《工程热力学》第五章热力学第二定律

1、1第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律(8(8学时）学时）u基本内容：基本内容：u热力过程的方向性；热热力过程的方向性；热机循环与制冷循环；热机循环与制冷循环；热力学第二定律及其表述；力学第二定律及其表述；可逆与不可逆过程；卡可逆与不可逆过程；卡喏循环与卡喏定理；概喏循环与卡喏定理；概括性卡喏循环；熵的性括性卡喏循环；熵的性质及导出；不可逆过程质及导出；不可逆过程熵的变化；熵增原理与熵的变化；熵增原理与不可逆过程作功能力的不可逆过程作功能力的损失，最大有用功；损失，最大有用功；火用火用简介简介 u基本要求：基本要求：u掌握热力学第二定律的掌握热力学第二定律的本质及其对生产实践的本质及其对

2、生产实践的指导意义；掌握可逆过指导意义；掌握可逆过程的内涵；区别可逆过程的内涵；区别可逆过程与准静态过程；理解程与准静态过程；理解卡喏循环内涵及卡喏定卡喏循环内涵及卡喏定理的证明；理解提高循理的证明；理解提高循环热效率的一般原则环热效率的一般原则u综述综述25.0 5.0 热机（力）循环与制冷循环热机（力）循环与制冷循环一、热机（力）循环一、热机（力）循环-热动力循环，正向循环热动力循环，正向循环二、制冷循环（逆向循环）二、制冷循环（逆向循环）3热动力机与水轮机比拟热动力机与水轮机比拟4泵功泵功制冷与水泵（抽水机）的比拟制冷与水泵（抽水机）的比拟5一、热机（力）循环一、热机（力）循环1 1、定

3、义：将热能转变为机械能的循环为热机循环，亦称、定义：将热能转变为机械能的循环为热机循环，亦称动力循环；正向循环动力循环；正向循环2 2、正向循环的性质、正向循环的性质: :膨胀功绝对值大于压缩功绝对值；膨胀功绝对值大于压缩功绝对值；吸热量绝对值大于放热量绝对值吸热量绝对值大于放热量绝对值3 3、p-v p-v 图，图，T-s T-s 图图4 4、功、热交换特点：、功、热交换特点：高温热源放出热量高温热源放出热量Q Q1 1低温热源获得热量低温热源获得热量Q Q2 2将将Q Q1 1-Q-Q2 2=Q=Q0 0全部转变为功全部转变为功W W0 05 5、结论：、结论：6 6、经济性评价指标、经济

4、性评价指标- -循环热效率循环热效率t tt t = W = W0 0/Q/Q1 1 = =（Q Q1 1-Q-Q2 2）/Q/Q1 1=1-Q=1-Q2 2/Q/Q1 16PVTS循环净功W0 = Q00abcdabcd将热能转变为机械能的循环为热机循环，将热能转变为机械能的循环为热机循环，亦称动力循环；正向循环；顺时针方向亦称动力循环；正向循环；顺时针方向热机循环热机循环7二、制冷循环（逆向循环）二、制冷循环（逆向循环）1 1、定义：消耗外界提供的功将热量从低温热源传递到高温热、定义：消耗外界提供的功将热量从低温热源传递到高温热源的循环；或将机械能转变为热能的循环源的循环；或将机械能转变为

5、热能的循环2 2、逆向循环的性质、逆向循环的性质3 3、逆向循环逆向循环p-v p-v 图，图，T-s T-s 图图4 4、功、热交换特点、功、热交换特点低温热源放出热量低温热源放出热量Q Q2 2消耗机械功消耗机械功W W0 0，转化为热量，转化为热量W W0 0=Q=Q0 0高温热源获得热量高温热源获得热量Q Q1 1，Q Q1 1=Q=Q2 2+W+W0 05 5、结论、结论6 6、经济性评价指标、经济性评价指标-制冷系数制冷系数；热泵系数；热泵系数 制冷系数制冷系数= Q= Q2 2/ W/ W0 0 = Q = Q2 2/ /（Q Q1 1-Q-Q2 2） 可大于可大于1 1，可小于

6、，可小于1 1，不能为无穷，不能为无穷热泵系数热泵系数 = Q= Q1 1/ W/ W0 0= Q= Q1 1/ /（Q Q1 1-Q-Q2 2） 总大于总大于1 1，不能为无穷，不能为无穷8PVTS循环净功W0 = Q00abcdabcd消耗外界提供的功将热量从低温热源传递到高温热源消耗外界提供的功将热量从低温热源传递到高温热源的循环；或将机械能转变为热能的循环；反时针方向的循环；或将机械能转变为热能的循环；反时针方向制冷循环制冷循环9土壤源热泵用于建筑空调供暖Because the ground stores the suns heat for rather long periods of

7、 time, the temperature of the cooling source stays constant, thereby ensuring high efficiency all year long.上庄基地实验室应用10蒸汽压缩制冷Cpu散热115.1 5.1 热力学第二定律热力学第二定律一、概述一、概述二、开尔文二、开尔文- -普朗克表述普朗克表述三、克劳修斯表述三、克劳修斯表述四、两类表述等效性证明四、两类表述等效性证明五、关于自发过程与非自发过程五、关于自发过程与非自发过程12二、开尔文二、开尔文- -普朗克表述普朗克表述1 1、叙述：、叙述： 不可能建造一种循环工作的

8、机器，其作用只是不可能建造一种循环工作的机器，其作用只是从单一热源取热并全部转变为功从单一热源取热并全部转变为功 理解：理解： 1 1）循环）循环 2 2）单一热源）单一热源2 2、等价描述：、等价描述：使热能全部而且连续转变为机械功是不可能的使热能全部而且连续转变为机械功是不可能的第二类永动机是不可能存在的第二类永动机是不可能存在的热机的热效率不可能达到热机的热效率不可能达到100%100%判断正误：将热量全部转变为功是不可能的13三、克劳修斯表述三、克劳修斯表述1 1、叙述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起、叙述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起任何变化任何变化理解：对制冷

9、循环的解释理解：对制冷循环的解释2 2、等价表述、等价表述热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体14四、两类表述等效性证明四、两类表述等效性证明证明：违反克劳修斯说法必违背开尔文说法证明：违反克劳修斯说法必违背开尔文说法EW0Q1Q1Q2Q2Q2Q215五、关于自发过程与非自发过程五、关于自发过程与非自发过程1 1、自发过程：自发实现的过程。、自发过程：自发实现的过程。EGEG：热量总是自发的从高温物体传向低温物体而不能反：热量总是自发的从高温物体传向低温物体而不能反向自发进行；两种气体可自发混合而不能自发地分离向自发进行；两种气体可自

10、发混合而不能自发地分离2 2、非自发过程：自发过程的逆向；非自发过程不能自发、非自发过程：自发过程的逆向；非自发过程不能自发地实现。即使利用热机、制冷机或其他任何方法，使地实现。即使利用热机、制冷机或其他任何方法，使非自发过程得以实现，总需要另一种自发过程伴随进非自发过程得以实现，总需要另一种自发过程伴随进行行3 3、结论：自发过程是不可复逆的、结论：自发过程是不可复逆的4 4、热力学第二定律可概括为：一切自发实现的涉及热现、热力学第二定律可概括为：一切自发实现的涉及热现象的过程都是不可复逆的象的过程都是不可复逆的16 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程一、概述：关于无耗散准静态过程与可

11、逆过程的等价性一、概述：关于无耗散准静态过程与可逆过程的等价性二、可逆过程二、可逆过程三、不可逆过程及衡量指标三、不可逆过程及衡量指标四、理解四、理解“作功能力作功能力”17二、可逆过程二、可逆过程1 1、定义：、定义：系统完成某一过程后，沿着原路逆行而回复到原来状态，系统完成某一过程后，沿着原路逆行而回复到原来状态，外界随之回到原来状态，不流下任何变化。否则为不外界随之回到原来状态，不流下任何变化。否则为不可逆过程可逆过程2 2、可逆过程基本特征：、可逆过程基本特征：1 1）必须是准静态过程：系统内部、系统与外界满足：力）必须是准静态过程：系统内部、系统与外界满足：力平衡；热平衡平衡；热平衡

12、2 2）不存在耗散效应：过程不存在摩擦、粘性流动、温差）不存在耗散效应：过程不存在摩擦、粘性流动、温差传热或其他潜在作功能力损失的耗散传热或其他潜在作功能力损失的耗散18三、不可逆过程及衡量指标三、不可逆过程及衡量指标1 1、定义：、定义：热力过程存在任何自发的变化，从而产生不可复逆的影热力过程存在任何自发的变化，从而产生不可复逆的影响响2 2、衡量指标、衡量指标涡轮机效率涡轮机效率T T：涡轮机不可逆绝热膨胀轴功（：涡轮机不可逆绝热膨胀轴功（W Ws s）T T与可与可逆绝热膨胀轴功逆绝热膨胀轴功( (内部功）内部功）W Ws s之比值之比值u即：即：T T = = （W Ws s）T T/

13、 W/ Ws s压气机绝热效率压气机绝热效率C C：压气机可逆绝热消耗轴功：压气机可逆绝热消耗轴功( (内部功）内部功） W Ws s与不可逆绝热消耗轴功（与不可逆绝热消耗轴功（W Ws s）c c之比之比u即即T T = W = Ws s/ /（W Ws s）C C19四、理解四、理解“作功能力作功能力”1 1、高温热源具有、高温热源具有“作功能力作功能力”，但高温热源直接自发地，但高温热源直接自发地向低温热源传热是不可逆过程，如高温热源与低温冷向低温热源传热是不可逆过程，如高温热源与低温冷源温度一致，失去作功的能力，造成源温度一致，失去作功的能力，造成“作功能力作功能力”的的损失损失2 2

14、、发生功耗散，、发生功耗散，“作功能力作功能力”减少减少3 3、高压气体具较高的作功能力，当其自发膨胀时为不可、高压气体具较高的作功能力，当其自发膨胀时为不可逆过程，输出的功将少于准静态过程输出功，也会造逆过程，输出的功将少于准静态过程输出功，也会造成成“作功能力作功能力”损失损失205.2 5.2 卡诺循环及多热源可逆循环卡诺循环及多热源可逆循环( (热力学第二定律的重要组成部分热力学第二定律的重要组成部分) )综述综述( (论文：关于火的动力及专门产生这种动力的机器论文：关于火的动力及专门产生这种动力的机器Carnot Carnot S.Reflection on the motive p

15、ower of heat and on machines S.Reflection on the motive power of heat and on machines fitted to develop this power,Bachelier Paris,1824)fitted to develop this power,Bachelier Paris,1824)卡诺循环组成卡诺循环组成 相关计算相关计算 循环热效率：循环热效率： t t= 1- T= 1- T2 2/T/T1 1结论结论等效卡诺循环等效卡诺循环21vPT2TT1S1S2a ab bc cd da ab bc cd da

16、-ba-b：可逆定温膨胀吸热过程，：可逆定温膨胀吸热过程，比容增大，熵增加，吸热为比容增大，熵增加，吸热为q q1 1b-cb-c：定熵（绝热）膨胀过程，：定熵（绝热）膨胀过程，熵不变，比容增大，熵不变，比容增大，T T1 1TT2 2，P P2 2PP3 3卡诺循环组成卡诺循环组成c-dc-d：可逆定温压缩放热过程：可逆定温压缩放热过程放热量放热量q q2 2，P P3 3PP4 4d-ad-a：定熵（绝热）压缩过程：定熵（绝热）压缩过程熵不变，比容减小，熵不变，比容减小，T T2 2TT1 1 P P4 4PP1 1 高温热源低温热源 q1q2高温热源q1q2低温热源P1P2P3P4理理想

17、想气气体体为为例例22卡诺循环及其结论：卡诺循环及其结论：1 1、卡诺循环的热效率、卡诺循环的热效率t t仅决定于高温热源的温度仅决定于高温热源的温度T1T1与与低温热源温度低温热源温度T2T2，与工质性质无关。提高，与工质性质无关。提高T1T1，降低，降低T2T2，t t升高升高2 2、卡诺循环的热效率、卡诺循环的热效率t t总小于总小于1 1，不可能等于，不可能等于1 1（T1T1或或T2=0KT2=0K是不可能的）是不可能的）3 3、T1=T2T1=T2时，时，t t=0 =0 热机不可能从单个热源或没有温热机不可能从单个热源或没有温差的热源吸热并连续不断将热能转变为机械能即第二差的热源

18、吸热并连续不断将热能转变为机械能即第二类永动机是不可能造成的类永动机是不可能造成的4 4、计算式推导与工质性质无关，适合于任何工质、计算式推导与工质性质无关，适合于任何工质5 5、卡诺循环的热效率不一定很高，仅取决于两热源温度、卡诺循环的热效率不一定很高，仅取决于两热源温度的高低的高低23等效卡诺循环等效卡诺循环概念概念等效卡诺循环热效率计算等效卡诺循环热效率计算24作业 u5-5，7，10255.3 5.3 卡诺定理（及其推论）卡诺定理（及其推论）一、卡诺定理一、卡诺定理1 1、表述：在两个给定热源间工作的所有热机，不可能具有比可、表述：在两个给定热源间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更

19、高的效率逆热机更高的效率2 2、证明、证明二、推论二、推论1 1、推论一：在同温热源和同温冷源间工作的一切可逆热机，其、推论一：在同温热源和同温冷源间工作的一切可逆热机，其热效率均相等热效率均相等2 2、推论二：在给定的两个热源间工作的任何不可逆机，其热效、推论二：在给定的两个热源间工作的任何不可逆机，其热效率都小于在相同热源间工作的可逆热机的热效率率都小于在相同热源间工作的可逆热机的热效率三、卡诺定理意义：三、卡诺定理意义：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，指明了热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。明了热机热

20、效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。奠定了热力学第二定律的基础奠定了热力学第二定律的基础26例题例题1判断下述说法正确与否：判断下述说法正确与否：1.温度界限相同的一切可逆热机的热效率温度界限相同的一切可逆热机的热效率t t相同相同2.2.一切不可逆热机的一切不可逆热机的热效率热效率t t总比可逆热机小总比可逆热机小3. 3. t t= 1- T= 1- T2 2/T/T1 1与与t t = W = W0 0/Q/Q1 1 =1-Q=1-Q2 2/Q/Q1 1相同相同275.4 5.4 克劳修斯不等式克劳修斯不等式一、克劳修斯积分等式的推出一、克劳修斯积分等式的推出1 1、对两热源的简单

21、循环、对两热源的简单循环2 2、对多热源的任意可逆循环、对多热源的任意可逆循环二、克劳修斯积分不等式的推出二、克劳修斯积分不等式的推出1 1、对部分可逆的微元循环、对部分可逆的微元循环2 2、对不可逆循环、对不可逆循环三、多热源循环的卡诺定理数学表达式三、多热源循环的卡诺定理数学表达式四、用四、用“不可用能不可用能”表示克劳修斯积分不等式（略）表示克劳修斯积分不等式（略）28 状态参数熵及孤立系统熵增原理状态参数熵及孤立系统熵增原理一、状态参数熵一、状态参数熵(entropy)-(entropy)-中文由刘仙洲命名中文由刘仙洲命名二、不可逆过程熵的产生二、不可逆过程熵的产生三、孤立系统熵增原理

22、三、孤立系统熵增原理29一、状态参数熵一、状态参数熵1 1、状态参数熵、状态参数熵2 2、熵是状态参数（证明）、熵是状态参数（证明）3 3、熵的普遍关系式、熵的普遍关系式4 4、熵的计算、熵的计算1）可逆过程熵的计算）可逆过程熵的计算2）不可逆过程熵的计算）不可逆过程熵的计算30二、不可逆过程熵的产生二、不可逆过程熵的产生1、熵的产生、熵的产生 可逆过程熵的产生可逆过程熵的产生 可逆过程熵的计算可逆过程熵的计算2、不可逆过程熵的计算及产生、不可逆过程熵的计算及产生 不可逆过程熵的产生不可逆过程熵的产生 熵流熵流dSf 熵产熵产dSg3、普适式、普适式 dS= dSf + dSg31例题例题2有

23、有1kmol某中理想气体，从状态某中理想气体，从状态1经一不经一不可逆过程变化到状态可逆过程变化到状态2，已知状态，已知状态1的压的压力、容积、温度分别为力、容积、温度分别为P1、V1、T1，状态状态2的压力、容积、温度分别为的压力、容积、温度分别为P2、V2、T2，容积，容积V2=2V1，温度，温度T2=T1，设比热为定值，求熵差设比热为定值，求熵差S2S1=？32三、孤立系统熵增原理三、孤立系统熵增原理1 1、热力学第二定律数、热力学第二定律数学表达式学表达式不可逆过程熵变表达式不可逆过程熵变表达式可逆过程熵变表达式可逆过程熵变表达式普适式普适式2 2、绝热过程熵变分析、绝热过程熵变分析可

24、逆绝热过程可逆绝热过程不可逆绝热过程不可逆绝热过程3 3、孤立系统熵增原理、孤立系统熵增原理1 1）何谓孤立系统）何谓孤立系统2 2）孤立系统特点）孤立系统特点3 3）孤立系统熵增原理）孤立系统熵增原理u孤立系统发生可逆变化孤立系统发生可逆变化u孤立系统发生不可逆变化孤立系统发生不可逆变化4 4、熵增原理总叙、熵增原理总叙33四、孤立系统熵增原理理解四、孤立系统熵增原理理解1 1、孤立系统熵增内容、孤立系统熵增内容 1 1）热能转化为功的过程（热机循环）热能转化为功的过程（热机循环）u可逆循环可逆循环u不可逆循环不可逆循环 2 2）单纯的传热过程）单纯的传热过程u可逆传热可逆传热u不可逆传热不

25、可逆传热 3 3）机械能不可逆转化为热能的过程）机械能不可逆转化为热能的过程2 2、如何理解孤立系统熵增原理、如何理解孤立系统熵增原理34例题例题3欲设计一热机，使之能从温度为欲设计一热机，使之能从温度为973K的高温热源吸热的高温热源吸热2000KJ，并向温度为并向温度为303K的冷源放热的冷源放热800KJ。问：。问：1）此循环能否实现？）此循环能否实现？2）若将此热机当制冷机用从冷源吸热）若将此热机当制冷机用从冷源吸热800KJ，能否可能向热，能否可能向热源放热源放热2000KJ？，欲使之从冷源吸热？，欲使之从冷源吸热800KJ，至少须耗功，至少须耗功多少？多少？T1=973KT2=303KQ1=2000kjQ2=800kjT