工程热力学-热力学第二定律

1、续2 A物体B物体AB热量传递的方向性图ABTTQ真空自由膨胀过程模拟图自然过程的方向性自然过程的方向性可逆过程可逆过程 系统经历一个过程后，如令过程系统经历一个过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态而不留下任何痕迹，则此过程始状态而不留下任何痕迹，则此过程称为可逆过程称为可逆过程实现可逆过程的条件实现可逆过程的条件1.1.过程进行得无限缓慢；过程进行得无限缓慢；2.2.传热无温差；传热无温差；3.3.运动无摩擦。运动无摩擦。vpvp12abcd+12abcdpvpv1212abab可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环cdcd可逆循环及不可逆循环

2、在p-v图上的表示蒸汽动力循环装置流程简图热机工质冷却水冷却水高温热源高温热源T1低温热源低温热源T21Q2Q0W1Q2Q0W能量方程能量方程120QQW012WQQ应用于热机的能量平衡模拟图和能量方程热机热机120QQW012WQQ01221111tWQQQQQQ 01221111twqqqqqq 循环热效率定义式热力学第二定律的表述Sms;QSTQSTQST 例：例：1niiSSrrrqduwTdsduwqduwduqw()rrrTdsduwqwwqww()lrfgwqwwqdsssTTTfqsTlgwsTlfgwqdsssTT0,lfgwsdssT0,0,0fgssds续30fSgSsy

3、sdS11sm22sm1122fgsyssmsssmds 表明闭口系统内工质熵的变化由两部分组成：表明闭口系统内工质熵的变化由两部分组成： 系统与外界有热量交换引起的熵流系统与外界有热量交换引起的熵流 Sf； 过程的不可逆性引起的熵产过程的不可逆性引起的熵产 Sg。fSgSsysdSfgsysssdsfgsyssss 闭口系统的熵方程fSgdS0sysdS120fgsmsssm11sm22sm120fgs mSSs m21fgSSSS开口系稳定流动的熵方程isosysgdSdSS而熵而熵 Sg 产总是正的，则产总是正的，则0isodS或或0isoSgSsysdS0isodS称称为孤立系统的熵增

4、原理。为孤立系统的熵增原理。有熵方程有熵方程或或0isoS孤立系统内部进行的一切实际过程都是朝着熵增加的方孤立系统内部进行的一切实际过程都是朝着熵增加的方向进行，极限情况维持不变。任何使孤立系统熵减小的向进行，极限情况维持不变。任何使孤立系统熵减小的过程都是不可能实现的。过程都是不可能实现的。0isoS0isoS0isoS0isodS0isoS1212isoQQSSSTT 12211 20isoTTQQSQTTTT 12TT0isoS例题热量传递的自然方向只能是热量从高温物体传向低温物体热量传递的自然方向只能是热量从高温物体传向低温物体T1Q110isomQSSST 0isoS热机热机10is

5、oQST 例题600020kJ/K300ryQST 25( 20)5kJ/K0isomrySSS 例题600020kJ/K300fQSTfgSSS 25205kJ/KgfSSS 312HHH例题121122pppmmc tmc tm c t1 12 21220 8040 20402040mtm ttmmt1=200p1=t2=80p2=t1=15p1 =t2=70p2 =mw =ma =mw =1aH2aH1wH2wH11220awawHHHH1221aawwHHHH11221apaaaw pwwwm cttm ctt211122000 4.187 (70 15)3819kg/h1.00520

6、0 80w pwwwapaaam cttmcttt1=200p1=t2=80p2=t1=15p1 =t2=70p2 =mw =ma =mw =211122000 4.187 (70 15)3819kg/h1.005200 80w pwwwapaaam cttmctt222111lnlnlnaawawapgaw pwaawTpTSSSm cRm cTpT 3818.7 1462.8 435.5kJ/KS Tsabcd1T2T卡诺循环的组成及T-s组成 bsTsabcd1T0w1q2T2q as11()baqT ss22()baqT ss012wqq02111tcwqqq 12()()baTTss

7、2211()11()babaT ssTT ssT 卡诺循环的计算211tcTT12( ,);tcf T T100%;t0;tc2T1;T卡诺循环热效率及讨论卡诺定理 高温热源 低温热源 热机热机1Q2Q0W12isoTTSSSS m12120QQTT1212QQTT12120isoQQSTT2211QTQT02111tWQQQ 221111tQTQT maxirrtc卡诺定理02111tWTQT 2121( ,)1trTf T TT 02111twTqT 卡诺定理小结02111twTqT 02111twTqT 卡诺定理T1 bssc1T1q2T2q as243d1141qT s2232qTs0

8、2211111twqTqqT 1112mqTs02211111mtmwTqqqT Ts12abcd1212mqTs1mT2mTABCD例题例题3 3 一容器内储存一容器内储存100kg100kg、8585的热水，周围介质的温度为的热水，周围介质的温度为 4.54.5。若在热水与周围介质之间装一热机，试求当水。若在热水与周围介质之间装一热机，试求当水 与周围介质达平衡时能作出的最大功。与周围介质达平衡时能作出的最大功。358KTT解解 因高温热源的温度是变化的。 在某一 温度下可与低温热源 T组成一微元卡诺循环，其对 外输出的最大功为22max1(1)(1)TTWQmcdTTT1 12高温热源从

9、高温热源从1 1变化到变化到2 2的过程中对外输出的最大功应为的过程中对外输出的最大功应为1QmcdT上式中上式中dTdT0 0，所以积分号前应加一负号。所以积分号前应加一负号。1QsT277.65K因为因为 是热源放出的热量，在计算中是热源放出的热量，在计算中 应取绝对值，应取绝对值，高温热源的在从高温热源的在从1 1变化到变化到2 2的过程中对外输出的最大功的过程中对外输出的最大功2122max2121(1)()lnTppTTTWmcdTmcTTTTT 1m cpt=100 4.2（854.5）3.3810kJ3max414.09 100.121 100%12.1%3.38 10tWQ循环

10、热效率循环热效率热源放出热量热源放出热量 277.65100 4.1868 (277.65358)277.65ln358 34.09 10 kJ358K358K解解 方法方法22211112TTTppTTTc dTqdTscTTT1 12假设循环如图假设循环如图sT277.65K277.65KT吸热量吸热量112pQmctt放热量放热量22QmTs21lnpTcT热源熵变量热源熵变量周围介质周围介质( (冷源的熵变量冷源的熵变量) )21231212lnlnppTTssccTT 3解解 方法方法假设循环如图假设循环如图吸热量吸热量112pQmctt放热量放热量22QmTs周围介质周围介质( (

11、冷源的熵变量冷源的熵变量) )12lnpTscT对外可能输出的最大功对外可能输出的最大功max12WQQ1max1222lnppTWmcttT cT358K358K1 12sT277.65K277.65KT3221111AqTqT 22110qTqT12120qqTT10niiiqT12120qqTT12120iiiiqqTT12120qqTTsabcdgf12120iiiiqqTT1 22 10ABqqTT1A2B0qT即续500dx qT0ds 0qT续50211ATT 12120qqTT10niiiqT211Bqq BA221111qTqT 12120qqTT克劳修斯不等式12120ii

12、iiqqTT12120qqTTscdf12120iiiiqqTT1 22 10ABqqTTA2B0qT1ab 是热源的温度。是热源的温度。 g续530qT2 12 11 2bbbqdsdsT 1 22 10abqqTT211 2aqssTqdsTcdfA2B1abg211 22 1abqqssTT 211 2aqssT2112()sss 习题习题一热机一热机, ,T T1 1=2000K , =2000K , T T2 2=300K =300K 。判断下列判断下列.3各条件下各条件下，各热机是可能、可逆或不可能。，各热机是可能、可逆或不可能。结论结论 Q1=1000J W=90

13、0JQ1=2000J Q2=300JQ2=500J W=1500J 1 2 30.85tc克克劳劳修修斯斯不不等等式式900100020003002000150015005000.9tc0.85tc0.75tc 不可能不可能 可逆可逆 不可逆不可逆方方 法法熵熵增增原原理理计计 算算结结 果果结结 论论卡卡 诺诺 定定 理理计计 算算结结 论论10001000900200030020003002000300(500 1500)500200030012SS1WQ 不可能不可能 可逆可逆 不可逆不可逆计计 算算QT1000(1000900)200030020003002000300500 1500

14、50020003000.1670isoS 结结 果果0isoS0.670isoS结结 果果0.1670QT0QT0.67QT 不可能不可能 可逆可逆 不可逆不可逆已已 知知 条条 件件 当系统从一状态可逆地变化到与给定环境相平衡的当系统从一状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，状态时，理论上理论上可以转换为机械功的那部分能量，称为可以转换为机械功的那部分能量，称为可用能可用能( (exergy), ,用符号用符号Ex表示。余下的不可能转换为机表示。余下的不可能转换为机械功的部分能量称为该能量中的无用能部分，称为该能械功的部分能量称为该能量中的无用能部分，称为该能量中的无用能（量中的无用能（

15、anergy anergy 妩或寂）用妩或寂）用n n表示。这样，总表示。这样，总能量能量可以表示成可以表示成 （总能量）（总能量）ExEx（可用能）（可用能）n n（无用能）（无用能）4-5 4-5 热量的可用能（有效能）及其不可逆损失热量的可用能（有效能）及其不可逆损失(P86)(P86)1.1.可用能可用能( (有效能有效能) )能量的分类0,max(1)x QTEWQTmax00(1)nQAQWTTQQQTTTSabcdTmaxW1q0T,n QAabEx = 面积abcdaAnQ = 面积Q = Ex,QAn,Q dcb a d077(1)273235.0824 10(1)=4.32

16、 10 kJ273 1727QTEQT7765.0824 104.32 10 =7.624 10 kJQQE例题0273231=10.85273 1727QtcETTQ 0273231=10.359273550tcTT 01/TT续610,1Ax QATEQTABisoABABTTQQSQTTT T,Ax QEABQABisoABABTTQQSQTTT T0,1Ax QATEQTA,BABx Qx QTTEE有,Ax QELELE10,1Bx QBTEQT,Bx QE23ABisoABABTTQQSQTTT T0,1Ax QATEQT0,1Bx QBTEQT00,11ABLx Qx QABTTEEEQQTT0