热力学第二定律PPT幻灯片.ppt

热力学第二定律PPT第1页，共29页，编辑于2022年，星期日学习导引学习导引 热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方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向、条件和限度。热力学第二定律与热力学第一定律是热力向、条件和限度。热力学第二定律与热力学第一定律是热力向、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。学的两个最基本定律，共同组成了热力学的理论基础。学的两个最基本定律，共同组成了热力学的理论基础。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，阐述了本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述，阐述了本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述，阐述了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热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理等有关知识。等有关知识。等有关知识。等有关知识。第2页，共29页，编辑于2022年，星期日学习要求学习要求 1.1.了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评价循环经济性的指标：热效率价循环经济性的指标：热效率价循环经济性的指标：热效率价循环经济性的指标：热效率 t t、制冷系数、制冷系数、制冷系数、制冷系数 、制热系数、制热系数、制热系数、制热系数 。2.2.理解热力学第二定律的实质和表述；明确热力学第二理解热力学第二定律的实质和表述；明确热力学第二理解热力学第二定律的实质和表述；明确热力学第二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。定律在判断热力过程方向上的重要作用。定律在判断热力过程方向上的重要作用。定律在判断热力过程方向上的重要作用。3.3.掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实际的指导意义。际的指导意义。际的指导意义。际的指导意义。4.4.了解熵的基本概念和熵增原理。了解熵的基本概念和熵增原理。了解熵的基本概念和熵增原理。了解熵的基本概念和熵增原理。第3页，共29页，编辑于2022年，星期日本章难点本章难点 热力学第二定律比较抽象，较难理解。学习中应将抽象热力学第二定律比较抽象，较难理解。学习中应将抽象热力学第二定律比较抽象，较难理解。学习中应将抽象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的表述与日常生活及工程实际中的实例联系起来进行思的表述与日常生活及工程实际中的实例联系起来进行思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。考就会容易理解一些。考就会容易理解一些。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。学习中应结熵的概念和熵增原理比较抽象，较难理解。学习中应结熵的概念和熵增原理比较抽象，较难理解。学习中应结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。合不可逆因素进行思考就会容易理解一些。合不可逆因素进行思考就会容易理解一些。合不可逆因素进行思考就会容易理解一些。第4页，共29页，编辑于2022年，星期日第一节第一节 热力循环热力循环 什么是什么是热力循环热力循环?可逆循环可逆循环不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工质经过一系列状态变化后，又回复到原来状态的全工质经过一系列状态变化后，又回复到原来状态的全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部过程称为部过程称为部过程称为热力循环热力循环热力循环热力循环，简称，简称，简称，简称循环循环循环循环。热力循环分类热力循环分类全部由全部由可逆过程可逆过程组成的循环组成的循环组成循环的全部过程不均为可逆过程组成循环的全部过程不均为可逆过程正向循环正向循环逆向循环逆向循环根据热力循环所产根据热力循环所产根据热力循环所产根据热力循环所产生的不同效果生的不同效果生的不同效果生的不同效果 第5页，共29页，编辑于2022年，星期日 可逆循环可逆循环可以表示在状态参数坐标图可以表示在状态参数坐标图上，且为一条上，且为一条封闭的曲线封闭的曲线。热力循环热力循环第6页，共29页，编辑于2022年，星期日一、正向循环和热效率一、正向循环和热效率 将将热能热能转变为转变为机械能机械能的循环称为正向循环的循环称为正向循环,也称为也称为动力动力循环循环或或热机循环热机循环 。1.正向循环正向循环 一切一切热力发动机热力发动机都是按正向循环工作的。都是按正向循环工作的。正向循环在正向循环在p-v图上按顺时针方向进行图上按顺时针方向进行。设设1kg工质在热机中进行一个正向循环工质在热机中进行一个正向循环1234l 1-2-3:膨胀过程膨胀过程,作膨胀功作膨胀功123v3v11 3-4-1:压缩过程，作压缩功压缩过程，作压缩功341v1v33 工质从高温热源工质从高温热源T1吸热吸热q1，向，向T2放热放热q2 循环净功循环净功w0 第7页，共29页，编辑于2022年，星期日 在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量的比在正向循环中，所获得的机械能与所付出的热量的比值称为热效率。值称为热效率。2.热效率热效率 t 正向循环正向循环 循环热效率循环热效率循环热效率循环热效率 t t用来评价用来评价用来评价用来评价正向循环正向循环正向循环正向循环的的的的 热经济性。热经济性。热经济性。热经济性。显然，显然，显然，显然，t t 1 1。高温热源高温热源高温热源高温热源T T1 1q q1 1工质工质工质工质WW0 0=q q1 1-q q2 2q q2 2低温热源低温热源低温热源低温热源T T2 2适用于适用于任何循环任何循环第8页，共29页，编辑于2022年，星期日二、逆向循环和工作系数二、逆向循环和工作系数 消耗机械能（或其它能量）消耗机械能（或其它能量）消耗机械能（或其它能量）消耗机械能（或其它能量），将热量从低温热源传递，将热量从低温热源传递，将热量从低温热源传递，将热量从低温热源传递到高温热源的循环到高温热源的循环到高温热源的循环到高温热源的循环,如如如如制冷装置制冷装置制冷装置制冷装置和和和和热泵循环热泵循环热泵循环热泵循环。1.逆向循环逆向循环 消耗功是完成逆向循环的必要条件。消耗功是完成逆向循环的必要条件。逆向循环在逆向循环在p-v图上按逆时针方向进行图上按逆时针方向进行。设设1kg工质在热机中进行一个逆向循环工质在热机中进行一个逆向循环14321 1-4-3:膨胀过程膨胀过程,作膨胀功作膨胀功143v3v11 3-2-1:压缩过程，作压缩功压缩过程，作压缩功321v1v33 工质从低温热源工质从低温热源T2吸热吸热q2，向，向T1放热放热q1 或或 消耗净功消耗净功w0 逆向循环中向高温热源放出的热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量，来自于从低温热源的吸热量和消耗的循环净功和消耗的循环净功 第9页，共29页，编辑于2022年，星期日 工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值，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用以衡量逆向循环的热经济性。2.工作系数工作系数 逆向循环逆向循环 制冷系数制冷系数制冷系数制冷系数 制冷装置的工作系数制冷装置的工作系数制冷装置的工作系数制冷装置的工作系数高温热源高温热源高温热源高温热源T T1 1q q1 1工质工质工质工质WW0 0=q q1 1-q q2 2q q2 2低温热源低温热源低温热源低温热源T T2 2 制热系数制热系数制热系数制热系数 热泵装置的工作系数热泵装置的工作系数热泵装置的工作系数热泵装置的工作系数 可能大于、等于或小于可能大于、等于或小于1，而而 总是大于总是大于1。适用于适用于任何循环任何循环适用于适用于任何循环任何循环第10页，共29页，编辑于2022年，星期日第二节第二节 热力学第二定律热力学第二定律 一、过程的方向性与不可逆性一、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。自然界中的一切热力过程均有方向性和不可逆性。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。自发过程自发过程自发过程自发过程都具有方向性都具有方向性,且都为且都为不可逆过程不可逆过程。非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。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。否不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。否不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。否不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。否则为则为则为则为非自发过程非自发过程非自发过程非自发过程。如热量传递、水的流动、气如热量传递、水的流动、气体的混合等体的混合等第11页，共29页，编辑于2022年，星期日二、热力学第二定律的实质和表述二、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有关传递方向方向、转化的、转化的条件条件和和限度限度等问题。等问题。针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，但其实质等效但其实质等效。1.克劳修斯（克劳修斯（Clausius）表述）表述 不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。变化。它是从它是从热量传递过程热量传递过程来表达热力学第二定律的。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如制冷机或热泵装置的工作需消耗能量进行补偿能量进行补偿 第12页，共29页，编辑于2022年，星期日热力学第二定律热力学第二定律2.开尔文普朗克（开尔文普朗克（KelvinPlank）表述）表述 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产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。生其它影响。它是从它是从热功转换过程热功转换过程来表述热力学第二定律的。来表述热力学第二定律的。如热机的工作如热机的工作“第二类永动机不可能实现第二类永动机不可能实现”。热力学第二定律的实质是热力学第二定律的实质是能量贬值原理能量贬值原理。第13页，共29页，编辑于2022年，星期日第三节第三节 卡诺循环与卡诺定律卡诺循环与卡诺定律 一、卡诺循环及热效率一、卡诺循环及热效率 卡诺循环卡诺循环是法国工程师卡诺（是法国工程师卡诺（Carnot）于）于）于）于1824年提出的一种年提出的一种年提出的一种年提出的一种理想热机循环理想热机循环理想热机循环理想热机循环。它是工作于。它是工作于两个两个两个两个恒温热源恒温热源恒温热源恒温热源间的，由间的，由两个可逆定温过程两个可逆定温过程和和和和两个可逆绝两个可逆绝热过程热过程所组成的所组成的所组成的所组成的可逆正向循环可逆正向循环可逆正向循环可逆正向循环。卡诺循环解决了在确定的工作条件下热机卡诺循环解决了在确定的工作条件下热机的工作效率可能达到的极限问题。的工作效率可能达到的极限问题。第14页，共29页，编辑于2022年，星期日卡诺循环卡诺循环卡诺循环在卡诺循环在p-v图图和和T-s图上的表示图上的表示:a-b:定温可逆吸热膨胀过程定温可逆吸热膨胀过程,工质从工质从T1吸热吸热q1,在在T1下由下由a 膨胀至膨胀至b,并对外界作膨功；并对外界作膨功；对对1kg工质工质:b-c:绝热可逆膨胀过程绝热可逆膨胀过程,工质由工质由b膨胀至膨胀至c,由由T1 降至降至T2，并对外界作膨胀功；，并对外界作膨胀功；c-d:定温可逆放热压缩过程定温可逆放热压缩过程,工质由工质由c在在T2下向下向T2 放热放热q2被压缩为被压缩为d，外界对工质作压缩功；，外界对工质作压缩功；d-a:绝热可逆压缩过程绝热可逆压缩过程，工质由，工质由d经可逆绝热压缩经可逆绝热压缩 回到回到a，由，由T2升至升至T1，外界对工质作压缩功。，外界对工质作压缩功。恒温恒温热源热源恒温热恒温热源源第15页，共29页，编辑于2022年，星期日卡诺循环热效率卡诺循环热效率由由T-s图图 由正向循环热效率由正向循环热效率 过程过程b-c、d-a为定熵过程，故为定熵过程，故 第16页，共29页，编辑于2022年，星期日结论结论：（1 1）卡诺循环的热效率）卡诺循环的热效率）卡诺循环的热效率）卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度只取决于高温热源的温度只取决于高温热源的温度只取决于高温热源的温度T T1 1与低温热源的温度与低温热源的温度与低温热源的温度与低温热源的温度T T2 2，而与工质的性质无关。提高高温热，而与工质的性质无关。提高高温热，而与工质的性质无关。提高高温热，而与工质的性质无关。提高高温热源的温度源的温度源的温度源的温度T T1 1，或降低低温热源的温度，或降低低温热源的温度，或降低低温热源的温度，或降低低温热源的温度T T2 2，都可以提高热效，都可以提高热效，都可以提高热效，都可以提高热效率。率。率。率。（2 2）因为）因为）因为）因为T T2 20 0，所以，所以，所以，所以热效率总小于热效率总小于热效率总小于热效率总小于1 1。（3 3）若）若）若）若T T1 1 T T2 2，则，则，则，则，卡诺循环热效率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只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的。即即:第17页，共29页，编辑于2022年，星期日二、逆卡诺循环二、逆卡诺循环卡诺循环沿相反方向进行，即为卡诺循环沿相反方向进行，即为逆卡诺循环逆卡诺循环。逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反，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工质从低温热源吸热q2，向高温热源放热向高温热源放热q1，并，并接受外界作接受外界作功功w0。制冷系数制冷系数 供热系数供热系数供热系数供热系数逆卡诺循环在p-v图和T-s图上的表示第18页，共29页，编辑于2022年，星期日 供热系数供热系数供热系数供热系数：逆卡诺循环逆卡诺循环逆卡诺循环是逆卡诺循环是制冷循环制冷循环和和热泵循环热泵循环的理想循环的理想循环。制冷系数制冷系数:第19页，共29页，编辑于2022年，星期日逆卡诺循环逆卡诺循环结论结论：（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）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和和低温热源温度低温热源温度T2。且随高温热源温度。且随高温热源温度T1的降低或低温热源温度的降低或低温热源温度T2的的提高而增大。提高而增大。（2）逆卡诺循环的制热系数总是大于逆卡诺循环的制热系数总是大于1，而其制冷系，而其制冷系数可以大于数可以大于l、等于、等于1或小于或小于l。在一般情况下，由于。在一般情况下，由于T2（T1-T2），），所以所以制冷系数也是大于制冷系数也是大于1的的。第20页，共29页，编辑于2022年，星期日三、卡诺定律三、卡诺定律卡诺定律可表述为：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）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。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）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。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卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的重要意义重要意义:它解决了热机热效率的极限问题，指出了提高热效率它解决了热机热效率的极限问题，指出了提高热效率的途径。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。际热机的循环提供了改进方法和比较标准。第21页，共29页，编辑于2022年，星期日 例例4-1 某热机在高温热源某热机在高温热源1000K1000K和低温热源和低温热源300K300K之间工作。问能否实之间工作。问能否实现对外作功现对外作功1000kJ1000kJ，向低温热源放热，向低温热源放热200kJ200kJ。解：解：计算该热机从高温热源吸热量计算该热机从高温热源吸热量 Q1 Q2 W0 200 1000 1200（kJ）该热机的热效率该热机的热效率 在相同条件下工作的可逆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。，显然这一结果违反了卡诺定理，因此不能实现。第22页，共29页，编辑于2022年，星期日 例例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外环境温度为-10，为使住宅内温度保持，为使住宅内温度保持20，每小时需供给，每小时需供给105kJ的热量。的热量。试求（试求（1）该热泵每小时从室外吸取的热量；（）该热泵每小时从室外吸取的热量；（2）热泵所需功率；（）热泵所需功率；（3）若）若直接用电炉取暖，电炉的功率应为多少？直接用电炉取暖，电炉的功率应为多少？解解:（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23页，共29页，编辑于2022年，星期日第四节第四节 熵与熵增原理熵与熵增原理 一、熵的基本概念一、熵的基本概念熵熵S是是由热力学第二定律推导出由热力学第二定律推导出由热力学第二定律推导出由热力学第二定律推导出的状态参数。的状态参数。熵的微分定义式为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可逆过程中1、2两平衡态的熵差为两平衡态的熵差为 第24页，共29页，编辑于2022年，星期日关于熵的几点说明：关于熵的几点说明：（1）熵是状态参数熵是状态参数，当热力系平衡态确定后，熵就完全确定了，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。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）无论过程是否可逆,计算两个状态的熵差时，可计算两个状态的熵差时，可选任一连接两选任一连接两状态的可逆过程状态的可逆过程进行计算。进行计算。（3）熵具有可加性熵具有可加性,热力系的熵等于热力系内各个部分熵的总和。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。）从微观上看，熵与热力系内部分子运动的混乱程度有关。熵熵是热力系内部分子混乱程度的量度。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。的状态，熵值较大的状态，对应于较为无序的状态。熵熵例如，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。第25页，共29页，编辑于2022年，星期日二、熵增原理二、熵增原理对孤立系统的可逆过程对孤立系统的可逆过程对孤立系统的可逆过程对孤立系统的可逆过程Q=0Q=0，则，则，则，则 热温比的积分值，恒小于热力系终、初态的熵差对对孤立系统的孤立系统的孤立系统的孤立系统的不可逆过程不可逆过程对于对于孤立系统孤立系统，有，有 上式为普遍的热力学第二定律的数学表达式上式为普遍的热力学第二定律的数学表达式,也是用熵也是用熵概念表述的热力学第二定律。概念表述的热力学第二定律。若为绝热过程，若为绝热过程，则有则有 由于Q=0 S=0 第26页，共29页，编辑于2022年，星期日表明表明:热力系从一平衡态热力系从一平衡态经绝热过程经绝热过程到达另一平衡态，它的到达另一平衡态，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。这就是可逆的，则熵值增加。这就是熵增原理熵增原理。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路径进行的。绝热过程则是沿着等熵路径进行的。因此，可以利用熵的因此，可以利用熵的变化来判断自发过程进行的变化来判断自发过程进行的方向方向（沿着熵增加的方向）和（沿着熵增加的方向）和限度限度（熵增加到极大值）。（熵增加到极大值）。根据熵增原理可以作出判断：根据熵增原理可以作出判断：第27页，共29页，编辑于2022年，星期日本章小结本章小结 热力学第二定律的实质及表述；热力学第二定律的实质及表述；热力学第二定律的实质及表述；热力学第二定律的实质及表述；热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济 性的描述方法；性的描述方法；性的描述方法；性的描述方法；卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法；卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法；卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法；卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法；卡诺定理的内容及实际意义；卡诺定理的内容及实际意义；卡诺定理的内容及实际意义；卡诺定理的内容及实际意义；理解熵的基本概念，掌握熵增原理的内容与实际理解熵的基本概念，掌握熵增原理的内容与实际理解熵的基本概念，掌握熵增原理的内容与实际理解熵的基本概念，掌握熵增原理的内容与实际 意义意义意义意义。第28页，共29页，编辑于2022年，星期日作业作业 P54-9、12、16第29页，共29页，编辑于2022年，星期日