工程热力学-课件-第五章-热力学第二定律优秀PPT.ppt

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1、第五章第五章 热力学其次定律热力学其次定律5-1 热力学其次定律热力学其次定律自然过程的方向性自然过程的方向性功热转化：功可以自动转化为热，热不行能功热转化：功可以自动转化为热，热不行能全部无条件地转化为功全部无条件地转化为功有限温差传热：热量总是自动地从高温物体有限温差传热：热量总是自动地从高温物体传向低温物体传向低温物体自由膨胀：气体能够自动进行无阻膨胀自由膨胀：气体能够自动进行无阻膨胀混合过程：全部的混合过程都是不行逆过程，混合过程：全部的混合过程都是不行逆过程，使混合物中各组分分别要花代价：耗功或使混合物中各组分分别要花代价：耗功或耗热耗热耗散效应和有限势差作用下的非准平衡变更是造耗散

2、效应和有限势差作用下的非准平衡变更是造成过程不行逆的两大因素成过程不行逆的两大因素自发过程：自然过程中凡是能够独立地、无条件自发过程：自然过程中凡是能够独立地、无条件自动进行的过程称为自发过程自动进行的过程称为自发过程非自发过程：不能独立地自动进行而须要外界帮非自发过程：不能独立地自动进行而须要外界帮助作为补充条件的过程称为非自发过程助作为补充条件的过程称为非自发过程不行逆是自发过程的重要特征和属性不行逆是自发过程的重要特征和属性热力学其次定律的表述热力学其次定律的表述热力学其次定律是阐明与热现象相关的各种热力学其次定律是阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律过程进行的方向、条

3、件及限度的定律热力学其次定律的克劳修斯说法：热不行能热力学其次定律的克劳修斯说法：热不行能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体体热力学其次定律的开尔文说法：不行能制造热力学其次定律的开尔文说法：不行能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其它任何变更的热力发动机留下其它任何变更的热力发动机热力学其次定律还可以表述为：其次类永动热力学其次定律还可以表述为：其次类永动机是不存在的机是不存在的5-2 可逆循环分析及其热效率可逆循环分析及其热效率卡诺循环卡诺循环卡诺循环是工作于温度分别为卡诺循环是工作于温度分别为T

4、1和和T2的两的两个热源之间的正向循环，由两个可逆定个热源之间的正向循环，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成温过程和两个可逆绝热过程组成循环热效率为循环热效率为 对志向气体可逆定温过程对志向气体可逆定温过程a-b、c-d得得 ，d-a为绝热压缩；为绝热压缩；a-b为定温吸热；为定温吸热；b-c为绝热膨胀；为绝热膨胀；c-d为为定温放热定温放热 对于绝热过程对于绝热过程b-c、d-a可写出可写出 ，故故 整理得整理得卡诺循环的热效率只确定于高温热源和低温热源的温度卡诺循环的热效率只确定于高温热源和低温热源的温度T1、T2，提高，提高T1降低降低T2，可以提高热效率，可以提高热效率卡诺循环的

5、热效率只能小于卡诺循环的热效率只能小于1，不行能等于，不行能等于1或大或大于于1。循环发动机即使在志向状况下也不行能将。循环发动机即使在志向状况下也不行能将热能全部转化为机械能热能全部转化为机械能当当T1=T2时，循环热效率时，循环热效率c=0。热能产生动力。热能产生动力确定要有温度差作为热力学条件，借助单一热源确定要有温度差作为热力学条件，借助单一热源连续作功的机器是制造不出的连续作功的机器是制造不出的卡诺循环及其热效率公式奠定了热力学其次定律卡诺循环及其热效率公式奠定了热力学其次定律的理论基础，为提高各种热动力机热效率指出了的理论基础，为提高各种热动力机热效率指出了方向方向选用以气体为工质

6、的卡诺循环的困难在于受设备选用以气体为工质的卡诺循环的困难在于受设备限制及气体定温过程不易实现限制及气体定温过程不易实现 概括性卡诺循环概括性卡诺循环概括性卡诺循环是工作于两个恒温热源间的极限概括性卡诺循环是工作于两个恒温热源间的极限回热循环，由两个可逆定温过程和两个同类型的回热循环，由两个可逆定温过程和两个同类型的其它可逆过程组成其它可逆过程组成概括性卡诺循环的热效率与卡诺循环相同概括性卡诺循环的热效率与卡诺循环相同回热：利用工质排出的部分热量来加热工质本身回热：利用工质排出的部分热量来加热工质本身的方法称为回热，是提高热效率的有效方法的方法称为回热，是提高热效率的有效方法逆向卡诺循环逆向卡

7、诺循环逆向卡诺循环：按与卡诺循环相同的路途而逆向卡诺循环：按与卡诺循环相同的路途而循反方向进行的循环即逆向卡诺循环循反方向进行的循环即逆向卡诺循环逆向卡诺制冷循环的制冷系数为逆向卡诺制冷循环的制冷系数为逆向卡诺热泵循环的供暖系数为逆向卡诺热泵循环的供暖系数为对于制冷循环，环境温度对于制冷循环，环境温度T1低，冷库温度低，冷库温度T2高，则制冷系数大；对于热泵循环，环境高，则制冷系数大；对于热泵循环，环境温度温度T2高，室内温度高，室内温度T1低，则供暖系数大，低，则供暖系数大，且且总大于总大于1多热源的可逆循环多热源的可逆循环热源多于两个的可逆循环，其热效率低于同温限热源多于两个的可逆循环，其

8、热效率低于同温限间工作的卡诺循环间工作的卡诺循环工作在工作在T1=Th、T2=Tl下的多热源可逆循环的热效下的多热源可逆循环的热效率率 卡诺循环的热效率卡诺循环的热效率 由于由于q1q2，所以所以tc引入平均温度概念也可得到相同结论引入平均温度概念也可得到相同结论 T-s图上的热量以当量矩形面积代替时的矩形高图上的热量以当量矩形面积代替时的矩形高度即平均温度度即平均温度 由于由于 ，所以，所以tB，令B反向运行，可得循环总效果相当于取出低温热源的热量(Q2B-Q2A)转化为功(WA-WB)，违反热力学其次定律的开尔文说法 若假定B A，也可得类似结论 因此定理二在温度同为T1的热源和温度同为T

9、2的冷源间工作的一切不行逆循环，其热效率必小于可逆循环 证明过程：设A为不行逆机，B是可逆机，令A正向循环带动B逆向循环 若AB，得出的结论违反热力学其次定律 若A=B，得出的结论与A是不行逆机的假设冲突因此，因此，ATB，A放热，放热，B吸热吸热 若为无限小温差传热，若为无限小温差传热，TA=TB，则，则 有限温差传热，热量由高温物体传向低有限温差传热，热量由高温物体传向低温物体是温物体是 不行逆过程，同温传热为可逆过程不行逆过程，同温传热为可逆过程热转化为功热转化为功 通过两个温度为通过两个温度为T1、T2的恒温热源间工作的的恒温热源间工作的热机实现热能转化为功热机实现热能转化为功 热机进

10、行可逆循环时，热机进行可逆循环时，热机进行不行逆循环时，热机进行不行逆循环时，耗散功转化为热耗散功转化为热 由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称为耗散由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称为耗散功功 孤立系内部存在不行逆耗散效应时，耗散功孤立系内部存在不行逆耗散效应时，耗散功Wl转化为耗散热转化为耗散热Qg，它由某个物体吸取，引起熵，它由某个物体吸取，引起熵增大，称为熵产增大，称为熵产Sg 孤立系的熵增等于不行逆损失造成的熵产孤立系的熵增等于不行逆损失造成的熵产 孤立系统内只要有机械功不行逆地转化为热能，孤立系统内只要有机械功不行逆地转化为热能，系统的熵必定增大系统的熵必定增大作功实力损失作功实力损

11、失 耗散功转化的热能假如全部被一个与环境温度耗散功转化的热能假如全部被一个与环境温度T0相同的物体吸取，它将不再具有作出有用功相同的物体吸取，它将不再具有作出有用功的实力，作功实力损失以的实力，作功实力损失以I表示，表示，dI=Wl，因而，因而熵增原理只适用于孤立系统，对于非孤立系，或熵增原理只适用于孤立系统，对于非孤立系，或者孤立系中某个物体者孤立系中某个物体，它们的熵可能增大，可，它们的熵可能增大，可能不变，也可能减小能不变，也可能减小熵增原理的实质熵增原理的实质熵增原理阐明白过程进行的方向熵增原理阐明白过程进行的方向 实际的热力过程总是朝着使系统总熵增大实际的热力过程总是朝着使系统总熵增

12、大的方向进行，的方向进行，熵增原理指出了热过程进行的限度熵增原理指出了热过程进行的限度 孤立系统总熵达到最大值时过程停止进行，孤立系统总熵达到最大值时过程停止进行，系统达到平衡状态，系统达到平衡状态，熵增原理揭示了热过程进行的条件熵增原理揭示了热过程进行的条件 假如某一过程的进行会使孤立系总熵减小，假如某一过程的进行会使孤立系总熵减小，则该过程不能单独进行，除非有熵增大的过则该过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系总熵增大，或至少保程作为补偿，使孤立系总熵增大，或至少保持不变持不变热力学其次定律数学表达式及适用范围热力学其次定律数学表达式及适用范围 循环过程循环过程 闭口系统闭

13、口系统 绝热闭口系绝热闭口系 孤立系统孤立系统5-6 熵方程熵方程闭口系（限制质量）熵方程闭口系（限制质量）熵方程闭口系的热力学其次定律关系式闭口系的热力学其次定律关系式 不行逆因素造成的熵产不行逆因素造成的熵产 或或 由热流引起的熵变称为热熵流，用由热流引起的熵变称为热熵流，用Sf,Q表示表示 因而因而 限制质量的熵变等于熵流和熵产之和限制质量的熵变等于熵流和熵产之和 开口系（限制体积）熵方程开口系（限制体积）熵方程开口系熵方程开口系熵方程 限制体积、热源、物质源共同组成一个孤限制体积、热源、物质源共同组成一个孤立系统立系统 孤立系的熵变包括限制体积的熵变孤立系的熵变包括限制体积的熵变dSC

14、V，热源熵变，热源熵变Qr/Tr及物质源熵变及物质源熵变seme-simi，孤立系熵变等于熵产，则，孤立系熵变等于熵产，则 或或 限制体积的熵变等于熵流与熵产之和，熵流包括限制体积的熵变等于熵流与熵产之和，熵流包括热熵流和质熵流，熵流与熵产都是过程量热熵流和质熵流，熵流与熵产都是过程量 在在时间内则有时间内则有 对于稳定流淌体系，对于稳定流淌体系，dSCV=0，mi=me=m，则，则 时间内流入质量为时间内流入质量为m的工质时，则的工质时，则 1kg工质则为工质则为 对于绝热稳定流淌系，则有对于绝热稳定流淌系，则有 5-7 参数的基本概念参数的基本概念 热量热量能量的可转换性、能量的可转换性、

15、和和能量有品质的差别，功是比热品质更高的能量有品质的差别，功是比热品质更高的能量能量环境：抽象概念，具有稳定的环境：抽象概念，具有稳定的p0、T0及确及确定的化学组成，任何热力系与其交换热定的化学组成，任何热力系与其交换热量、功量和物质，它都不会变更量、功量和物质，它都不会变更 ：在环境条件下，能量中可转化为有：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的用功的最高份额称为该能量的 (exergy)或者：热力系只与环境相互作用，从随或者：热力系只与环境相互作用，从随意状态可逆地变更到与环境相平衡状态意状态可逆地变更到与环境相平衡状态时，作出的最大有用功称为该热力系的时，作出的最大有

16、用功称为该热力系的在环境条件下不行能转化为有用功的那部分能量称在环境条件下不行能转化为有用功的那部分能量称为为 (anergy)闭口系工质可作出的最大有用功称为闭口系工质的闭口系工质可作出的最大有用功称为闭口系工质的热力学能热力学能稳流工质可作出的最大有用功称为稳流工质的焓稳流工质可作出的最大有用功称为稳流工质的焓任何能量任何能量E都由都由 (Ex)和和 (An)两部分组成两部分组成 E=Ex+An热量热量 和冷量和冷量热量热量 ：温度为：温度为T0的环境条件下，系统的环境条件下，系统(TT0)所供应的热量中可转化为有用功的最所供应的热量中可转化为有用功的最大值就是热量大值就是热量 ，用，用E

17、x,Q表示表示 设想一系列微元卡诺机在系统与环境之间设想一系列微元卡诺机在系统与环境之间工作，每一卡诺循环作出的循环净功，即系工作，每一卡诺循环作出的循环净功，即系统供应的热量统供应的热量Q中的热量中的热量 Ex,Q为为 热量热量 为为 Q的热量的热量 为循环工质对过程积分，即为循环工质对过程积分，即 过程可逆，则有过程可逆，则有 所以所以 若系统以恒温若系统以恒温T供热，则热量供热，则热量 和热量和热量 为为同样大小的热量，供热温度愈高，则同样大小的热量，供热温度愈高，则S1-2愈小，愈小，An,Q愈小，愈小，Ex,Q愈大愈大热量热量 是过程量，由于是过程量，由于TT0，Ex,Q与与Q方向相

18、方向相同，系统放出了热量同，系统放出了热量Q的同时也放出了热量的同时也放出了热量冷量冷量 ：温度低于环境温度：温度低于环境温度T0的系统的系统(TT0)，吸入热量吸入热量Q0时作出的最大有用功称为冷量时作出的最大有用功称为冷量 ，用用Ex,Q0表示表示 简洁恒温系统吸热简洁恒温系统吸热，环境为热源，系统为冷源，环境为热源，系统为冷源，设想一可逆卡诺机，冷量设想一可逆卡诺机，冷量 为为 由循环的能量守恒关系式由循环的能量守恒关系式 得得 冷量冷量 为系统从环境的吸热量，即为系统从环境的吸热量，即 S为系统吸热时的熵变为系统吸热时的熵变 因而因而对于对于TT0的变温系统，可导出冷量的变温系统，可导

19、出冷量冷量冷量 ：系统温度低于环境温度：系统温度低于环境温度T0(TT0时，时，Ex,Q/Q随着随着T的增大而增大，变更渐渐的增大而增大，变更渐渐平缓平缓 T时，时，Ex,Q/Q 1，但恒久小于，但恒久小于1TT0时，随着时，随着T的减小的减小 增大增大 T0/2TT0时，时，1，冷量，冷量 数量上小于热数量上小于热量量 T1，并随着，并随着T的减小急剧增大，的减小急剧增大，冷冷 量量 在数量上可以大于热量本身在数量上可以大于热量本身孤立系中熵增与孤立系中熵增与 损失，能量贬值原理损失，能量贬值原理Gouy-Stodla公式（公式（G-S式）式）设有两个恒温体系设有两个恒温体系A和和B，TATB，体系体系A放出的放出的热量热量Q中的热量中的热量 为为 体系体系B放出的热量放出的热量Q中的热量中的热量 为为 孤立系中因不行逆传热而引起的 损失I为 孤立系因不行逆传热引起的熵增大为 孤立系熵增等于熵产，故 G-S式表明，环境温度T0确定时，孤立系统 损失 与其熵增成正比。该式为普适公式 由于 所以 孤立系的 损失等于 增能量贬值原理 孤立系统中进行热力过程时 只会减小不会增大，极限状况下（可逆过程）保持不变，即 削减 损失（有限度地）是合理用能及节能的指导方向