热工基础 第四章.热力学第二定律课件

第四章热力学第二定律

4－1自发过程的方向性与热力学第二定律的表述

热力学第一定律阐明了热能和机械能以及其它形式的能量在传递和转换过程中数量上的守恒热力学第二定律揭示了热力过程发生的、条件和限度。1.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。

12．热力学第二定律的表述

自发过程是不可逆的。

要想使自发过程逆向进行，就必须付出某种代价，或者说给外界留下某种变化。

随自然界中热过程的种类不同，热力学第二定律有多种表述方式，并且彼此是等效的。克劳修斯表述：

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。

开尔文－普朗克表述：

不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。第二类永动机是不可能制造成功的。24－2

卡诺循环与卡诺定理

1.热力循环

热力循环：工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。可逆循环：全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆过程的循环。(1)正向循环：将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。pv3高温热源吸热Q1热机Wnet放热Q2低温热源经过一个正向循环，根据热力学第一定律，

循环热效率：循环热效率t用来评价正向循环的热经济性。显然，t<1。5(2)逆向循环：

消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如制冷装置循环或热泵循环。在p-v与T-s图上，逆向循环按逆时针方向进行。6高温热源放热Q1热泵Wnet吸热Q2低温热源根据热力学第一定律，

通常用工作系数评价逆向循环的热经济性。

制冷系数：制冷装置工作系数供热系数：热泵工作系数72．卡诺循环

卡诺循环是法国工程师卡诺（S.Carnot）于1824年提出的一种理想热机工作循环，它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。

卡诺循环热效率：8结论：

(1)卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度与低温热源的温度，而与工质的性质无关;

(2)卡诺循环的热效率总是小于1，不可能等于1，因为T1→∞或T2＝0K都是不可能的。这说明通过热机循环不可能将热能全部转变为机械能;

(3)当T1=T2时，卡诺循环的热效率等于零，这说明没有温差是不可能连续地将热能转变为机械能，只有一个热源的热机（第二类永动机）是不可能的。10单一热源热机，违背热力学第二定律假如t,R1t,R2R1带动R2逆向运行R1带动R2逆向运行t,R1t,R2、t,R1<t,R2不可能t,R1＝t,R2124-3熵1．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14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，15一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,即

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。

162.克劳修斯不等式与不可逆过程熵的变化对于质量为m

的工质，（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Q取代数值17

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，对任意一个不可逆微元循环，

对整个不可逆循环积分

上式称为克劳修斯不等式，适用于任意不可逆循环。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。18对于微元过程，可判断过程能否进行、是否可逆、不可逆性大小。热力学第二定律表达式根据上式，可以将熵的变化分成两部分：，dSf

称为熵流。吸热：dSf

>0；放热：dSf

<0；绝热：dSf

＝0；dSg称为熵产，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。

20闭口系统的熵方程注意：对于质量为m

的工质，（1）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；（2）不可逆过程熵的变化可以在给定的初、终态之间任选一可逆过程进行计算。

（3）对于固体或液体，压缩性很小，dV0，c=const21（2）作功能力的损失作功能力: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。作功能力损失与孤立系统熵增的关系：高温热源

TRIR环境

T0Q1Q1'Q2'Q2WRWIR由卡诺定理可知，

23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

244-41．的定义

热力学第二定律指出，单一热源的热机是不可能的；热机的热效率永远小于1；任何循环的热效率都不可能超出工作在相同温度范围的卡诺循环的热效率。热能和机械能的不等价性。为了综合衡量能量的“量”与“质”，引入一个新的参数—系统在某一状态所具有的能量中理论上可以转换为其它任何形式能的最大数量称为系统在该状态的

。

就是系统的作功能力。

262．热量

在给定的环境条件（环境温度为T0）下，热量中最大可能转变为有用功的部分称为热量，用Ex,Q表示。

假设有一温度为T的热源（T>T0），传出的热量为Q，则其热量等于在该热源与环境之间工作的卡诺热机所能作出的功，即

如果热源温度随热量的传递而变化，可假想在热源与环境之间有无穷多个微卡诺循环，273.稳定流动工质的

在除环境之外没有其它热源的情况下，稳定流动工质由所处的状态可逆地变化到与环境相平衡的状态时所能作出的最大有用功称为该工质在所处状态的。进口状态：A(T、p、h、s）出口状态：A-a：可逆绝热膨胀a-0：可逆定温膨胀0(T0、p0、h0、s0）28单位质量工质从状态1稳定流动到状态2，理论上所能作出的最大有用功等于两状态的比焓之差如果在状态变化过程中还从环境以外的热源吸收了热量，则这一过程中理论上所能作出的最大有用功还应包括比热量ex,Q，即可见，如果环境恒定不变，则稳定流动工质的比焓只与工质的热力状态有关。30将上式改写成损失的表达式该式为不可逆稳定流动过程的平衡方程式。

热工系统的热能利用程度可以通过列出其平衡方程式来加以分析（分析），因为分析可以清楚地揭示出导致作功能力损失的原因和部位，从而为系统的改进提供有力的依据。分析对合理用能及节能具有重要的指导意义。实际过程是不可逆的，必然有作功能力损失，即损失,用ex,I

表示，则实际对外输出的功为31第四章小结重点掌握以下内容：（1）热力学第二定律的实质及表述；（2）热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济性的描述方法