愈大，熵产愈大，dSg0。熵产是过程不可逆性大小的度量。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,40,4、说明,不可逆过程中熵的变化由两部分组成：,熵流可能大于零、等于零、小于零；,熵产是由于过程的不可逆因素引起的，总是恒大于零；,对于可逆过程，熵产等于零。,比熵是状态参数，只要初、终态相同，无论经历什么过程，工质熵的变化都相等；,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,41,孤立系,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,42,孤立系统的熵只能增加，不能减少，在极限情况（可逆过程）下保持不变。,如果一个过程进行的结果是使得孤立系的熵增加，那么这个过程可以发生或进行；,如果要让一个非自发过程进行或发生，一定有补偿。补偿的目的在于使孤立系的熵不减少。,热力学第二定律的另一个数学表达式！,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,43,利用熵增原理进行熵产计算时，需要将系统划分为若干个子系统，每个子系统的上边根据熵是状态参数这一性质进行计算，整个孤立系的熵增为各子系统熵变的代数和：,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,44,七、例题,1、例25,某热机从TH1000K的热源吸热2000kJ，向TL300K的冷源放热810kJ。问该热力循环能否实现？是否是可逆循环？若将此热机作制冷机用，能否从TL300K的冷源吸热810kJ而向TH1000kJ的热源放热2000kJ？,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,45,(1)确立系统,解：,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,46,(2),热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,47,2、例26,设两恒温物体A和B，温度分别为1500K和500K。试根据熵增原理分析下面两种情况是否可行？若可行是否可逆？（1）B向A传递热量1000kJ；（2）A向B传递热量1000kJ。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,48,(1)确立系统,解：,A,B,(2),热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,49,3、例28,将0.5kg温度为1200C的碳钢放入盛有4kg温度为20C的水的绝热容器中，最后达到热平衡。试求此过程中不可逆因素引起的熵产。碳钢和水的比热容分别为cc=0.47kJ/(kgK)和cw4.187kJ/(kgK),热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,50,解：,(2)思路,(1)确立系统,水和碳钢组成的绝热系,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,51,热力学第一定律,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,52,4、补充例题,某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，如图（a）所示，试判断是热机循环还是制冷循环？是可逆的还是不可逆的？,热源T1700K,冷源T2400K,Q1,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,53,解：,(1)确定Q1,根据热力学第一定律，无论是热机循环还是制冷循环，无论可逆与否，都有,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,54,方法一：用克劳修斯不等式对象为循环工质,(1)对于热机循环,热机循环不可能,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,55,方法一：用克劳修斯不等式对象为循环工质,(2)对于制冷循环,制冷循环可能，且为不可逆循环,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,56,方法二：用孤立系熵增原理对象为孤立系,(1)对于热机循环,根据孤立系统熵增原理，热机循环不可能,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,57,方法二：用孤立系熵增原理对象为孤立系,(1)对于制冷循环,？,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,58,5、总结,(1)应用克劳修斯积分，系统应该取为循环工质，工质得到热量取“”，放出热量取“”，克劳修斯积分中的dQ/Tr在不可逆过程中不是工质熵的变化。,(2)应用孤立系统熵增原理分析时，其对象为孤立系及组成孤立系的各部分都是对象之一。分别求出各自的熵变，利用熵是广延量，具有可加性的特点得到孤立系统的熵变。,(3)两种方法中，都有Q1/T1和Q2/T2，数值大小各自相同，符号相反，主要是对象不同，传热方向不同所致。,(4)判断方法不限于上述两种，有些可以用卡诺定量进行判断。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,59,八、热量的作功能力、作功能力损失,热量的作功能力,在给定的环境条件下，系统达到与环境热力平衡时可能作出的最大有用功。,无论任何系统，只要经历不可逆过程，就将造成作功能力损失，就会使包含其在内的孤立系统的熵增加。,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,60,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,61,作功能力损失与孤立系统熵增的关系,由卡诺定理可知，,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,62,令,由不可逆引起的功的损失为,如果将热源、环境、可逆热机R、不可逆热机IR及蓄功器合起来看作一个孤立系统，则经过一个工作循环后，此孤立系统的熵增为,，又对于可逆热机，,因为,热工基础Fundaments&ApplicationsofThermodynamics&HeatTransfer,63,由上式可得,由此可见，当环境的热力学温度T0确定后，作功能力的损失I与孤立系统的熵增Siso成正比。上式建立了作功能力的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作功能力损失的尺度。,上式适用于计算任何不可逆因素引起的作功能力的损失。,热工基础Fundaments&Appl