工程热力学第5章.ppt

1,第五章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics,2,51热力学第二定律,一、自发过程的方向性,Q,Q,?,是否任何不违反热力学第一定律的过程都是可以实现的？,3,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。,4,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,5,二、第二定律的两种典型表述,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?,自然界过程的方向性表现在不同的方面,注意：,热力学第二定律与第一定律一样是根据无数实践经验得出的经验定律，是基本的自然规律，不能由其他定律推导得出。这两个定律是相互独立的定律，共同构成热力学基础。,6,热功转换传热,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,热力学第二定律的表述有60-70种,7,1.克劳修斯表述热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。2.开尔文-普朗克表述不可能制造循环热机，只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而不在外界留下任何影响。,理想气体可逆等温膨胀,环境一个热源?吸收热量全部转变成功?是否违反开尔文-普朗克表述？,讨论：,8,第二类永动机：,从单一热源取热并使之完全变为功，而不引起其他变化的热机。,第二类永动机的热效率是100，显然是违反热力学第二定律的开尔文-普朗克表述，是不可能存在的。,热力学第二定律可表述为：,第二类永动机是不可能存在的。,注意,第二类永动机不违反热力学第一定律,9,完全等效!,违反一种说法,必违反另一种说法!,3.两种说法的关系,克劳修斯说法,开尔文说法,10,证明1、违反开尔文说法必导致违反克劳修斯说法,Q1=WA+Q2,反证法：假定违反开尔文说法热机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,违反克劳修斯说法,Q2,Q1,WA,Q1,11,证明2、违反克劳修斯说法必导致违反开尔文说法,WA=Q1-Q2,反证法：假定违反克劳修斯说法Q2热量无偿从热源T2送到热源T1,假定热机A从热源吸热Q1,热源T2无变化,从热源T1吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开尔文说法,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,12,法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环,热机能达到的最高效率有多少？,热力学第二定律奠基人,效率最高,52卡诺循环,13,S.卡诺NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人,14,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),15,卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,16,卡诺循环热机效率的说明,c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关；,T1c,T2c，温差越大，c越高,当T1=T2，c=0,单热源热机不可能,T1=K,T2=0K,cQ1R多Q2CtR2tR2tR1,WR2,只有：tR1=tR2,与工质无关,在相同温度的高温热源和相同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。,24,卡诺定理推论二,在同为温度T1的热源和同为温度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热效率。,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,25,四、卡诺定理定理1：在相同温度的高温热源和相同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T1的热源和同为温度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热效率。理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2；2）提高热机效率的极限。,26,循环热效率计算式：,适用于一切循环、任意工质,适用于多热源可逆循环、任意工质,适用于卡诺循环、概括性卡诺循环、任意工质,27,一、熵的导出,比熵的定义式：,比熵是由热力学第二定律导出的状态参数。,根据卡诺定理，在温度分别为T1与T2的两个恒温热源间工作的一切可逆热机的热效率都相同，与工质的性质无关。,式中q1、q2均为绝对值，若取代数值，可改成,54熵和热力学第二定律的数学表达式,28,在卡诺循环中，单位质量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。,对于任意一个可逆循环，可以用一组可逆绝热线，将其分割成无数微元卡诺循环。,对整个循环积分，则得,克劳修斯积分等式,对于每一个微元卡诺循环，,29,一定是某一参数的全微分。,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，工质的温度也等于热源的温度。,30,对于质量为m的工质，,注意：,1.熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向与大小。,2.熵的定义式中的热量是可逆过程中交换的热量；温度是热源温度或工质温度，要用绝对温度。,3.,热量是工质与热源交换的热量，温度是热源温度。,31,（1）克劳修斯不等式,根据卡诺定理，在相同的恒温高温热源T1和恒温低温热源T2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，即,二、热力学第二定律的数学表达式,对于单位质量工质：,32,一个不可逆循环可以用无数可逆绝热线分割成无数微元循环。包括可逆循环和不可逆循环。,对任意一个不可逆微元循环：,对任意一个可逆微元循环：,对整个不可逆循环：,称为克劳修斯不等式，适用于任意不可逆循环。,33,克劳修斯不等式与克劳修斯等式合写成,上式是热力学第二定律的数学表达式之一，可用于判断一个循环是否能进行，是否可逆。,可逆“=”不可逆“不可逆）,对于任意过程：,对于微元过程：,对于1kg工质：,上面三个式子为热力学第二定律数学表达式,可判断过程能否进行、是否可逆、不可逆性大小。,注意：1）Tr是热源温度；2）q、Q的符号以工质考虑。,36,可逆“=”不可逆，不等号,第二定律数学表达式,讨论：1)违反上述任一表达式就可导出违反第二定律；,2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的方向判据。,小结：,3）对于循环，有,则：,37,三、不可逆绝热过程,对于绝热过程，q=0,可逆绝热：,定熵过程,不可逆绝热：,熵增过程,不可逆绝热过程的熵一定增加,不可逆绝热过程中熵之所以增大，是由于过程中存在不可逆因素引起的耗散效应，使损失的机械功在工质内部重新转化为热能（耗散热）被工质吸收。,38,闭口系统终压相同p2=p2s是绝热膨胀过程,可以看出：,可得出：,39,闭口系统终压相同v2=v2s是绝热膨胀过程,40,熵变量的计算,计算原则：,熵是状态参数，只要系统的状态1和2是平衡状态，无论1到2经历的过程如何，都可以通过1和2的任何可逆过程计算。,注意：,过程中如果有相变过程出现，如固体溶解、液态汽化、蒸气凝结等，整个过程的熵变量需要分段计算。,41,熵变的计算方法,理想气体,任何过程,42,热源的熵变计算：,热源是一个给工质提供热量，或接受工质排出热量的物体，越过其边界的所有能量都是以热的形式进行的。,当热源接收或放出热量时，若温度不变，则其熵变为：,若温度变化时，则其熵变为：,43,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，这一规律称为孤立系统熵增原理。,无热量交换,无功量交换,=：可逆过程：不可逆过程,热力学第二定律表达式之一,5-5孤立系统熵增原理,44,孤立系统熵增原理如何用？,孤立系统=非孤立系统+相关外界,=：可逆过程reversible：不可逆过程irreversibleT2),Q,用克劳修斯不等式,用,不是循环,不好用,用,46,孤立系熵增原理举例(1),Q,取热源T1和T2为孤立系,当T1T2,可自发传热,当T10，所以熵可反映某种物质的共同属性。,孤立系统熵增原理：孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程均可逆时系统熵保持不变。,53,56熵方程,一、闭口系统的熵方程,根据闭口系统的热力学第二定律的关系式,=：可逆过程：不可逆过程,不可逆过程的熵变大于过程中的Q/Tr，其差值即为不可逆因素造成的熵产Sg。,热熵流：,由热流引起的熵变,闭口系统的熵方程：,54,闭口系统的熵方程：,注意：,1.熵产Sg不是状态参数，它与过程的不可逆程度有关，是过程的函数。,熵产是过程不可逆性大小的度量。,2.熵流也是过程量。,3.在同样的系统初态和终态之间可以有不同的过程（可逆或不可逆），每个过程各自的熵产和熵流可以不相同，但综合效应引起的系统熵变却相同，因为热力系统的熵是状态参数。,4.熵方程是以等式表示的孤立系统熵增原理的数学表达式,55,任意不可逆过程,可逆过程,不可逆绝热过程,可逆绝热过程,闭口系统的熵流、熵产和熵变,56,二、开口系统（控制容积）的熵方程,在时间内开口系统：,1.从温度为Tr的热源吸热Q,2.界面上的流体流入、流出带有能量传递了熵simi、seme。,取孤立系统：,控制容积热源物质源,孤立系统熵变：,1.控制容积的熵变：dSCV,2.热源熵变：,3.物质源熵变：,（物质源流出simi，流入seme）,57,孤立系统的熵变等于熵产,开口系统吸热量与热源放热量相同，方向相反，即,可得出：,开口系统熵方程的一般形式,58,热熵流：,由热流引起的,质熵流：,因物质迁移而引起的,开口系统熵方程的一般形式可写为,在时间内，则有：,59,绝热稳流开口系统：,稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）,稳流开口系统：,1kg工质：,60,57火用参数的基本概念热量火用,1956，I.RantI.郎特,AvailableEnergy,Energy,东南大学夏彦儒教授翻译为火用,问题：如何评价能量价值?,Availability,Anergy,可用能,可用度,火无,Unavailableenergy,Exergy,一、能量的可转换性，火用、火无,61,哪个参数才能正确评价能的价值,热量,500K,293K,100kJ,1000K,100kJ,293K,62,哪个参数才能正确评价能的价值,焓,h1=h2,p1,p2,w1,w2,w1w2,63,哪个参数才能正确评价能的价值,热力学能,u1=u2,w1,w2,w1w2,64,三种不同品质的能量,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高级能量,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,如：热能、焓、热力学能,（Ex）,（An）,（Ex+An）,理论上不能完全转换为功的能量低级能量,65,火用（Ex）与火无（An）,火用Ex的定义,当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其它能量形式的那部分能量，称之为火用，Ex。,100%相互转换,功,能量中除了火用Ex的部分，就是火无An,Ex作功能力,Ex和An的单位：J或kJ,66,Ex作功能力,环境一定，能量中最大可能转换为功的部分,500K,100kJ,1000K,100kJ,T0=293K,T0=293K,67,热力学第一定律和第二定律的Ex含义,一切过程，Ex+An总量恒定,第一定律：,第二定律：,在可逆过程中，Ex保持不变,在不可逆过程中，部分Ex转换为An,Ex损失、作功能力损失、能量贬值,任何一孤立系，Ex只能不变或减少，不能增加孤立系Ex减原理,由An转换为Ex不可能,68,1、恒温热源T下的Q,Ex,Q:Q中最大可能转换为功的部分,T0,Ex,Q,An,Q,卡诺循环的功,T,（一）热量的Ex与An,S,二、热量火用和冷量火用,69,2、变温热源下的Q,T0,ExQ,AnQ,微元卡诺循环的功,热量的Ex与An,S,70,1、Q中最大可能转换为功的部分，就是Ex,Q，Ex,Q与热量一样是过程量，且与Q的方向相同，系统放出热量Q的同时也放出Ex,Q，反之亦然。,T0,Ex,Q,An,Q,2、Ex,Q=Q-T0S=f(Q,T,T0),Ex损失,3、单热源热机不能作功T=T0,Ex,Q=0,4、Q一定，不同T传热,Ex损失，作功能力损失,热量的Ex与An的说明,71,卡诺循环的功：,Q1,Wmax,Q0,（二）冷量的Ex与An,温度低于环境温度T0的系统，吸入热量Q0时作出的最大有用功称为冷量火用，Ex,Q0。,72,1.恒温热源时的冷量火用：,T,ExQ0,Q0,S,冷量火无An,Q0为循环从环境中的吸热量,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。,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。,73,2.变温热源时的冷量火用：,AB过程的冷量火用为：,冷量火无An,Q0为循环从环境中的吸热量,注意：,冷量火用Ex,Q0和Q0方向相反，即系统吸热放出冷量火用Ex,Q0，利用它对外作功。系统放热，得到冷量火用Ex,Q0，这时外界提供最小有用功。,74,热量火用、冷量火用与T的关系,1.热量火用EX,Q永远小于吸热量Q，热量不可能100%地转化为有用功。,2.冷量火用Ex,Q0在数值上可以大于系统吸热量Q0本身，冷量火用更珍贵。,75,一切不可逆过程均造成作功能力即火用损失，不可逆程度愈严重，作功能力降低愈多，火用损失愈大