石油大学热工学第2章-3-第二定律.ppt

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1、能量传递和转换时能量传递和转换时数量上数量上的守恒关系的守恒关系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遵循热力学第一定遵循热力学第一定律的热力过程是否律的热力过程是否能够自动发生能够自动发生？第三节第三节 热力学第二定律热力学第二定律n热力过程的方向性热力过程的方向性n热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述n卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理n状态参数熵状态参数熵n不可逆过程的熵变、熵流及熵产不可逆过程的熵变、熵流及熵产n孤立系统的熵增原理孤立系统的熵增原理一、热力过程的方向性一、热力过程的方向性自发过程：自发过程：可以自动发生的过程，反之是可以自动发生的过程，反

2、之是非自发过程非自发过程。自然界中自发过程都具有方向性。自然界中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（机械能转换为热能）摩擦生热（机械能转换为热能）l 水由高处流向低处水由高处流向低处l 电流由高电势流向低电势电流由高电势流向低电势自然界中热力过程都具有方向性。自然界中热力过程都具有方向性。重物下落，水温升高重物下落，水温升高;水温下降，重物升高水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降内能只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。减少，不违反第一定律。电流通过电阻，产生热量电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向

3、对电阻加热，电阻内产生反向电流电流？只要电能不大于加入热能，不只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。违反第一定律。例2：功功-热转化（飞轮制动）热转化（飞轮制动）例3：自由膨胀自由膨胀 例4：混合过程混合过程 例1：温差传热温差传热 归纳：归纳：1）自发过程有）自发过程有方向性方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有要有附加条件附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的能量转换方向性的实质是实质是能质有差异能质有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能机械能，电能部分可转

4、换能部分可转换能热能热能不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环境介质的热力学能非自发过程可以发生，但不能自动发生。非自发过程可以发生，但不能自动发生。机械能机械能 热能热能40%从热源向冷源放热从热源向冷源放热自发自发非自发非自发热机热机 一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。100%代价代价为提高能量利用的经济性，最大限度的减少补偿。为提高能量利用的经济性，最大限度的减少补偿。存在一个减少所付代价的补偿最大限度是多少的问题。存在一个减少所付代价的补偿最大限度是多少的问题。不可逆不可逆是自发过程的重要特性和属性。是自发过程的重要特性和属性

5、。热力过程的方向性热力过程的方向性说明了：说明了：n在自然界中，热力过程若要发生，必然遵在自然界中，热力过程若要发生，必然遵循热力学第一定律，循热力学第一定律，n但满足热力学第一定律的热力过程却未必但满足热力学第一定律的热力过程却未必都能自动发生。都能自动发生。n因而必然另有一个独立的基本定律在决定因而必然另有一个独立的基本定律在决定着热力过程的方向性，或者说决定着热力着热力过程的方向性，或者说决定着热力过程能否实现，热力学第二定律。过程能否实现，热力学第二定律。热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务：n研究热力过程的方向性研究热力过程的方向性最根本的最根本的；n研究非自发过程的补偿和补偿限

6、度等问题。研究非自发过程的补偿和补偿限度等问题。研究热力过程的方向、条件和限度。研究热力过程的方向、条件和限度。二、热力学第二定律的表述二、热力学第二定律的表述 热功转换热功转换 传传 热热 热力学第二律的热力学第二律的表述表述有有 60-7060-70 种种 1851年年 开尔文说法开尔文说法 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯说法克劳修斯说法 热量传递的角度热量传递的角度1、克劳修斯说法、克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体传至高温物体不可能把热量从低温物体传至高温物体而而不引起其它变化。不引起其它变化。2、开尔文说法、开尔文说法 不可能从不可能从单一热源单一热源取热使之

7、完全转变为取热使之完全转变为功而功而不产生其它影响。不产生其它影响。3、第二类永动机不可能存在。第二类永动机不可能存在。以环境为单一热源，使机器从中吸热对外做功。以环境为单一热源，使机器从中吸热对外做功。“制冷（外界消耗功）制冷（外界消耗功）”“单一热源做功单一热源做功”？！？！n n理想气体的定温膨胀过程：理想气体的定温膨胀过程：理想气体的定温膨胀过程：理想气体的定温膨胀过程：n 吸热量吸热量等量功等量功n 引起系统状态的变化引起系统状态的变化气体压力降低（代价）气体压力降低（代价）。n n制冷：制冷：制冷：制冷：n 热量从低温传向高温热量从低温传向高温n 引起一个变化引起一个变化消耗外界功

8、之类的代价消耗外界功之类的代价。热量不可能自发地、不付代价地从热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。低温物体传至高温物体。但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律 (开尔文说法开尔文说法)第二类永动机：第二类永动机：设想的从设想的从单一热源单一热源取热并取热并 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。第二类永动机第二类永动机?如果三峡水电站用降温法发电，使水如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低温降低5 C，发电能力可提高，发电能力可提高11.

9、7倍。倍。设水位差为设水位差为180米。米。重力势能转化为电能：重力势能转化为电能：mkg水降低水降低5 C放热放热：开尔文说法开尔文说法 完全等效完全等效!克劳修斯说法克劳修斯说法不同说法是等效的：不同说法是等效的：反映了热力过程具有方向性的实质。反映了热力过程具有方向性的实质。违反一种说法，必违反另一种说法违反一种说法，必违反另一种说法!可以采用反证法证明。可以采用反证法证明。n热力过程的方向性在于热力过程的不可逆性。热力过程的方向性在于热力过程的不可逆性。n过程的不可逆和方向性互为因果。过程的不可逆和方向性互为因果。n反映热力过程方向性的的热力学第二定律的各反映热力过程方向性的的热力学第

10、二定律的各种说法是等效的，则种说法是等效的，则不可逆属性是等效的，实不可逆属性是等效的，实质是相同的。质是相同的。n可以用一个可以用一个统一的热力学参数统一的热力学参数来描述所有不可来描述所有不可逆过程的共同属性，并作为热力过程方向性的逆过程的共同属性，并作为热力过程方向性的判据。判据。“熵熵”法国工程师法国工程师卡诺卡诺(S.Carnot)，1824年提出年提出既然既然t=100不可能热力学第二定律奠基人热力学第二定律奠基人热机能达到的最高效率有多少？热机能达到的最高效率有多少？理想可逆热机循环理想可逆热机循环三、三、卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理n热效率是热效率是100%的热机是造不

11、成的。的热机是造不成的。n具有两个热源的最简单热机的具有两个热源的最简单热机的热效率最高极限热效率最高极限是多少？是多少？n卡诺循环和卡诺定理解决了这一问题，并提出卡诺循环和卡诺定理解决了这一问题，并提出改进循环热效率的途径和方法。改进循环热效率的途径和方法。（一）卡诺循环（一）卡诺循环理想可逆热机循环理想可逆热机循环4-1可逆绝热压缩过程。可逆绝热压缩过程。1-2定温吸热过程；定温吸热过程；2-3可逆绝热膨胀过程；可逆绝热膨胀过程；3-4定温放热过程定温放热过程；卡诺循环热机效率：卡诺循环热机效率：THRcTLQHQLW0温差越大，温差越大，c越高。越高。只取决于热源温度只取决于热源温度TH

12、和和TL逆向卡诺循环逆向卡诺循环制冷系数制冷系数q2w0w0q1供热系数供热系数q1q2三种三种卡诺循环卡诺循环T0TLTH制冷制冷制热制热TsTHTL动力动力概括性卡诺循环概括性卡诺循环两个热源间的两个热源间的极限极限回热循环回热循环回热回热工质自己加热自己。工质自己加热自己。在回热器内实现在回热器内实现回热循环回热循环采用回热的循环。采用回热的循环。回热对概括性卡诺循环实回热对概括性卡诺循环实现可逆是必不可少的。现可逆是必不可少的。回热是提高循环能量利用回热是提高循环能量利用经济性的一个重要措施。经济性的一个重要措施。T3412THTL设置无穷多个回热加热器，设置无穷多个回热加热器，实现工

13、质间的等温换热。实现工质间的等温换热。（1 1）在相同的两个）在相同的两个热源热源TH与与TL间工作的一切理想气间工作的一切理想气体可逆循环，其热效率是否体可逆循环，其热效率是否都相同？都相同？（2 2）如果使用其它工质，热效率又如何？）如果使用其它工质，热效率又如何？（3 3）在相同的两个热源在相同的两个热源TH与与TL间工作的可逆循环与间工作的可逆循环与不可逆循环，循环的热效率又如何？不可逆循环，循环的热效率又如何？（二）卡诺定理（二）卡诺定理(Carnot theorem)定理一：定理一：在相同的高温热源和低温热在相同的高温热源和低温热在相同的高温热源和低温热在相同的高温热源和低温热源间

14、工作的一切可逆热机具有相同的热效源间工作的一切可逆热机具有相同的热效源间工作的一切可逆热机具有相同的热效源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，率，率，率，与工质的性质无关与工质的性质无关与工质的性质无关与工质的性质无关。定理二：定理二：定理二：定理二：在相同的高温热源和相同的低在相同的高温热源和相同的低在相同的高温热源和相同的低在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。不可逆热机的热效率。不可逆热机的热效率。不可逆热机的热效率。单一热源热机，违背

15、热力学第二定律单一热源热机，违背热力学第二定律 假如假如ABA A带动带动带动带动B B逆向运行逆向运行逆向运行逆向运行A带动带动B逆向运行逆向运行 A A B B不成立；同理不成立；同理不成立；同理不成立；同理 A A B B不可能不可能不可能不可能ABTHTLTLTHABABWAWBWA-WB卡诺定理一的证明卡诺定理一的证明WB卡诺定理小结卡诺定理小结（1 1）两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相）两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相）两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相）两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相等，等，等，等，与工质无关与工质无关与工质无关与工质无关。r=C 提高热源温度提高

16、热源温度TH和降低冷源温度和降低冷源温度TL是提是提高可逆循环热效率的根本途径。高可逆循环热效率的根本途径。（2 2）相同高、低温热源间的不可逆循环的热效）相同高、低温热源间的不可逆循环的热效）相同高、低温热源间的不可逆循环的热效）相同高、低温热源间的不可逆循环的热效率小于相应可逆循环的热效率。率小于相应可逆循环的热效率。率小于相应可逆循环的热效率。率小于相应可逆循环的热效率。t r 尽量减少循环中的不可逆因素是提高循环尽量减少循环中的不可逆因素是提高循环热效率的重要方法。热效率的重要方法。卡诺定理小结卡诺定理小结（3）提高热源温度）提高热源温度TH和降低冷源温度和降低冷源温度TL可以提可以提

17、高卡诺循环及同温限间其他可逆循环的热效率，高卡诺循环及同温限间其他可逆循环的热效率，但由于但由于T TL L0K0K或或或或T THH 是不可能的，故是不可能的，故是不可能的，故是不可能的，故循环热循环热循环热循环热效率不可能等于效率不可能等于效率不可能等于效率不可能等于100%100%，只能小于，只能小于，只能小于，只能小于100%100%。在动在动在动在动力循环中不可能把从热源吸取的热量全部转变力循环中不可能把从热源吸取的热量全部转变力循环中不可能把从热源吸取的热量全部转变力循环中不可能把从热源吸取的热量全部转变为功。为功。为功。为功。（4 4）当）当）当）当T TH H=T TL L时，

18、时，时，时，C C=0=0，说明单一热源的热机是，说明单一热源的热机是，说明单一热源的热机是，说明单一热源的热机是不可能造成的。不可能造成的。不可能造成的。不可能造成的。要实现连续的热功转换，必须要实现连续的热功转换，必须有两个或两个以上温度不等的热源。有两个或两个以上温度不等的热源。卡诺定理的意义卡诺定理的意义 从理论上，确定了通过热机循环从理论上，确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件；实现热能转变为机械能的条件；指出了提高热机热效率的方向，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重对热力学第二定律的建立具有重大意义。大意义。（三）多热源的可逆循环（三）多热源的可逆循环(reversible cycle of many reservoirs)1 1、循环、循环T卡诺定理应用举例卡诺定理应用举例 A 热机是否能实现？热机是否能实现？1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能可能 如果如果W0=1500 kJ1500 kJ?不可能不可能500 kJ一个热机循环能否实现、是否可逆判据一个热机循环能否实现、是否可逆判据