第4章热力学第二定律课件.ppt

第四章 热力学第二定律,41 自发过程的方向性 与热力学第二定律的表述,热力学第一定律阐明了热能和机械能以及其它形式的能量在传递和转换过程中数量上的守恒关系。热力学第二定律揭示了热力过程发生的方向、条件和限度。,1.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。,第四章 热力学第二定律 41 自发过程的方向性,2热力学第二定律的表述,自发过程是不可逆的。,要想使自发过程逆向进行，就必须付出某种代价，或者说给外界留下某种变化。,随自然界中热过程的种类不同，热力学第二定律有多种表述方式，并且彼此是等效的。,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。,开尔文普朗克表述：,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。,第二类永动机是不可能制造成功的。,2热力学第二定律的表述 自发过程是不可逆的。要想,42 卡诺循环与卡诺定理,1.热力循环,热力循环：,工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。,可逆循环：,全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。,不可逆循环：,循环中有部分过程或全部过程是不可逆过程的循环。,(1)正向循环：,将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。,42 卡诺循环与卡诺定理 1.热力循环 热力循环：工,正向循环示意图：,在p-v与T-s图上，正向循环按顺时针方向进行。,正向循环示意图：在p-v与T-s图上，正向循环按顺时针方向进,经过一个正向循环，,根据热力学第一定律，,循环热效率：,循环热效率t用来评价正向循环的热经济性。显然，t 1。,高温热源吸热Q1热机Wnet放热Q2低温热源经过一个正向循环,(2)逆向循环：,消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如制冷装置循环或热泵循环。,在p-v与T-s图上，逆向循环按逆时针方向进行。,(2)逆向循环：消耗功将热量从低温热源转移到高温热,根据热力学第一定律，,通常用工作系数评价逆向循环的热经济性。,制冷系数：,制冷装置工作系数,供热系数：,热泵工作系数,高温热源放热Q1热泵Wnet吸热Q2低温热源根据热力学第一定,2卡诺循环,卡诺循环是法国工程师卡诺（S.Carnot）于1824年提出的一种理想热机工作循环，它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。,卡诺循环热效率：,2卡诺循环 卡诺循环是法国工程师卡诺（S.,对于理想气体：,对于理想气体：,结论：,(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，而与工质的性质无关;,(2)卡诺循环的热效率总是小于1，不可能等于1，因为T1 或T20K都是不可能的。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。,结论：(1)卡诺循环的热效率只取决于高温热源,3卡诺定理,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：,定理一：,在相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关。,3卡诺定理 逆向卡诺循环：（1）卡诺制冷循环：制冷系数：（,单一热源热机，违背热力学第二定律,假如t,R1t,R2,R1带动R2逆向运行,R1带动R2逆向运行,t,R1t,R2、t,R1t,R2不可能,t,R1t,R2,单一热源热机，违背热力学第二定律 假如t,R1t,R2,定理二：,在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。,卡诺循环与卡诺定理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，指出了提高热机热效率的方向。它们的提出和研究对热力学的发展，特别是对热力学第二定律的建立具有重大意义。,卡诺循环与卡诺定理的理论价值与实际意义：,定理二：在相同高温热源和低温热源间工作的任何,4-3 熵,1熵的导出,比熵的定义式,比熵是由热力学第二定律导出的状态参数。,根据卡诺定理，在温度分别为T1与T2的两个恒温热源间工作的一切可逆热机的热效率都相同，与工质的性质无关。,式中q1、q2均为绝对值，若取代数值，可改成,4-3 熵1熵的导出 比熵的定义式比熵是由热力学第二定律,在卡诺循环中，单位质量工质与热源交换的热量除以热源的热力学温度所得商的代数和等于零。,对于任意一个可逆循环，可以用一组可逆绝热线，将其分割成无数微元卡诺循环。,对整个循环积分，则得,对于每一个微元卡诺循环，,在卡诺循环中，单位质量工质与热源交换的热量除以热源的热力学温,的积分与积分路径无关。,根据状态参数的特点断定，q/T一定是某一状态参数的全微分。这一状态参数被称为比熵，用 s 表示,即,注意：由于是可逆过程，T 既是工质的温度，也等于热源的温度。,一定是某一参数的全微分。的积分与积分路径无关。根,2.克劳修斯不等式与不可逆过程熵的变化,对于质量为 m 的工质，,（1）克劳修斯不等式,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,2.克劳修斯不等式与不可逆过程熵的变化对于质量为 m 的工,一个不可逆循环可以用无数可逆绝热线分割成无数微元循环，对任意一个不可逆微元循环，,上式称为克劳修斯不等式，适用于任意不可逆循环。,克劳修斯不等式与克劳修斯等式合写成,上式是热力学第二定律的数学表达式之一，可用于判断一个循环是否能进行，是否可逆。,一个不可逆循环可以用无数可逆绝热线分割成无数微元循环,（2）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）,（2）不可逆过程熵的变化 对于由不可逆过程1-a-2与,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。,热力学第二定律表达式,根据上式，可以将熵的变化分成两部分：,，dSf 称为熵流。,吸热：dSf 0；,放热：dSf 0；,绝热：dSf 0；,dSg称为熵产，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，dSg 0。,熵产是过程不可逆性大小的度量。,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。,闭口系统的熵方程,注意：,对于质量为 m 的工质，,（1）比熵是状态参数，只要初、终态相同，无论经历什么过程，工质熵的变化都相等；,（2）不可逆过程熵的变化可以在给定的初、终态之间任选一可逆过程进行计算。,（3）对于固体或液体，压缩性很小，dV 0，,闭口系统的熵方程注意：对于质量为 m 的工质，（1）比熵是,3孤立系统熵增原理与作功能力损失,（1）孤立系统熵增原理,对于孤立系统，,上式表明：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。这一规律称为孤立系统熵增原理。,孤立系统熵增原理说明，一切实际过程都一定朝着使孤立系统的熵增大的方向进行，任何使孤立系统的熵减小的过程都是不能发生的。,上式揭示了一切热力过程进行时所必须遵循的客观规律，突出地反映了热力学第二定律的本质，是热力学第二定律的另一种数学表达式。,3孤立系统熵增原理与作功能力损失（1）孤立系统熵增原理,（2）作功能力的损失,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。,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。,作功能力损失与孤立系统熵增的关系：,由卡诺定理可知，,（2）作功能力的损失作功能力:在给定的环境条件下，系统达到与,令,由不可逆引起的功的损失为,如果将热源、环境、可逆热机R、不可逆热机IR及蓄功器合起来看作一个孤立系统，则经过一个工作循环后，此孤立系统的熵增为,，又对于可逆热机，,因为,令 由不可逆引起的功的损失为 如果将热源、环境、可逆,由上式可得,由此可见，当环境的热力学温度T0确定后，作功能力的损失I 与孤立系统的熵增Siso成正比。上式建立了作功能力的损失与孤立系统的熵增之间的关系。,孤立系统的熵增是衡量作功能力损失的尺度。,上式适用于计算任何不可逆因素引起的作功能力的损失。,由上式可得 由此可见，当环境的热力学温度T0确定后，作,4-4,1 的定义,热力学第二定律指出，单一热源的热机是不可能的；热机的热效率永远小于1；任何循环的热效率都不可能超出工作在相同温度范围的卡诺循环的热效率。热能和机械能的不等价性。,为了综合衡量能量的“量”与“质”，引入一个新的参数,系统在某一状态所具有的能量中理论上可以转换为其它任何形式能的最大数量称为系统在该状态的。,就是系统的作功能力。,4-4 1 的定义 热力学第二定律指出，单一,2热量,在给定的环境条件（环境温度为T0）下，热量中最大可能转变为有用功的部分称为热量，用Ex,Q表示。,假设有一温度为T的热源（T T0），传出的热量为Q，则其热量等于在该热源与环境之间工作的卡诺热机所能作出的功，即,如果热源温度随热量的传递而变化，可假想在热源与环境之间有无穷多个微卡诺循环，,2热量 在给定的环境条件（环境温度为T0）下，热量,3.稳定流动工质的,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）,3.稳定流动工质的 在除环境之外没有其它,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，,ws,max就是单位质量稳定流动工质的，也称为比焓，ex,H,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，,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比焓之差,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量ex,Q，即,可见，如果环境恒定不变，则稳定流动工质的比焓只与工质的热力状态有关。,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,将上式改写成损失的表达式,该式为不可逆稳定流动过程的平衡方程式。,热工系统的热能利用程度可以通过列出其平衡方程式来加以分析（分析），因为分析可以清楚地揭示出导致作功能力损失的原因和部位，从而为系统的改进提供有力的依据。分析对合理用能及节能具有重要的指导意义。,实际过程是不可逆的，必然有作功能力损失，即损失,用ex,I 表示，则实际对外输出的功为,将上式改写成损失的表达式 该式为不可逆稳定流动过程的平,第四章 小结,重点掌握以下内容：,（1）热力学第二定律的实质及表述；,（2）热力循环、制冷（热泵）循环的定义及循环经济性的描述方法；,（3）卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法；,（4）卡诺定理的内容及实际意义；,（5）理解熵的导出方法，掌握克劳修斯不等式的形式及其物理意义；,（6）不可逆过程熵的变化特点，任意过程熵变的计算方法，熵流与熵产的定义；,第四章 小结重点掌握以下内容：（1）热力学第二定律的实质及表,（7）孤立系统熵增原理的内容与实际意义；,（8）作功能力损失与孤立系统熵增之间的关系；,（9）、比热量、比焓的定义；,（10）分析及其实际意义。,（7）孤立系统熵增原理的内容与实际意义；（8）作功能力损失与,