工程热力学第四章热力学第二定律PPT讲稿.ppt

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1、工程工程热热力学第四章力学第四章热热力学第二力学第二定律定律第1页，共98页，编辑于2022年，星期日能量之间能量之间数量数量的关系的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所有满足能量守恒与转换定律的过所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能程是否都能自发自发进行进行2023/1/182第2页，共98页，编辑于2022年，星期日自发过程的方向性自发过程：不需要任何外界作用而自动进 行的过程。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 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处

2、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2023/1/183第3页，共98页，编辑于2022年，星期日自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热摩擦生热热量100%热量发电厂发电厂功量40%放热2023/1/184第4页，共98页，编辑于2022年，星期日 热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律2023/1/185第5页，共98页，编辑于2022年，星期日4-1 热二律的表述与实质 热功转换 传 热 热二律的表述有 60-70 种 1851年 开尔文普

3、朗克表述 热功转换的角度 1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度2023/1/186第6页，共98页，编辑于2022年，星期日Rudolph Clausius R.克劳修斯（1822-1888）德国热一律热二律2023/1/189第9页，共98页，编辑于2022年，星期日开尔文普朗克表述 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。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。理想气体理想气体 T 过程过程 q=w冷热源冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限大，取、放热其温度不变 2023/1/1810第10页，共98页，编辑于2022年，

4、星期日但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从单一热源取热并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环境是个大热源环境是个大热源2023/1/1812第12页，共98页，编辑于2022年，星期日克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。热量热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功2023/1/1813第13页，共98页，编辑于2022年，星期日两种表述的关系开尔文普朗克表

5、述 完全等效!克劳修斯表述克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!2023/1/1814第14页，共98页，编辑于2022年，星期日证明1、违反开表述导致违反克表述 Q1=WA+Q2反证法：假定违反开表述 热机A从单热源吸热全部作功Q1=WA 用热机A带动可逆制冷机B 取绝对值 Q1-Q2=WA=Q1 Q1-Q1=Q2 违反克表述 T1 热源AB冷源 T2 T1 Q2Q1WAQ12023/1/1815第15页，共98页，编辑于2022年，星期日证明2、违反克表述导致违反开表述 WA=Q1-Q2反证法：假定违反克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源假定热机A从热源吸热Q1 冷源无变化 从热源吸

6、收Q1-Q2全变成功WA 违反开表述 T1 热源A冷源 T2 100不可能热二律否定第二类永动机t=100不可能2023/1/1818第18页，共98页，编辑于2022年，星期日4-2 卡诺循环与卡诺定理法国工程师法国工程师卡诺卡诺(S.Carnot)，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环既然既然t=100不可能热机能达到的热机能达到的最高效率最高效率有多少？有多少？热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高2023/1/1819第19页，共98页，编辑于2022年，星期日S.卡诺卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国）法国卡诺循环和卡诺定理卡诺循

7、环和卡诺定理,热二律奠基人热二律奠基人2023/1/1820第20页，共98页，编辑于2022年，星期日卡诺循环 理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程，q2=T2(s2-s1)2023/1/1821第21页，共98页，编辑于2022年，星期日卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w2023/1/1822第22页，共98页，编辑于2022年，星期日 t,c只取决于恒温热源T1和T2 而

8、与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明 T1 t,c ,T2 c ，温差越大，t,c越高 当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能 T1=K,T2=0 K,t,c tR2 tR2 tR1 WR2 只有：tR1=tR2 tR1=tR2=tC与工质无关与工质无关2023/1/1828第28页，共98页，编辑于2022年，星期日卡诺定理推论二 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的效率。T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIR 已证：tIR tR 只要证明 tIR=tR 反证法,假定：tIR=tR 令 Q1=Q1 则 WIR=WR 工质循环、冷热源

9、均恢复原状，外工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。定矛盾。Q1-Q1=Q2 -Q2=0 WR2023/1/1829第29页，共98页，编辑于2022年，星期日卡诺定理小结1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR=tC 2、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR tR=tC 在给定的温度界限间工作的一切热机，tC最高 热机极限 2023/1/1830第30页，共98页，编辑于2022年，星期日卡诺定理的意义 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，指实现热能转变为机

10、械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研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。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对热力学第二定律的建立具有重大意义。重大意义。2023/1/1831第31页，共98页，编辑于2022年，星期日卡诺定理举例 A 热机是否能实现1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能 如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能500 kJ2023/1/1832第32页，共98页，编辑于2022年，星期日实际循环与卡诺循环 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC=74.7%实际t=3040%卡诺热机卡诺

11、热机只有只有理论理论意义，意义，最高理想最高理想实际上实际上 T s 很难实现很难实现 火力发电 t1=600oC，t2=25oC tC=65.9%实际t=40%回热和联合循环回热和联合循环 t 可达可达50%2023/1/1833第33页，共98页，编辑于2022年，星期日4-3 克劳修斯不等式4-3、4-4熵、4-5孤立系熵增原理 围绕方向性问题，不等式热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性 定义定义熵熵2023/1/1834第34页，共98页，编辑于2022年，星期日

12、克劳修斯不等式克劳修斯不等式的研究对象是循环 方向性的判据正正循环循环逆逆循环循环可逆可逆循环循环不可逆不可逆循环循环 克劳修斯不等式的克劳修斯不等式的推导推导2023/1/1835第35页，共98页，编辑于2022年，星期日克劳修斯不等式的推导（1）可逆循环1、正循环（正循环（卡诺循环卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热 2023/1/1836第36页，共98页，编辑于2022年，星期日克劳修斯不等式的推导（2）不可逆循环1、正循环正循环T1T2RQ1Q2W吸热 假定 Q1=Q1，tIR tR，WW 可逆时IRWQ1Q2211QQT=T22023/1/1839第39页，共98页，编辑于2022

13、年，星期日克劳修斯不等式推导总结可逆 =不可逆 正循环（可逆、不可逆）正循环（可逆、不可逆）吸热反循环（可逆、不可逆）反循环（可逆、不可逆）放热2023/1/1840第40页，共98页，编辑于2022年，星期日克劳修斯不等式 一般的循环一般的循环 对任意循环对任意循环克劳修斯克劳修斯不等式不等式将循环用无数组将循环用无数组 s 线细线细分，分，abfga近似可看成卡近似可看成卡诺循环诺循环 可逆循环=0 不可逆循环0热源温度热源温度热二律表达式之一热二律表达式之一2023/1/1841第41页，共98页，编辑于2022年，星期日 克劳修斯不等式例题 A 热机是否能实现1000 K300 KA2

14、000 kJ800 kJ1200 kJ可能 如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能500 kJ注意：热量的正和负是站在循环的立场上2023/1/1842第42页，共98页，编辑于2022年，星期日4-4 熵热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性热二律推论之三热二律推论之三 熵熵反映反映方向性方向性2023/1/1843第43页，共98页，编辑于2022年，星期日熵的导出定义：定义：熵熵于于19世纪中叶首先克劳修斯世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中引

15、入，式中S从从1865年起称为年起称为entropy，由，由清华刘仙洲清华刘仙洲教授译成为教授译成为“熵熵”。小知识克劳修斯不等式克劳修斯不等式可逆过程，可逆过程，代表某一代表某一状态函数状态函数。=可逆循环 不可逆2023/1/1847第47页，共98页，编辑于2022年，星期日S与传热量的关系=可逆不可逆：不可逆过程：不可逆过程定义定义熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：结论：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。熵流：熵流：永远永远热二律表达式之一热二律表达式之一2023/1/1849第49页，共98页，编辑于2022年，星期日熵流、熵产和熵变任

16、意不可逆过程任意不可逆过程可逆过程可逆过程不可逆绝热过程不可逆绝热过程可逆绝热过程可逆绝热过程不易求不易求2023/1/1850第50页，共98页，编辑于2022年，星期日熵变的计算方法理想气体理想气体仅仅可可逆逆过过程程适适用用Ts1234任何过程任何过程2023/1/1851第51页，共98页，编辑于2022年，星期日 4-5 孤立系统熵增原理孤立系统孤立系统无质量交换无质量交换结论：结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小绝不能减小，这一规律称为这一规律称为孤立系统孤立系统 熵增原理熵增原理。无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可

17、逆过程：不可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一2023/1/1852第52页，共98页，编辑于2022年，星期日为什么用孤立系统？孤立系统孤立系统=非孤立系统非孤立系统+相关外界相关外界=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程最常用的最常用的热二律表达式热二律表达式2023/1/1853第53页，共98页，编辑于2022年，星期日孤立系熵增原理举例(1)传热方向传热方向(T1T2)QT2T1用克劳修斯不等式用克劳修斯不等式 用用用用用用没有循环没有循环不好用不好用不知道不知道2023/1/1854第54页，共98页，编辑于2022年，星期日孤立系熵增原理举例(1)QT2T

18、1取热源取热源T1和和T2为孤立系为孤立系当当T1T2可自发传热可自发传热当当T1T2不能传热不能传热当当T1=T2可逆传热可逆传热2023/1/1855第55页，共98页，编辑于2022年，星期日孤立系熵增原理举例(2)两恒温热源间工作的可逆热机两恒温热源间工作的可逆热机Q2T2T1RWQ1功功源源2023/1/1856第56页，共98页，编辑于2022年，星期日孤立系熵增原理举例(2)Q2T2T1RWQ1功功源源STT1T2两恒温热源间工作的可逆热机两恒温热源间工作的可逆热机2023/1/1857第57页，共98页，编辑于2022年，星期日孤立系熵增原理举例(3)T1T2RQ1Q2W假定

19、Q1=Q1，tIR tR，W tIR 可逆T1T0IRWIRQ1Q2作功能力作功能力:以环境为基准以环境为基准,系统可能作出的最大功系统可能作出的最大功假定假定 Q1=Q1，WR WIR 作功能力损失作功能力损失2023/1/1862第62页，共98页，编辑于2022年，星期日作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRWQ1Q2假定假定 Q1=Q1，W R WIR 作功能力损失作功能力损失2023/1/1863第63页，共98页，编辑于2022年，星期日 4-6 熵方程闭口系闭口系开口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动稳定流动2023/1/1864第64页，共98页，编辑于2022年，

20、星期日热二律讨论F热二律表述(思考题1)“功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功”温度界限相同的一切可逆机的效率都相等温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?理想理想 T (1)体积膨胀体积膨胀,对外界有影响对外界有影响 (2)不能连续不断地转换为功不能连续不断地转换为功2023/1/1865第65页，共98页，编辑于2022年，星期日熵的性质和计算 不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之间任选一可逆过程进行计算。l 熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；熵的变化只与初、终态有关，

21、与过程的路熵的变化只与初、终态有关，与过程的路 径无关径无关 熵是广延量熵是广延量2023/1/1866第66页，共98页，编辑于2022年，星期日熵的表达式的联系 可逆过程传热的大小和方向可逆过程传热的大小和方向 不可逆程度的量度不可逆程度的量度作功能力损失作功能力损失 孤立系孤立系 过程进行的方向过程进行的方向 循环循环克劳修斯不等式克劳修斯不等式2023/1/1867第67页，共98页，编辑于2022年，星期日熵的问答题 任何过程，熵只增不减 若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到 达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S 可逆循环S为零，不可逆循环S大于零 不可逆过程S永远大于可逆

22、过程S 2023/1/1868第68页，共98页，编辑于2022年，星期日判断题（1）若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过程，到达同一终态，已知两过程热源相同，问传热量是否相同？相同初终态，s相同=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程热源T相同相同相同2023/1/1869第69页，共98页，编辑于2022年，星期日判断题（2）若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？相同热量，热源T相同=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程相同相同初态初态s1相同相同2023/1/1870第70页，共98页，编辑于2022年，星期日判断题（3）若工质从同一初态

23、出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点？可逆绝热可逆绝热不可逆绝热不可逆绝热STp1p21222023/1/1871第71页，共98页，编辑于2022年，星期日判断题（4）理想气体绝热自由膨胀，熵变？典型的不可逆过程典型的不可逆过程AB真空真空2023/1/1872第72页，共98页，编辑于2022年，星期日 可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机可逆热机2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ2023/1/1873第73页，共98页，编辑于2022年，星期日 可逆与不可逆讨论(例1)可逆热机可逆热机2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ Scyc

24、le=0,Siso=0ST2023/1/1874第74页，共98页，编辑于2022年，星期日 可逆与不可逆讨论(例2)2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ不可逆热机不可逆热机83 kJ17 kJ由于膨胀时摩擦由于膨胀时摩擦摩擦耗功摩擦耗功 2kJ当当T0=300K作功能力损失作功能力损失=T0 Siso=2kJ2023/1/1875第75页，共98页，编辑于2022年，星期日4-7 Ex及其计算1956，I.Rant I.郎特Available Energy Energy Exergy 东南大学夏彦儒教授翻东南大学夏彦儒教授翻译译 如何评价能量价值如何评价能量价值?Avail

25、ability Anergy 可用能可用能 可用度可用度 火无火无 火用火用 2023/1/1876第76页，共98页，编辑于2022年，星期日三种不同品质的能量 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）2023/1/1877第77页，共98页，编辑于2022年，星期日Ex与An Ex的定义 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任何其它

26、能量形式的那部分能量，称为Ex 100%相互转换 功 能量中除了 Ex 的部分，就是 An Ex作功能力作功能力2023/1/1878第78页，共98页，编辑于2022年，星期日Ex 作功能力 环境一定，能量中最大可能转换为功的部分500 K100 kJ1000 K100 kJT0=293 KT0=293 K2023/1/1879第79页，共98页，编辑于2022年，星期日热一律和热二律的Ex含义 一切过程，Ex+An总量恒定热一律：热一律：热二律：在可逆过程中，Ex保持不变 在不可逆过程中，部分Ex转换为An Ex损失、作功能力损失、能量贬值任何一孤立系，Ex只能不变或减少，不能增加 孤立系

27、Ex减原理 由由An转换为转换为Ex不可能不可能2023/1/1880第80页，共98页，编辑于2022年，星期日热量的Ex与An 1、恒温热源 T 下的 Q ExQ:Q中最大可能转换为功的部分 TST0ExQAnQ 卡诺循环的功 T2023/1/1881第81页，共98页，编辑于2022年，星期日热量的Ex与An 2、变温热源下的 QTST0ExQAnQ 微元卡诺循环的功 2023/1/1882第82页，共98页，编辑于2022年，星期日热量的Ex与An的说明 1、Q中最大可能转换为功的部分，就是ExQTST0ExQAnQ2、ExQ=Q-T0S=f(Q,T,T0)是过程量Ex损失 3、外界不

28、发生变化条件下单 热源热机不能作功 T=T0,ExQ=0 4、Q 一定，T 下降,Ex 损失，作功能力损失Q,T0一定，一定，T ExQT,T0一定一定,Q ExQ2023/1/1883第83页，共98页，编辑于2022年，星期日稳定流动工质的焓Ex与Anwsws wsT0流量流量1kg的工质，初状态为的工质，初状态为h1,s1,c1,z1exh=?经稳定流动，与环境达到经稳定流动，与环境达到平衡，状态为平衡，状态为h0,s0,c0,z0，过程中放热为过程中放热为 ,对外作对外作功为功为ws假定 通过可逆热机作功ws exh=ws=ws+ws 12023/1/1884第84页，共98页，编辑于

29、2022年，星期日稳定流动工质的焓Ex与Anwsws wsT01 热一律：热二律：一般动、位能变化忽略 2023/1/1885第85页，共98页，编辑于2022年，星期日稳定流动工质的焓Ex与An的说明 1）稳流工质的焓h1-h0，只有一部分是exh 焓anh=T0(s1-s0)2）当环境p0,T0一定，exh是状态参数 3）当工质状态与环境相平衡，焓exh=0 4）由初态1 终态2的可逆过程，工质作的 最大功2023/1/1886第86页，共98页，编辑于2022年，星期日稳定流动工质的焓Ex举例压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室t1=900p1=8.5bart2=477p2=1.03

30、bart0=25p0=1.0barR=0.287kJ/kg.Kcp=1.10kJ/kg.K求求:exh1,exh2燃气轮机最大功燃气轮机最大功2023/1/1887第87页，共98页，编辑于2022年，星期日稳定流动工质的焓Ex举例可逆功可逆功2023/1/1888第88页，共98页，编辑于2022年，星期日Ex平衡、Ex效率、Ex损失热力系统热力系统Ex效率效率Ex平衡平衡动力装置动力装置耗功装置耗功装置换热设备换热设备加热加热2023/1/1889第89页，共98页，编辑于2022年，星期日Ex损失与作功能力损失WsEx1Ex2 热一律：QT02023/1/1890第90页，共98页，编辑

31、于2022年，星期日Ex损失与作功能力损失 放热 m热热1234m冷冷 吸热 2023/1/1891第91页，共98页，编辑于2022年，星期日Ex损失与功减少 可逆绝热膨胀 TsT0122 不可逆绝热膨胀 Ex损失损失 由于不可逆少作功 2023/1/1892第92页，共98页，编辑于2022年，星期日 例1有人声称已设计成功一种热工设备有人声称已设计成功一种热工设备,不消耗外功不消耗外功,可可将将65 的热水中的的热水中的20%提高到提高到95,而其余而其余80%的的65 的热水则降到环境温度的热水则降到环境温度15,分析是否可分析是否可能能?已知水的比热容为已知水的比热容为4.1868k

32、J/kg.K解：热一律,热平衡设有1kg 65 的热水0.2kg从从65 提高到提高到95,吸热吸热0.8kg从从65 降低到降低到15,放热放热如果如果 吸热量吸热量放热量放热量不满足热一律不满足热一律2023/1/1893第93页，共98页，编辑于2022年，星期日 例10.8kg从从65 降低到降低到15,放热量放热量0.2kg从从65 提高到提高到95,吸热量吸热量吸热量吸热量放热量放热量符合热一律符合热一律多余热量放给环境多余热量放给环境,环境吸热量环境吸热量2023/1/1894第94页，共98页，编辑于2022年，星期日 例10.2kg95 0.8kg 65 Q115 Q2Q00

33、.2kg从从65 提高到提高到95 0.8kg从从65 降低到降低到15 环境吸热环境吸热热二律热二律取孤立系取孤立系0.2kg 65 2023/1/1895第95页，共98页，编辑于2022年，星期日 例1热二律热二律取孤立系取孤立系0.2kg95 65 0.8kg65 15 15 环境吸热环境吸热可能可能2023/1/1896第96页，共98页，编辑于2022年，星期日 例1,Ex解法0.8kg从从65 降低到降低到15,放出放出Ex0.2kg从从65 提高到提高到95,需需Ex6595156515放出放出Ex需需Ex可能可能STSTEx1Ex22023/1/1897第97页，共98页，编辑于2022年，星期日THE END2023/1/1898第98页，共98页，编辑于2022年，星期日