热工基础电子教案(4).ppt

1、2.5 状态参数熵,第二定律有多种表述，各种表述是等效的，最根本是告诉我们，所有热过程都是不可逆的，它们的发展是有方向性的。当然，不同的热过程有不同的可逆性，但不同的可逆性不是孤立的，彼此是相互联系的，它们有共同的本质特征。因此，可用同一物理量描述这一本质特征，这个物理量就是熵。所以熵是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力学参数，是一个状态参数。,熵是一个状态参数 由卡诺定理，知道可逆热机效率,显然有： 或 在这个式子的计算中，我们已取了的绝对值，考虑放热为负后，则有：,亦即,卡诺循环是两条等温线，两条绝热线组成，只有在等温过程才有传热。,对任意过程组成的循环而言，可用无数条可逆绝热线把该循环

2、分割成无数个微元卡诺循环，对任意微元卡诺循环(abcd),都有,把所有微元加起来，即,亦即：,从而 可知 的积分与路径无关，那么 一定为某状态参数，令 取名为熵 注意上述的讨论是对可逆过程，所以,kJ/K, J/K (下标re代表可逆),比熵为：（kJ/kgK, J/kgK） 或逆过程的熵变：,2.6 不可逆过程的熵变、熵流和熵产,利用第二定律对热过程方向性的分析和研究，在很多情况下，是利用状态参数熵进行的。熵的本质（不可逆性）是“系统混乱度的量度”,为什么可以用熵来作为不可逆性的标志呢？ 这是在把可逆过程与不可逆过程比较后发现的， 可逆过程时熵变为零，不可逆过程时熵变不为零， 熵变越大（熵增

3、加），过程不可逆性越大。,可逆过程的熵变,引进熵时，利用了可逆卡诺循环的效率公式，在那里指出,对任意可逆循环 这时称 为熵 不可逆过程熵变会如何呢？,对如图所示的不可逆过程,可用以前相同的分析方法，将循环用无数条绝热线化分，分成无数个微小循环。,可用以前相同的分析方法，将循环用无数条绝热线化分，分成无数个微小循环。 对每个不可逆循环，卡诺定理指出，其效率小于同限温差下的卡诺循环效率：即,再考虑系统吸热为负，则可化成,综合全部微元，则有,（等号对应可逆过程）这就是著名的克劳修斯不等式,熵在上面的定义中， 那么，这里的不可逆过程中的 与dS有什么关系呢？,所以有,设有如右图所示的不可逆过程：,其中

4、过程为不可逆过程 为可逆过程 另假设有一路径是可逆过程，那么根据上述分析得：,由上两式可得：,由于为可逆过程，按熵的定义: 状态变化到状态时:,（由克氏不等式）,（卡诺定理）,所以 :,但熵是一个状态参数，变化只与初终态有关，对上面的或均有,（不可逆时）,（可逆时）,因此可概括为：,可见，不可逆过程中熵变不能用,求得，,对可逆过程可以用 计算熵变,因此，要计算从某初态到终态任何不可逆过程的熵变，只需在初终态间选择任意可逆过程来计算这也是最一般的方法。,在不可逆过程中，熵变d大于过程工质的,那么，将这一差值定义为：,（称为熵产，generation of entropy）,亦即 熵变,一部分是由

5、与外界热交换引起的,为 ，可正可负，称为熵流，记为df。另一部分是由不可逆因素引起的，称为熵产dg，（恒为正） 即：d=df+dg df是传热引起的，可以大于，小于，等于；dg是由不可逆性引起的，只能大于零。dg。不可逆性越大，dg越大。,（熵变分为两部分）,各种不可逆因素不是独立的，第二定律有不同的形式，从这里知道，不可逆性的实质是相同的，均可用dg表示。所以熵产是所有不可逆性大小的共同量度。,2.7 孤立系统的熵增原理（isolated system） 孤立系与外界无任何能量与物质交换，即dQ=0 熵流等于零。 于是孤立系的熵变：diso= dg 也就是说，对任一热力过程iso,熵增原理孤

6、立系统的永不减小（可逆时熵变，不可逆时熵变）,有了熵增原理，就可用之分析热过程的方向，如果某过程是使孤立系的熵增加了，则过程可行，使熵减少了，则不可行。 如果要使熵减少了的过程仍然可行，必须进行补偿，补偿的最少也要使熵变为零。 熵增原理，可以推广到社会科学领域，普利高津城市学、经济学、生物学等领域。,2.8 能量的品质与能量的贬值原理,热量的间接利用的目的，获取功量。 因此，功是人类最可贵的能源，它的可变性也最好，可随意地转变为其它的能量，因而功的能量品质最高。在此，能量不但有数量的多少之分，更有品质的高低之别。能量的品质以它能转换为功的比例决定，转换的比例越高，品质越高。于是，热能Q的品质与

7、它的温度有关，温度高，品质高。,能量的贬值原理任何自发的热过程，都只向着能量品质降低的方向发展，理想情况下，品质不变。,稳定平衡定律：,过程总是朝着单一的方向进行的（单向性），每个中间允许状态只能经历一次（演进性），过程的终态是唯一的（唯一性），当系统达到稳定平衡态时过程就结束（有限性）。过程中系统的能量保持不变（守恒性），但是，系统能量的做功能力（能质）是下降的（衰变性）。过程中在外界不会产生任何影响（孤立性）。,思考题：以下说法有何错误： 1. 熵增大的过程必为不可逆过程； 2. 不可逆过程的S无法计算； 3.若从某一初态沿可逆与不可逆两条途径到达同一终态，则不可逆过程途径的S必大于可逆途

8、径的S ； 4. 工质经历一封闭循环后， S0或S0； 5.工质经历一不可逆循环后，由于 所以,第三章 工质的热力性质,3.1 物质的三态及相变过程 实现热能和机械能之间相互转化的媒介物质称为工质。 纯物质有三种集态形势：固态、液态和气态。又分别称“相”。 （固相、液相 和气相） 相与相之间可以相互存在（共存）也可相互转化 对简单可压缩系，其状态可由两个独立参数决定，对基本状态参数p、v、T而言，满足状态方程F（p，v，T）=0 由p、T为坐标表示的相的变化图称为相图。从相图上可以清楚地看出相的变化关系。,对于确定的物质其三相点的温度和压力是确定的：比如水：p=1atm时；T=273.15K,

9、3.2 理想气体的热力性质,3.2.1 理想气体及其状态方程 气体是由许多微小的分子或原子组成的，各分子或原子在剧烈的运动，相互之间还要互相影响。所以它们的运动是很复杂的。但在许多情况下可以简化。比如，大多数情况下，气体分子满足： 1）气体分子都是不占体积的弹性质点（高温低压时）。 2）相互之间没有任何作用力（分子之间较远）。 凡是满足上面两个条件的气体称为理想气体。,克拉贝龙在总结前人研究成果的基础上，发现在大多数情况下，气体满足如下方程：,（函数关系） 称为理想气体状态方程（也可由分子运动论导出） p绝对压力，Pa；v 比容，m3 /kg；T 绝对温度，K； R 气体常数，J/kgK。 工

10、程上还经常用到以mol或kmol为单位的气体方程。 mol 质量以g为单位的气体分子量。,设系统所含物质量为m，mol数为N，物质所占容积为V，mol质量M。则,（；） （或） 对理想气体方程 两边同乘M,得 又因为,所以,此即为以mol数为单位的理想气体方程。 阿伏伽德罗定律指出：同温同压下，任何气体的mol容积都相等。由此可推断，RM应是一个与气体性质和状态无关的常数通用气体常数。 在标准状态下（p=1.013105Pa; T0=273.15K） 任何气体的mol容积VM0=22.4110-3m-3 /mol 所以：,显然： 对不同的气体有不同的值,对m kg 的气体： 对N mol的气体

11、：,22 理想气体的比热容,单位物质升高1C所需的热量城为比热容，简称比热。,或,物质单位有质量、mol和容积，比热有三种 ：,质量比热： c,mol比热： C,容积比热：,（下标0为标准立方米）,吸热量与过程有关，在定容过程和定压过程中的吸热量不同。所以还分定容比热和定压比热两种。,对闭系，第一定律给出：,定容过程,，所以,定压过程,，所以,上两式适合一切气体。,对理想气体而言：气体分子相互间无作用，仅存在于温度有关的内动能，所以理想气体内能是温度的单值函数，即,所以,焓,所以,由此可知：理想气体的定容、定压比热容只是温度的函数。,理想气体定压比热容与定容比热容之差,两边同乘以质量,，得：,由于比热容是温度的函数，所以使用起来不太方便，工程上在精度要求不高时理论计算常常使用定值比热。工程上通常把它用图表来表示，或将它展开成多项式，比如:,更多的时候，是采用平均比热。即在一定温度范围内计算出比热变化的平均值，那么,定值比热可以根据气体分子的状况有所改变。对理