热力学第二定律PPT.ppt

1、第四章 热力学第二定律,学习导引,热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方 向、条件和限度。热力学第二定律与热力学第一定律是热力 学的两个最基本定律，共同组成了热力学的理论基础。 本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述，阐述了 热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理 等有关知识。,学习要求,1. 了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评 价循环经济性的指标：热效率t、制冷系数、制热系数。 2.理解热力学第二定律的实质和表述；明确热力学第二 定律在判断热力过程方向上的重要作用。 3.掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实 际的指导意义。 4.了解熵的基本概念和

2、熵增原理。,本章难点,热力学第二定律比较抽象，较难理解。学习中应将抽象 的表述与日常生活及工程实际中的实例联系起来进行思 考就会容易理解一些。 熵的概念和熵增原理比较抽象，较难理解。学习中应结 合不可逆因素进行思考就会容易理解一些。,第一节 热力循环,什么是热力循环?,可逆循环,不可逆循环,工质经过一系列状态变化后，又回复到原来状态的全部过程称为热力循环，简称循环。,热力循环分类,全部由可逆过程组成的循环,组成循环的全部过程不均为可逆过程,正向循环,逆向循环,根据热力循环所产生的不同效果,可逆循环可以表示在状态参数坐标图 上，且为一条封闭的曲线。,热力循环,一、正向循环和热效率,将热能转变为机

3、械能的循环称为正向循环,也称为动力循环或热机循环 。,1. 正向循环,一切热力发动机都是按正向循环工作的。,正向循环在p-v图上按顺时针方向进行。,设1kg工质在热机中进行一个正向循环1234l,1-2-3: 膨胀过程,作膨胀功123v3v11,3-4-1: 压缩过程，作压缩功341v1v33,工质从高温热源T1吸热q1，向T2放热q2, 循环净功w0,在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量的比值称为热效率。,2. 热效率t,正向循环,循环热效率t用来评价正向循环的 热经济性。,显然， t 1。,适用于 任何循环,二、逆向循环和工作系数,消耗机械能（或其它能量），将热量从低温热源传递到高温

4、热源的循环, 如制冷装置和热泵循环。,1. 逆向循环,消耗功是完成逆向循环的必要条件。,逆向循环在p-v图上按逆时针方向进行。,设1kg工质在热机中进行一个逆向循环14321,1-4-3: 膨胀过程,作膨胀功143v3v11,3-2-1: 压缩过程，作压缩功321v1v33,工质从低温热源T2吸热q2，向T1放热q1,或, 消耗净功w0,逆向循环中向高温热源放出的热量，来自于从低温热源的吸热量和消耗的循环净功,工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值，用以衡量逆向循环的热经济性 。,2. 工作系数,逆向循环,制冷系数 制冷装置的工作系数,制热系数 热泵装置的工作系数,可能大于、等于或小于1，

5、而 总是大于1。,适用于 任何循环,适用于 任何循环,第二节 热力学第二定律,一、过程的方向性与不可逆性,自然界中的一切热力过程均有方向性和不可逆性。,自发过程,自发过程都具有方向性, 且都为不可逆过程。,非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。,不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。否则为非自发过程。,如热量传递、水的流动、气体的混合等,二、热力学第二定律的实质和表述,热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中 有关传递方向、转化的条件和限度等问题。,针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述， 但其实质等效。,1. 克劳修斯（Clausius）表述 不可能把热量从低温物体传向高温

6、物体而不引起其它 变化。,它是从热量传递过程来表达热力学第二定律的。,如制冷机或热泵装置的工作需消耗能量进行补偿,热力学第二定律,2.开尔文普朗克（KelvinPlank）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。,它是从热功转换过程来表述热力学第二定律的。,如热机的工作,“第二类永动机不可能实现”。,热力学第二定律的实质是能量贬值原理。,第三节 卡诺循环与卡诺定律,一、卡诺循环及热效率,卡诺循环是法国工程师卡诺（Carnot）于1824年提出的一种理想热机循环。它是工作于两个恒温热源间的，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环。,卡诺循环解决了在确定

7、的工作条件下热机 的工作效率可能达到的极限问题。,卡诺循环,卡诺循环在p-v图和T-s图上的表示:,a-b: 定温可逆吸热膨胀过程, 工质从T1吸热q1, 在T1下由a 膨胀至b,并对外界作膨功；,对1kg工质:,b-c: 绝热可逆膨胀过程, 工质由b膨胀至c,由T1 降至T2，并对外界作膨胀功；,c-d: 定温可逆放热压缩过程, 工质由c在T2下向T2 放热q2被压缩为d，外界对工质作压缩功；,d-a: 绝热可逆压缩过程，工质由d经可逆绝热压缩 回到a，由T2升至T1，外界对工质作压缩功。,恒温热源,恒温热源,卡诺循环热效率,由T-s图,由正向循环热效率,过程b-c、d-a为定熵过程，故,结

8、论：,（1）卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度T1 与低温热源的温度T2，而与工质的性质无关。提高高温热 源的温度T1，或降低低温热源的温度T2，都可以提高热效 率。,（2）因为T20，所以热效率总小于1。,（3）若T1T2，则，,卡诺循环热效率,只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的。,即:,二、逆卡诺循环,卡诺循环沿相反方向进行，即为逆卡诺循环。,逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反， 工质从低温热源吸热q2，向高温热源放热q1，并接受外界作功w0。,制冷系数,供热系数,逆卡诺循环在p-v图和T-s图上的表示,供热系数：,逆卡诺循环,逆卡诺循环是制冷循环和热泵循环的理想循环。,

9、制冷系数:,逆卡诺循环,结论：,（1）逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热源温度T1和低温热源温度T2。且随高温热源温度T1的降低或低温热源温度T2的提高而增大。,（2）逆卡诺循环的制热系数总是大于1，而其制冷系 数可以大于l、等于1或小于l。在一般情况下，由于T2（T1-T2），所以制冷系数也是大于1的。,三、卡诺定律,卡诺定律可表述为： （1）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的 一切热机，可逆热机的热效率最高。 （2）在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的 一切可逆热机，其热效率相等。,卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的重要意义: 它解决了热机热效率的极限问题，指出了提高热

10、效率 的途径。虽然卡诺循环在实际工程中无法实现，但它给实 际热机的循环提供了改进方法和比较标准。,例4-1 某热机在高温热源1000K和低温热源300K之间工作。问能否实现对外作功1000kJ，向低温热源放热200kJ。,解：计算该热机从高温热源吸热量 Q1Q2W020010001200（kJ） 该热机的热效率 在相同条件下工作的可逆热机的热效率 ，显然这一结果违反了卡诺定理，因此不能实现。,例4-2 利用以逆卡诺循环工作的热泵作为一住宅的采暖设备。已知室外环境温度为-10，为使住宅内温度保持20，每小时需供给105kJ的热量。试求（1）该热泵每小时从室外吸取的热量；（2）热泵所需功率；（3）

11、若直接用电炉取暖，电炉的功率应为多少？,解:（1）该热泵的制热系数为 又由于 故热泵每小时从室外的吸热量为 （2）热泵所需功率为 P=Q1-Q2=（105-89765）=10235（kJ/h）=2.84kW （3）电炉采暖所需功率为 P1=Q1=105（kJ/h）=27.78 kW,第四节 熵与熵增原理,一、熵的基本概念,熵S是由热力学第二定律推导出的状态参数。,熵的微分定义式为,适用于任何热力系的任何热力过程,可逆过程中1、2两平衡态的熵差为,关于熵的几点说明：,（1）熵是状态参数，当热力系平衡态确定后，熵就完全确定了， 与通过什么路径（过程）到达这一平衡态无关。 （2）无论过程是否可逆,

12、计算两个状态的熵差时，可选任一连接两 状态的可逆过程进行计算。 （3）熵具有可加性, 热力系的熵等于热力系内各个部分熵的总和。 （4）从微观上看，熵与热力系内部分子运动的混乱程度有关。熵 是热力系内部分子混乱程度的量度。熵值较小的状态对应于较为有序 的状态，熵值较大的状态，对应于较为无序的状态。,熵,例如，随着物质固液气的相变过程进行，熵是递增的，物质内部分子运动的混乱程度同样也是递增的。,二、熵增原理,对孤立系统的可逆过程Q=0，则,热温比的积分值，恒小于热力系终、初态的熵差,对孤立系统的不可逆过程,对于孤立系统，有,上式为普遍的热力学第二定律的数学表达式, 也是用熵概念表述的热力学第二定律。,若为绝热过程，则有,由于Q=0,S=0,表明:,热力系从一平衡态经绝热过程到达另一平衡态，它的 熵永不减少。若过程是可逆的，则熵不变；如果过程是不 可逆的，则熵值增加。这就是熵增原理。,熵增原理,不可逆绝热过程总是向着熵增加的方向进行的，可逆 绝热过程则是沿着等熵