工程热力学-第五章-热力学第二定律课件.ppt

5-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法5-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式2 25-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法5-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式3 3什么是自发过程v自然过程中能够独立地、无条件自动进行的过程，称为自发过程。反之,称为非自发过程.4 4自发过程的特点v自发过程都是有方向性有限温差传热、自由膨胀、自由混合等等有限温差传热、自由膨胀、自由混合等等v自发过程不可逆过程，其逆向过程如果进行需要外界的作用(付出代价)v并非所有不违反热一律的过程均可进行低温物体向高温物体传热并不违反热一律低温物体向高温物体传热并不违反热一律6 65-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法5-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式7 7热力学第二定律的表述v热力学第二定律揭示了自然界中一切过程进行的方向性、条件和限度。v克劳修斯表述（从热量传递方向性的角度）：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。v开尔文普朗克表述（从热功转换的角度）：不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。即第二类永动机是不可能制造成功的。8 8热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？t 100不可能热二律否定第二类永动机t=100不可能热一律与热二律10 105-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法5-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式11 11卡诺循环的定义是两个热源间的可逆循环13 13(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，提高T1或降低T2 均可以提高循环效率;(2)因为T1 或T20K都是不可能的,故卡诺循环的热效率总是小于1，不可能等于1。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。关于卡诺循环热效率15 15逆向卡诺循环：（1）卡诺制冷循环：制冷系数：（2）卡诺热泵循环：供热系数：逆向卡诺循环16 16 某项专利申请书上提出一种热机，它从167的热源接受热量，向7冷源排热，热机每接受1000kJ热量，能发出0.12kWh的电力。请判定专利局是否应受理其申请，为什么？解：从申请是否违反自然界普遍规律着手故不违反热力学第一定律根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间工作的热机，以可逆机效率最高。例题18 18例题违反热力学第二定律，所以不可能。19 19概括性卡诺循环v除了卡诺循环外，工作在两个恒温热源之间的可逆循环也具有卡诺循环的性质，因此把它们统称为概括性卡诺循环。v概括性卡诺循环是极限回热循环。20 20概括性卡诺循环v由两个定温过程a-b、c-d与两个水平间距处处相等的过程b-c及d-a构成。过程b-c放出的热量等于过程d-a吸收的热量，这种方法叫回热加热。21 21概括性卡诺循环热效率v可见，概括性卡诺循环的热效率等于同温限间工作的卡诺循环的热效率。22 22单一热源热机，违背热力学第二定律 假如t,R1 t,R2RR11带动带动RR22逆向运行逆向运行R1带动R2逆向运行t,R1 t,R2、t,R1 t,R2不可能t,R1t,R2卡诺定理的证明24 245-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式5-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法25 25熵参数的导出v19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从1865年起称为entropy，“熵”。v熵参数的导出有多种不同的方法。这里只介绍一种经典方法，它是1865年由德国数学家、物理学家克劳修斯根据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环时提出来的。26 26熵参数的导出对整个循环积分，则得 克劳修斯积分等式 式中被积函数 的循环积分为零。这表明该函数与积分路径无关，必为状态参数，即：28 28克劳修斯不等式 v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取代数值取代数值29 29不可逆过程熵的变化 对于由不可逆过程1-a-2与可逆过程2-b-1组成的不可逆循环1a2b1，根据克劳修斯不等式 对于可逆过程2-b-1，（可逆；不可逆）31 31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。热二律表达式之一热二律表达式之一根据上式，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：dS dSf f 称为称为熵流熵流。吸热吸热：ddSSff 0 0；放热放热：ddSSff 0 0；绝热绝热：ddSSff 00；ddSSgg称为称为熵产熵产，是由于过程不可逆造成的熵变。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，过程不可逆性愈大，熵产愈大，ddSSg 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。不可逆过程熵的变化32 32闭口系统的熵方程闭口系统的熵方程对于质量为对于质量为 m m 的工质，的工质，（11）比比熵熵是是状状态态参参数数，只只要要初初、终终态态相相同同，无无论论经经历什么过程，工质熵的变化都相等；历什么过程，工质熵的变化都相等；（22）不不可可逆逆过过程程熵熵的的变变化化可可以以在在给给定定的的初初、终终态态之之间任选一可逆过程进行计算。间任选一可逆过程进行计算。（33）对于固体或液体，压缩性很小，对于固体或液体，压缩性很小，ddV V 0 0，c=const关于状态参数熵33 33多热源可逆循环及平均吸（放）热温度平均吸热温度 平均放热温度 注意:平均吸(放)热温度只有在可逆过程中才可以用上式求解 34 34多热源可逆循环及平均吸（放）热温度多热源可逆循环e-h-g-l-e的热效率为另一个工作在T1=Th，T2=Tl下的卡诺循环A-B-C-D-A，其热效率为与相同温限之间的卡诺循环相比，显然，故。35 355-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法5-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式36 36孤立系统熵增原理v对于孤立系统：因此因此可逆，“=”不可逆“”孤立系统熵增原理：孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程均可逆时系统熵保持不变。37 373）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；1）孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是Siso0，所以熵可反映某种物质的共同属性。孤立系统熵增原理38 38作功能力损失v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。v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。v作功能力损失与哪些因素有关？39 39作功能力损失设环境温度为T0，今有一体系，在只有环境参与的情况下从给定的初态1不可逆地变到终态2，为了确定不可逆过程的作功能力损失，设想存在一可逆过程分别具有相同的初态和终态，作功能力损失作功能力损失根据热一律根据热一律可得可得Gouy-Stodola公式 40 405-6 5-6 火用分析方法 火用分析方法5-5 5-5 熵增原理与作功能力损失 熵增原理与作功能力损失第5章 热力学第二定律5-1 5-1 自发过程的方向性 自发过程的方向性5-2 5-2 热力学第二定律的表述 热力学第二定律的表述5-3 5-3 卡诺循环与卡诺定理 卡诺循环与卡诺定理5-4 5-4 熵与克劳修斯不等式 熵与克劳修斯不等式41 41 1、可无限转换的能量如：机械能、电能、水能、风能理论上可以完全转换为功的能量 高级能量 2、不能转换的能量理论上不能转换为功的能量 如：环境（大气、海洋）3、可有限转换的能量理论上不能完全转换为功的能量 低级能量 如：热能、焓、内能（Ex）（An）（Ex+An）三种不同品质的能量42 42火用和火无的定义v能量不但有多少之分，还有品味高低之分，我们定义当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为其他能量形式的那部分能量称为火用（exergy），一切不能转换为火用的能量称为火无（anergy）。任何能量E均由火用（Ex）和火无（An）所组成，即 43 43热流火用 在在给给定定的的环环境境条条件件（环环境境温温度度为为TT00）下下，热热量量中中最最大大可可能能转转变变为为有有用用功功的的部部分分称称为为热热流流火火用用，用用eex,Qx,Q表示表示。假假设设有有一一温温度度为为TT的的热热源源（T T TT00），传传出出的的热热量量为为qq，则则其其热热流流火火用用等等于于在在该该热热源源与与环环境境之之间间工工作作的的卡卡诺热机所能作出的功，即诺热机所能作出的功，即 如如果果热热源源温温度度随随热热量量的的传传递递而而变变化化，可可假假想想在在热热源与环境之间有无穷多个微卡诺循环，源与环境之间有无穷多个微卡诺循环，44 44 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）稳定流动工质的火用（焓火用）45 45 工质由状态A经状态a变化到状态0的全过程为可逆过程，可作出最大有用功。对于单位质量工质，最大有用功为 根据热力学第一定律，稳定流动工质的火用（焓火用）46 46可见，如果环境恒定不变，则稳定流动工质的焓火用只与工质的热力状态有关。ws,max就是单位质量稳定流动工质的火用，也称为焓火用，ex,H稳定流动工质的火用（焓火用）47 47 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焓火用之差 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流火用ex,Q，即稳定流动工质的火用（焓火用）48 48例 有限质量、变温热源问题 v在100kg、90热水和20的环境之间装一可逆热机，问作出的最大功是多少？设水的比热容保持c=4.1868kJ/(kgK)不变。v分析:由于热水的质量是有限的，它放热作功之后温度会降低，因此，这不是一个简单的卡诺热机，是一个变温热源的问题。49 49解：方法一v设在某一微元过程中，水的温度变化为设在某一微元过程中，水的温度变化为dTdT,热水放出的热量为热水放出的热量为v在微元过程中作的最大功为在微元过程中作的最大功为 v热水在从热水在从9090变化到环境温度变化到环境温度2020后能作出后能作出的最大功为的最大功为50 50方法二v v 假设 假设100kg 100kg、90 90热水和 热水和20 20的环境之间不加任何热机，热 的环境之间不加任何热机，热水直接向环境放热，最后和环境达到热平衡，这是一个典 水直接向环境放热，最后和环境达到热平衡，这是一个典型的不可逆过程，存在作功能力的损失。这个损失的作功 型的不可逆过程，存在作功能力的损失。这个损失的作功能力就应该是在热水和环境之间装一可逆热机之后能作出 能力就应该是在热水和环境之间装一可逆热机之后能作出的最大功。的最大功。v v 热水和环境构成一个孤立系统，其中环境是无穷大的热源，热水和环境构成一个孤立系统，其中环境是无穷大的热源，它吸热后温度是不变的。它吸热后温度是不变的。v51 51方法三v在热水和环境之间可逆热机作出的最大功实际上就在热水和环境之间可逆热机作出的最大功实际上就是热水所具有的焓火用是热水所具有的焓火用52 52课后思考题v制冷系数或供热系数均可大于1，这是否违反热力学第一定律？v闭口系进行一放热过程，其熵是否一定减少，为什么？闭口系进行一放热过程，其做功能力是否一定减少，为什么？53 53