清华大学工程热力学课件-第4章

作业3-113-133-143-19在单级压气机中压缩250m3/h空气，若压气机缸套中流过465kg/h的冷却水，在气缸套中水温升高14C，求压气机必需的功率,可能达到的最高压力。温馨提示1.本周为有工热实验课的最后一周。2.请各科代表将实验说明复印页收齐，于下周二如数归还。作业3-11温馨提示

I.活塞无摩擦，完全导热(续)解：4）SA,SB,

SA+B

讨论：QA+B=0SA+B>0QA，WA无法求S可求S状态参数I.活塞无摩擦，完全导热(续)解：4）SA,SB

II.活塞有摩擦，导热，准静态等温解：1）活塞移动距离LA、B的质量和T均未变I.II.活塞移动距离L相等II.活塞有摩擦，导热，准静态等温解：1）活塞移动距离LII.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：2）QA，WA摩擦耗功3）QA+BII.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：2）QA，II.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：4）SA,SA,

SA+B

讨论：并非巧合

SA＋B由摩擦不可逆引起II.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：4）SA计算练习题（2）教材3－13题氧气瓶，V=0.04m3,p1=147.1bar,t1=t0=20℃迅速放气至p2=73.55bar求：此时T2，放出的质量mp2

,V已知，求T2取氧气瓶为开口系，试用开口系能量方程求T2m1m2m计算练习题（2）教材3－13题氧气瓶，V=0.04m3,p取氧气瓶为开口系开口系能量方程f(T2)有无过程方程？Tpvs？？？是否可逆不能确定取氧气瓶为开口系开口系能量方程f(T2)有无过程方程？Tpv取氧气瓶为开口系气体减少u,h,m指瓶中气体状态对于理想气体，且cv=Const取氧气瓶为开口系气体减少u,h,m指瓶中气体状态对于理想取氧气瓶为开口系绝热钢瓶放气，瓶内气体遵循此结论可直接用取氧气瓶为开口系绝热钢瓶放气，瓶内气体遵循此结论可直接用计算练习题（3）一小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱初为真空，由于小瓶漏气，某时刻，小瓶内氦气温度为TA’，箱内氦气温度为TB。氦气为理想气体，试分析TA，TA’，TB的相对大小。TBTA解：预将TA，TA’，TB

联系起来取保温箱为系统较好计算练习题（3）一小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱初为计算练习题（3）（续）TBTA解：取保温箱为系统小瓶内气体遵循焓计算练习题（3）（续）TBTA解：取保温箱为系统小瓶内气体遵第三章完

EndofChapterThree第三章完

EndofChapterThree第四章

热力学第二定律SecondLawofThermodynamics第四章

热力学第二定律SecondLawofThe13自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性

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Spontaneousprocess自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进自然界自热功转换过程功量热过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量火力发电功量40%放热热功转换过程功量热过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量10§4-1热二律的表述与实质

热功转换

传热

热二律的表述有60-70

种

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§4-1热二律的表述与实质热功转换开尔文－普朗克表述

(1851年)

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。Kelvin－PlanckStatement

Itisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.开尔文－普朗克表述(1851年)开尔文－普朗克表述(1851年)

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，而必须将其中的一部分传给冷源。理想气体T膨胀q=wKelvin－PlanckStatement开尔文－普朗克表述(1851年)不可理想气体T

过程q=wT

s

p

v

1

2

热机：连续作功构成循环1

2

有吸热，有放热理想气体T过程q=wTspv12热机：Heatreservoirs

ThermalEnergySource

Heat

ThermalEnergy

Sink热源冷源:容量无限大，取、放热其温度不变

HeatreservoirsTher但违反热力学第二定律Perpetual-motionmachineofthesecondkind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。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环境是个大热源但违反热力学Perpetual-motionmachine克劳修斯表述

(1850年)

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalower-temperaturebodytoahigher-temperaturebody.Clausiusstatement克劳修斯表述(1850年)不可能克劳修斯表述

(1850年)

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。空调,制冷代价：耗功Clausiusstatement克劳修斯表述(1850年)不可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!!!两种表述的关系开尔文－普朗克表述完证明1、违反开表述导致违反克表述

Q1’=WA+Q2’反证法：假定违反开氏表述热机A从单热源吸热全部作功Q1=WA

用热机A带动制冷机B

对于制冷机B

Q1’-Q2’=WA=Q1

Q1’-Q1=Q2’

违反克氏表述

T1

热源AB冷源T2<T1

Q2’Q1’WAQ1证明1、违反开表述导致违反克表述Q1’=WA+Q2证明2、违反克表述导致违反开表述

WA=Q1-Q2反证法：假定违反克氏表述

Q2热量自发地从冷源传到热源热机A从热源吸热Q1

冷源无变化

从热源吸收Q1-Q2全变成功WA

违反开氏表述T1

热源A

冷源T2<T1

Q2Q2WAQ1Q2对外作功WA对冷源放热Q2证明2、违反克表述导致违反开表述WA=Q1-Q2反热二律的实质

•

自发过程都是具有方向性的

•

表述之间等价不是偶然，说明共同本质

•

若想逆向进行，必需付出代价对热二律的说明:与热一律一样,是基本的自然定律之一是经验定律由无数实践经验验证的不能从其它定律推出热二律的实质•自发过程都是具有方向性的热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？t与哪些因素有关？???热一律、热二律与热机效率t

>100％不可能热二律否定第二类永动机t

=100％不可能热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？???热一卡诺循环—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)CarnotcycleCarnotheatengine卡诺循环—理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2wCarnotefficiency卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2wCar•

t,c只取决于恒温热源T1和T2

而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明•

T1

or

T2

tc，•

当T1=T2，t,c=0,•

T1

=K,T2

=0K,温差越大，t,c越高单热源热机不可能t,c<100%，热二律•t,c只取决于恒温热源T1和T2卡诺循环热机效作业3-113-133-143-19在单级压气机中压缩250m3/h空气，若压气机缸套中流过465kg/h的冷却水，在气缸套中水温升高14C，求压气机必需的功率,可能达到的最高压力。温馨提示1.本周为有工热实验课的最后一周。2.请各科代表将实验说明复印页收齐，于下周二如数归还。作业3-11温馨提示

I.活塞无摩擦，完全导热(续)解：4）SA,SB,

SA+B

讨论：QA+B=0SA+B>0QA，WA无法求S可求S状态参数I.活塞无摩擦，完全导热(续)解：4）SA,SB

II.活塞有摩擦，导热，准静态等温解：1）活塞移动距离LA、B的质量和T均未变I.II.活塞移动距离L相等II.活塞有摩擦，导热，准静态等温解：1）活塞移动距离LII.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：2）QA，WA摩擦耗功3）QA+BII.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：2）QA，II.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：4）SA,SA,

SA+B

讨论：并非巧合

SA＋B由摩擦不可逆引起II.活塞有摩擦，导热,准静态等温（续）解：4）SA计算练习题（2）教材3－13题氧气瓶，V=0.04m3,p1=147.1bar,t1=t0=20℃迅速放气至p2=73.55bar求：此时T2，放出的质量mp2

,V已知，求T2取氧气瓶为开口系，试用开口系能量方程求T2m1m2m计算练习题（2）教材3－13题氧气瓶，V=0.04m3,p取氧气瓶为开口系开口系能量方程f(T2)有无过程方程？Tpvs？？？是否可逆不能确定取氧气瓶为开口系开口系能量方程f(T2)有无过程方程？Tpv取氧气瓶为开口系气体减少u,h,m指瓶中气体状态对于理想气体，且cv=Const取氧气瓶为开口系气体减少u,h,m指瓶中气体状态对于理想取氧气瓶为开口系绝热钢瓶放气，瓶内气体遵循此结论可直接用取氧气瓶为开口系绝热钢瓶放气，瓶内气体遵循此结论可直接用计算练习题（3）一小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱初为真空，由于小瓶漏气，某时刻，小瓶内氦气温度为TA’，箱内氦气温度为TB。氦气为理想气体，试分析TA，TA’，TB的相对大小。TBTA解：预将TA，TA’，TB

联系起来取保温箱为系统较好计算练习题（3）一小瓶氦气，初温为TA，小瓶绝热，保温箱初为计算练习题（3）（续）TBTA解：取保温箱为系统小瓶内气体遵循焓计算练习题（3）（续）TBTA解：取保温箱为系统小瓶内气体遵第三章完

EndofChapterThree第三章完

EndofChapterThree第四章

热力学第二定律SecondLawofThermodynamics第四章

热力学第二定律SecondLawofThe44自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。自然界自发过程都具有方向性

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Spontaneousprocess自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进自然界自热功转换过程功量热过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量火力发电功量40%放热热功转换过程功量热过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量10§4-1热二律的表述与实质

热功转换

传热

热二律的表述有60-70

种

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§4-1热二律的表述与实质热功转换开尔文－普朗克表述

(1851年)

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。Kelvin－PlanckStatement

Itisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.开尔文－普朗克表述(1851年)开尔文－普朗克表述(1851年)

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，而必须将其中的一部分传给冷源。理想气体T膨胀q=wKelvin－PlanckStatement开尔文－普朗克表述(1851年)不可理想气体T

过程q=wT

s

p

v

1

2

热机：连续作功构成循环1

2

有吸热，有放热理想气体T过程q=wTspv12热机：Heatreservoirs

ThermalEnergySource

Heat

ThermalEnergy

Sink热源冷源:容量无限大，取、放热其温度不变

HeatreservoirsTher但违反热力学第二定律Perpetual-motionmachineofthesecondkind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。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环境是个大热源但违反热力学Perpetual-motionmachine克劳修斯表述

(1850年)

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalower-temperaturebodytoahigher-temperaturebody.Clausiusstatement克劳修斯表述(1850年)不可能克劳修斯表述

(1850年)

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。空调,制冷代价：耗功Clausiusstatement克劳修斯表述(1850年)不可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!!!两种表述的关系开尔文－普朗克表述完证明1、违反开表述导致违反克表述

Q1’=WA+Q2’反证法：假定违反开氏表述热机A从单热源吸热全部作功Q1=WA

用热机A带动制冷机B

对于制冷机B

Q1’-Q2’=WA=Q1

Q1’-Q1=Q2’

违反克氏表述

T1

热源AB冷源T2<T1

Q2’Q1’WAQ1证明1、违反开表述导致违反克表述Q1’=WA+Q2证明2、违反克表述导致违反开表述

WA=Q1-Q2反证法：假定违反克氏表述

Q2热量自发地从冷源传到热源热机A从热源吸热Q1

冷源无变化

从热源吸收Q1-Q2全变成功WA

违反开氏表述T1

热源A

冷源T2<T1