第四章---热力学第二定律ppt课件.ppt

第一篇第一篇 工程热力学工程热力学 昆明理工大学航空学院张靠民张靠民第四章第四章 热力学第二定律热力学第二定律热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能的过程是否都能自发进行自发进行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关系。递和转换过程中数量上的守恒关系。第四章第四章 热力学第二定律热力学第二定律QW热源热源 功源功源WUQUWQ 或wuq单位质量工质单位质量工质wduq微元过程微元过程吸热 0q放热 0q内能增加 0u内能减少 0u系统对外作功 0w外界对系统作功 0w41 1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 1 1. . 自发过程的方向性自发过程的方向性 自发过程：自发过程： 不需要任何外界作用而自动进行的过程不需要任何外界作用而自动进行的过程 自发过程是不可逆的；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。给外界留下某种变化。 自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性l 热量由高温物体传向低温物体；热量由高温物体传向低温物体；l 摩擦生热：飞机刹车，轮胎和地面摩擦生热，反之则不行；摩擦生热：飞机刹车，轮胎和地面摩擦生热，反之则不行；l 水自动地由高处向低处流动；水自动地由高处向低处流动；l 电流自动地由高电势流向低电势。电流自动地由高电势流向低电势。 2热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 揭示了自然界中一切热过程进行的方向、条件和限度。揭示了自然界中一切热过程进行的方向、条件和限度。随自随自然界中热过程的种类不同，热力学第二定律有多种表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。述方式，并且彼此是等效的。 41 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 能不能找出能不能找出共同共同的规律性的规律性? ?能不能找到一个能不能找到一个判据判据? ?热力学第二定律热力学第二定律理想气体理想气体 T 过程过程 q = = wp v 1 2 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述：热功转换的角度，开尔文热功转换的角度，开尔文18511851年提出，年提出，普朗克普朗克18971897年提出。年提出。 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其不产生其它影响它影响。例如：理想气体定温膨胀，热全部变成了功，但气体。例如：理想气体定温膨胀，热全部变成了功，但气体状态发生了变化。状态发生了变化。 41 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 开尔文：英国物理学家。热、电、光、地球物理、流体力学、数学、工程学。1858年装设第一条大西洋海底电缆。但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律第二类永动机：第二类永动机：设想的从单一热源取热并设想的从单一热源取热并 使之完全变为功的热机。使之完全变为功的热机。这类永动机这类永动机并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的41 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源必须将某一部分传给冷源。空调，制冷空调，制冷代价：耗功代价：耗功克劳修斯表述：克劳修斯表述：热量传递的角度。热量传递的角度。 不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化！不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化！ 41 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 1850年克劳修斯发表论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律的论文。德国物理学家，法国科学院院士，英国皇家学会会长。德国物理学家，法国科学院院士，英国皇家学会会长。两句名言（两句名言（18651865）：宇宙的能量是守恒的；）：宇宙的能量是守恒的； 宇宙的熵趋向一个最大值。宇宙的熵趋向一个最大值。热二律的实质热二律的实质 自发过程都是具有方向性的；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；表述之间等价不是偶然，说明共同本质； 若想逆向进行，必付出代价若想逆向进行，必付出代价热力学第二定律揭示了热力过程发生的方向、条件和限度。热力学第二定律揭示了热力过程发生的方向、条件和限度。41 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 热一律否定第一类永动机热一律否定第一类永动机热一律与热一律与热二律热二律 t 100不可能不可能热二律否定第二类永动机热二律否定第二类永动机 t =100不可能不可能41 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 4 42 2 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理 1. 热力循环热力循环 热力循环：热力循环：工质经过一系列的状态变化，重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。新回复到原来状态的全部过程。可逆循环：可逆循环： 全部由可逆过程组成全部由可逆过程组成 不可逆循环：不可逆循环： 部分过程或全部过程是不可逆过程部分过程或全部过程是不可逆过程正向循环：正向循环： 将热能转变为机械能的循环，将热能转变为机械能的循环，动力循环动力循环/ /热机循环。热机循环。 p v可逆？可逆？效果？效果？逆向循环：消耗外界功，将热量从低温热源传递到逆向循环：消耗外界功，将热量从低温热源传递到 高温热源。空调高温热源。空调 正向循环示意图：正向循环示意图：在在p-vp-v与与T-sT-s图上，正向循环按顺时针方向进行。图上，正向循环按顺时针方向进行。 net1 22 1abWWW1 23412 1432ab面积面积面积面积netWnetQnet12QQQ1 23412 1432ab面积面积面积面积4 42 2 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理 高温热源高温热源吸热吸热Q1热机热机放热放热Q2低温热源低温热源经过一个正向循环，经过一个正向循环， d0U 根据热力学第一定律，根据热力学第一定律， net12WQQ循环热效率循环热效率 ：net122t1111WQQQQQQ 循环热效率循环热效率 t t用来评价正向循环的热经济性。显然，用来评价正向循环的热经济性。显然， t t 1 不可逆）不可逆） 4 43 3 熵熵对于微元过程，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dQST根据上式，可以将熵的变化分成两部分：根据上式，可以将熵的变化分成两部分：gddQSSTfgddSS，dSdSf f 称为熵流，热交换。称为熵流，热交换。fdQST吸热：吸热：dSdSf f 0 0；放热：放热：dSdSf f 0 0；绝热：绝热：dSdSf f 0 0；dSdSg g称为熵产，是由于称为熵产，是由于过程不可逆过程不可逆造成的熵变。造成的熵变。过程不可逆性愈大，熵产愈大，过程不可逆性愈大，熵产愈大， dSdSg g 0 0 。熵产是过程不可逆性大小的度量。熵产是过程不可逆性大小的度量。 4 43 3 熵熵闭口系统的熵方程闭口系统的熵方程注意：注意： fgSSS 对于质量为对于质量为 m m 的工质，的工质，（1 1）比熵是状态参数，只要初、终态相同，无论经历什么过）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。程，工质熵的变化都相等。（2 2）不可逆过程熵的变化可以在给定的初、终态之间任选一）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。可逆过程进行计算。 （3 3）对于固体或液体，压缩性很小，）对于固体或液体，压缩性很小，dV dV 0 0，pVcccddQmc TSTT21lnTSmcTc=const4 43 3 熵熵3孤立系统熵增原理与作功能力损失孤立系统熵增原理与作功能力损失 （1 1）孤立系统熵增原理）孤立系统熵增原理 对于孤立系统，对于孤立系统， fd0QST上式表明：上式表明：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。这孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。这一规律称为孤立系统熵增原理。一规律称为孤立系统熵增原理。 孤立系统熵增原理说明，一切实际过程都一定朝着使孤立系统孤立系统熵增原理说明，一切实际过程都一定朝着使孤立系统的熵增大的方向进行，任何使孤立系统的熵减小的过程都是不能的熵增大的方向进行，任何使孤立系统的熵减小的过程都是不能发生的。发生的。 isog0SS 上式揭示了一切热力过程进行时所必须遵循的客观规律，突上式揭示了一切热力过程进行时所必须遵循的客观规律，突出地反映了热力学第二定律的本质，是热力学第二定律的另一种出地反映了热力学第二定律的本质，是热力学第二定律的另一种数学表达式。数学表达式。 4 43 3 熵熵（2 2）作功能力的损失）作功能力的损失作功能力作功能力: : 在给定的环境条件下，系统达到与环境热力平衡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。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，就会使包含在内的孤立系统的熵增加。失，就会使包含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作功能力损失与孤立系统熵增的关系：关系： TRIR T0Q1Q1Q2Q2WRWIR由卡诺定理可知，由卡诺定理可知， t,Rt,IRRIR11WWQQ4 43 3 熵熵令令 11QQRIRWW由不可逆引起的功的损失为由不可逆引起的功的损失为 RIRIWW1212()()QQQQ22QQ如果将热源、环境、可逆热机如果将热源、环境、可逆热机R R、不可逆热机、不可逆热机IRIR及蓄功器合起来看作一个孤立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系统，则经过一个工作循环后，此孤立系统的熵增为 0isoTTSSS 112200QQQQTTTT ，又对于可逆热机，又对于可逆热机， 120/Q TQT因为因为 11QQ22iso00QQSTT220QQT0IT4 43 3 熵熵习题 教材教材101页：页：思考题：自习。思考题：自习。习题： 4-1、4-3、4-6、4-17