热力学第2定律.pptx

《热力学第2定律.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学第2定律.pptx（73页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、、热、热功转换的方向性功转换的方向性 热功转换模拟图第1页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第2页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第3页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第4页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第5页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第6页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第7页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第8页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第9页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第10页/共73页、热、热

2、功转换的方向性功转换的方向性 续2第11页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 第12页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第13页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第14页/共73页、热、热功转换的方向性功转换的方向性 续2第15页/共73页1.1.热热功转换的方向性功转换的方向性 续2第16页/共73页A物体B物体2 2、热量传递的方向性热量传递的方向性AB热量传递的方向性图热量传递第17页/共73页真空3 3、自由膨胀与压缩过程的方向性自由膨胀与压缩过程的方向性自由膨胀与压缩过程的方向性自由膨胀与压缩过程的方向性第18页/共73页、混合与分离过

3、程的方向性、混合与分离过程的方向性第19页/共73页 上述诸现象说明自然过程具有上述诸现象说明自然过程具有方方向性向性，即只能自发地向一个方向进行，即只能自发地向一个方向进行，如果要逆向进行，就必须付出代价，或如果要逆向进行，就必须付出代价，或者说具备一定的补充条件，即自然过程者说具备一定的补充条件，即自然过程是不可逆的。是不可逆的。自然过程的方向性第20页/共73页热力学第二定律的表述:由于人们分析问题的出发点不同，所以“热力学第二定律”有各种各样的说法，但无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有方向性。二 热力学第二定律的实质与表述第21页/共7

4、3页1、克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。2、开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。(第二类永动机是不可以实现的)“克氏”是从传热的角度出发，“开氏”是从功热转换的角度出发。二 热力学第二定律的实质与表述关于第二类永动机？关于第二类永动机？第22页/共73页试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。证明：设等熵线证明：设等熵线S S与同一条等温线与同一条等温线T T有两个交点有两个交点A A和和B B。令工质从令工质从A A经等温线到经等温线到B B，再经等熵过程返回，再经等熵过程返回A A，完成循环。此

5、循环中工质完成循环。此循环中工质在等温过程中从单一热源在等温过程中从单一热源吸热，并将之转换为循环吸热，并将之转换为循环净功输出。这是违反热力净功输出。这是违反热力学第二定律的，故原假设学第二定律的，故原假设不可能成立。不可能成立。关于第二类永动机关于第二类永动机第23页/共73页5.2 卡诺循环及卡诺定理一、卡诺循环及其热效率卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环，它是由四个可逆过程组成：一个可逆热机在二个恒温热源间工作。第24页/共73页da可逆绝热压缩abT1下的可逆等温吸热Q1bc可逆绝热膨胀cdT2下的可逆等温放热Q2第25页/共73

6、页循环热效率：循环热效率：其中：其中：第26页/共73页利用绝热过程状态利用绝热过程状态参数间的关系：参数间的关系：故：故：整理得：整理得：第27页/共73页卡诺循环热效率的卡诺循环热效率的卡诺循环热效率的卡诺循环热效率的另一种计算方法：另一种计算方法：另一种计算方法：另一种计算方法：吸吸吸吸 热热热热 量量量量放放放放 热热热热 量量量量循环净功循环净功循环净功循环净功循环热效率循环热效率循环热效率循环热效率第28页/共73页重要结论：（1）效率只取决于、，提高和降低都可以提高热效率；（2）循环效率小于1；（3）当=时，=0，所以借助单一热源连续做功的机器是制造不出来的。第29页/共73页实

7、际循环不可能实现卡诺循环，原因：实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a a）一切过程不可逆；）一切过程不可逆；b b）气体实施等温吸热，等温放热困难；）气体实施等温吸热，等温放热困难；c c）气体卡诺循环）气体卡诺循环w wnetnet太小，若考虑摩擦，太小，若考虑摩擦，输出净功极微。输出净功极微。卡诺循环指明了一切热机提高热效率卡诺循环指明了一切热机提高热效率的的方向。方向。第30页/共73页T0 c二、逆卡诺循环卡诺制冷循环T0T2制冷制冷T T0 0T2Rq q1 1q2wTss2s1T2 c 第31页/共73页T1 逆卡诺循环卡诺制热循环T0T1制热制热TsT1T0q1q2Rws2s1T

8、0 第32页/共73页制冷系数制冷系数：供暖系数供暖系数：第33页/共73页三种卡诺循环T0T2T1制冷制冷制热制热TsT1T2动力动力=T0第34页/共73页三、卡诺定理定理一：在相同温度的高温热源(T1)和相同温度的低温热源(T2)之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪一种工质也无关。定理二：在温度同为T1的热源和温度同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。第35页/共73页也可以说，对于任一在两恒温热源间工作的热机：也可以说，对于任一在两恒温热源间工作的热机：也可以说，对于任一在两恒温热源间工作的热机：也可以说，对于任一在两恒温热源间

9、工作的热机：则该热机是可逆热机；则该热机是可逆热机；则该热机是可逆热机；则该热机是可逆热机；若若若若则该热机是不可逆热机；则该热机是不可逆热机；则该热机是不可逆热机；则该热机是不可逆热机；若若若若则该热机是不可能制造出来的。则该热机是不可能制造出来的。则该热机是不可能制造出来的。则该热机是不可能制造出来的。若若若若而而而而第36页/共73页结论：在同样的两个温度不同的热源间工作的热机，以可逆热机热效率最大，不可逆热机的热效率小于可逆热机,它指出了在两个温度不同的热源间工作的热机热效率的最高极限值。第37页/共73页卡诺定理的意义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，指出了提高热

10、机热效率的方向，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大意义。第38页/共73页卡诺定理举例A热机是否能实现1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能可能可能可能 如果：如果：如果：如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能不可能500 kJ第39页/共73页实际循环与卡诺循环内燃机t1=2000oC，t2=300oC C=74.7%实际实际 t=40%卡诺热机卡诺热机只有只有理论理论意义，是意义，是最高理想。最高理想。实际上，定温过程和定熵过程很难实现。实际上，定温过程和定熵过程很难实现。火力发电火力发电 t1=600oC，t2=25oC C=

11、65.9%实际实际 t=40%回热 t 可达50%第40页/共73页5.3 熵的导出T Tse可逆循环可逆循环1-A-2-B-1由许多为微小可逆循环构成由许多为微小可逆循环构成第41页/共73页对对a-b-f-g-aa-b-f-g-a微小可逆卡诺循环微小可逆卡诺循环第42页/共73页对全部微元循环积分求和对全部微元循环积分求和或热源温度热源温度对于可逆循环，工质温度等于热源温度，对于可逆循环，工质温度等于热源温度，T=TT=Tr r。第43页/共73页因为循环因为循环1-A-2-B-11-A-2-B-1是可是可逆的，固有：逆的，固有：代入公式代入公式(a):(a):第44页/共73页因此可得：

12、因此可得：第45页/共73页克劳修斯积分不等式如图循环中部分为可逆循环，如图循环中部分为可逆循环，则：则：余下部分为不可逆循环，热余下部分为不可逆循环，热效率小于卡诺循环。效率小于卡诺循环。第46页/共73页这就是克劳修斯积分不等式。克劳修斯积分不等式。克劳修斯积分含义：克劳修斯积分含义：克劳修斯积分含义：克劳修斯积分含义：一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切可逆循环的克劳修斯积分等于零，一切不可逆循环的克劳修斯积分小于零，任一切不可逆循环的克劳修斯积分小于零，任一切不可逆循环的克劳修斯积分小于零，任一切不可逆循环的克劳修斯

13、积分小于零，任何循环的克劳修斯积分都不会大于零。何循环的克劳修斯积分都不会大于零。何循环的克劳修斯积分都不会大于零。何循环的克劳修斯积分都不会大于零。可以利用来判断一个循环是否能进行，可以利用来判断一个循环是否能进行，可以利用来判断一个循环是否能进行，可以利用来判断一个循环是否能进行，是可逆循环，还是不可逆循环。是可逆循环，还是不可逆循环。是可逆循环，还是不可逆循环。是可逆循环，还是不可逆循环。第47页/共73页在在在在1-21-2间作一不可逆过程间作一不可逆过程间作一不可逆过程间作一不可逆过程1A21A2：1-A-2-B-11-A-2-B-1为为为为一不可逆循环一不可逆循环一不可逆循环一不可

14、逆循环,应用克劳修斯积分不等式应用克劳修斯积分不等式应用克劳修斯积分不等式应用克劳修斯积分不等式如图可逆过程如图可逆过程如图可逆过程如图可逆过程1B21B25.4 孤立系统熵增原理1 热力学第二定律数学表达式热力学第二定律数学表达式第48页/共73页或或将将(a)(a)式代入式代入,即得即得:对于对于1kg1kg工质工质,为为:合并可逆与不可逆的情况合并可逆与不可逆的情况可得可得热力学第二热力学第二定律数学表定律数学表达式。达式。第49页/共73页 2 熵流和熵产熵流和熵产其中吸热吸热“+”放热放热“”系统与外界系统与外界换热换热造成系造成系统熵的变化统熵的变化。第50页/共73页sg熵产，熵

15、产，非负非负不可逆不可逆“+”可逆“0”系统进行系统进行不可逆过程不可逆过程造成系统熵的增加造成系统熵的增加例例：若TA=TB，可逆，取A为系统第51页/共73页取B为系统，若TATB，不可逆，取A为系统第52页/共73页气缸内储有1kg空气，分别经可逆等温及不可逆等温，由初态p1=0.1MPa，t1=27压缩到p2=0.2MPa，若不可逆等温压缩过程中耗功为可逆压缩的120%，确定两种过程中空气的熵增及过程的熵流及熵产。（空气取定比热，t0=27）解：可逆等温压缩第53页/共73页不可逆等温压缩：不可逆等温压缩：由于初终态与可逆等温压缩相同第54页/共73页3 孤立系统熵增原理孤立系统内部发

16、孤立系统内部发生不可逆变化时，生不可逆变化时，孤立系的熵增大，孤立系的熵增大，极限情况时（可极限情况时（可逆），熵保持不逆），熵保持不变。变。熵增原理指出：凡是使孤立系统总熵减小的过程是不可能发生的。第55页/共73页在一段极短时间在一段极短时间在一段极短时间在一段极短时间内，（流入热力系的熵的总和内，（流入热力系的熵的总和内，（流入热力系的熵的总和内，（流入热力系的熵的总和+热热热热力系的熵产）力系的熵产）力系的熵产）力系的熵产）-（从热力系流出的熵的总和）（从热力系流出的熵的总和）（从热力系流出的熵的总和）（从热力系流出的熵的总和）=（热力（热力（热力（热力系总熵的增量）。即：系总熵的增量

17、）。即：系总熵的增量）。即：系总熵的增量）。即：所以：所以：所以：所以：上式即为熵方程的基本表达式，对于绝热闭口系上式即为熵方程的基本表达式，对于绝热闭口系上式即为熵方程的基本表达式，对于绝热闭口系上式即为熵方程的基本表达式，对于绝热闭口系则有则有则有则有，则则则则式可简化为式可简化为式可简化为式可简化为 采用熵方程的方法，先导出热力系熵方程的一般采用熵方程的方法，先导出热力系熵方程的一般采用熵方程的方法，先导出热力系熵方程的一般采用熵方程的方法，先导出热力系熵方程的一般形式，然后演绎出针对各种情况的具体形式，则形式，然后演绎出针对各种情况的具体形式，则形式，然后演绎出针对各种情况的具体形式，

18、则形式，然后演绎出针对各种情况的具体形式，则更显得合理和全面。更显得合理和全面。更显得合理和全面。更显得合理和全面。第56页/共73页表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的。使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的。使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的。使孤立系统的熵减小的过程是不可能发

19、生的。或或或或孤立系显然也符合闭口和绝热的条件，孤立系显然也符合闭口和绝热的条件，孤立系显然也符合闭口和绝热的条件，孤立系显然也符合闭口和绝热的条件，式说明：式说明：式说明：式说明：绝热闭口系和孤立系的熵只会增加，不会减少绝热闭口系和孤立系的熵只会增加，不会减少绝热闭口系和孤立系的熵只会增加，不会减少绝热闭口系和孤立系的熵只会增加，不会减少这就是闭口系或孤立系的熵增原理。这就是闭口系或孤立系的熵增原理。这就是闭口系或孤立系的熵增原理。这就是闭口系或孤立系的熵增原理。第57页/共73页例例例例 用熵增原理证明：热量不可能自动地不付代价地从低用熵增原理证明：热量不可能自动地不付代价地从低用熵增原理

20、证明：热量不可能自动地不付代价地从低用熵增原理证明：热量不可能自动地不付代价地从低 温物体传向高温物体。温物体传向高温物体。温物体传向高温物体。温物体传向高温物体。证明证明证明证明假定热量能够自动地、不付代价地从低温物体传假定热量能够自动地、不付代价地从低温物体传假定热量能够自动地、不付代价地从低温物体传假定热量能够自动地、不付代价地从低温物体传向高温物体，如图所示。向高温物体，如图所示。向高温物体，如图所示。向高温物体，如图所示。T T T T1 1 1 1T T T T2 2 2 2Q Q Q Q由两热源组成的孤立系统的熵变量为由两热源组成的孤立系统的熵变量为由两热源组成的孤立系统的熵变量

21、为由两热源组成的孤立系统的熵变量为违背熵增原理，表明原假定是错误的。违背熵增原理，表明原假定是错误的。违背熵增原理，表明原假定是错误的。违背熵增原理，表明原假定是错误的。第58页/共73页例：用熵增原理证明：从单一热源取热使之连续不断对例：用熵增原理证明：从单一热源取热使之连续不断对外做功的循环发动机是造不出来的。外做功的循环发动机是造不出来的。证明证明假定有一从单一热源取热使之连续不断对外做功的假定有一从单一热源取热使之连续不断对外做功的循环发动机。循环发动机。T T1 1Q Q由热源和热机内的工质组成的由热源和热机内的工质组成的孤立系统的熵变量孤立系统的熵变量违背熵增原理，表明原假定是错误

22、的。违背熵增原理，表明原假定是错误的。热机热机例题第59页/共73页例：闭口系中某一过程，其熵变化量为例：闭口系中某一过程，其熵变化量为例：闭口系中某一过程，其熵变化量为例：闭口系中某一过程，其熵变化量为25kJ/K25kJ/K25kJ/K25kJ/K，此过程中，此过程中，此过程中，此过程中系统从热源（系统从热源（系统从热源（系统从热源（300K300K300K300K）得到热量）得到热量）得到热量）得到热量6000kJ,6000kJ,6000kJ,6000kJ,问此过程是可逆、问此过程是可逆、问此过程是可逆、问此过程是可逆、不可逆或不可能？不可逆或不可能？不可逆或不可能？不可逆或不可能？解解

23、解解 热源的熵变量热源的熵变量热源的熵变量热源的熵变量由热源和闭口系统组成一孤立系，此孤立系统的熵变量由热源和闭口系统组成一孤立系，此孤立系统的熵变量由热源和闭口系统组成一孤立系，此孤立系统的熵变量由热源和闭口系统组成一孤立系，此孤立系统的熵变量表明此过程是一不可逆过程。表明此过程是一不可逆过程。表明此过程是一不可逆过程。表明此过程是一不可逆过程。例题第60页/共73页熵增原理的实质 1 1 1 1、在任意不可逆过程中，熵的变化量大于该过、在任意不可逆过程中，熵的变化量大于该过、在任意不可逆过程中，熵的变化量大于该过、在任意不可逆过程中，熵的变化量大于该过程中加入系统的热量除以热源温度所得的熵

24、。程中加入系统的热量除以热源温度所得的熵。程中加入系统的热量除以热源温度所得的熵。程中加入系统的热量除以热源温度所得的熵。这样结合可逆过程和不可逆过程这样结合可逆过程和不可逆过程这样结合可逆过程和不可逆过程这样结合可逆过程和不可逆过程,即任意过即任意过即任意过即任意过程的熵变可表示为：程的熵变可表示为：程的熵变可表示为：程的熵变可表示为：阐明了过程进行的方向。阐明了过程进行的方向。并且：第61页/共73页 2、如果某一过程的进行会导致孤立系统中各物体的熵同时减小，或者各有增减但其总和是系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系统的总熵增大，至少保持不变。指出了热

25、过程进行的极限：指出了热过程进行的极限：第62页/共73页3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判根据熵增原理判别别过程程进行的方向行的方向；讨论：讨论：1）孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理Siso=Sg0，可作为，可作为第二定律第二定律的的又又一数学表达式，而且是一数学表达式，而且是更基本的一种表达式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；）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孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即均不改变其总内部储能，即任任意意过程中程中能量守恒能量守恒。但各种不可逆过程均可。但各种不可逆

26、过程均可造造成机械能成机械能损失，而失，而任何不可逆过程均是任何不可逆过程均是Siso0，所所以以熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性。例。例第63页/共73页R“=”IR”所以，不可逆使孤立系熵增大造成后果是不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（功）减少机械能（功）减少a)热能机械能第64页/共73页b)R”=“IR”若若不可逆，不可逆，TATB,，以，以A为热源为热源B为冷源，利用热机为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这里也意味这机械能损失。里也意味这机械能损失。第65页/共73页 c)机械功（或电能）

27、转化为热能输入WsQ（=Ws），气体由T1上升到T2，v1=v2工质熵变外界S外=0由于热能不可能100%转变成机械能而不留任何影响，故这里Siso0还是意味机械能损失还是意味机械能损失。第66页/共73页d)有压差的膨胀（如自由膨胀）有压差的膨胀（如自由膨胀）孤立系熵增意味机械能损失孤立系熵增意味机械能损失第67页/共73页 利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可能制成的能制成的:它从它从167167的热源吸热的热源吸热1000kJ1000kJ向向77的冷源放的冷源放热热568kJ568kJ，输出循环净功，输出循环净功432kJ432kJ。证

28、明：取热机、热源、冷源组成闭口绝热系证明：取热机、热源、冷源组成闭口绝热系所以该热机是不可能制成的所以该热机是不可能制成的第68页/共73页某次测得某次测得1molCO和和0.5molO2在在p0=1atm，t0=25下定下定温定压反应生成温定压反应生成1molCO2时，向环境散热时，向环境散热283190J，反应不，反应不作有用功。若在作有用功。若在p0，t0时时CO，O2，CO2的摩尔熵分别为的摩尔熵分别为197.67J/(molK)，205.167J/(molK)和和213.82J/(molK)，请，请问此次测试数据是否可靠问此次测试数据是否可靠?（环境温度（环境温度t0=25）解：取解

29、：取CO，O2，CO2及环境介质为系统及环境介质为系统孤立系孤立系所以此测试并不违反第二定律所以此测试并不违反第二定律第69页/共73页文字表述文字表述克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。热力学第二定律的表述第70页/共73页数学表述1、卡诺定理:T C2、克劳修斯积分等式和不等式3 3、过程方程式过程方程式：第71页/共73页4 4、孤立系统熵增原理：孤立系统熵增原理：dSiso=Sg05 5、闭口系（控制质量）熵方程：闭口系（控制质量）熵方程：6 6、开口系统的熵方程：开口系统的熵方程：7 7、能量贬值能量贬值 原理：原理：dEx,iso0第72页/共73页感谢您的观看！第73页/共73页