沈阳航空航天大学工程热力学课件 第5章

1、第五章热力学第二定律主要内容l 热力学第二定律的实质l 掌握卡诺循环和卡诺定理l 掌握熵的意义,计算和应用l 掌握孤立系统和绝热系统熵增的计算,从而明确能量损耗的计算方法 热力学第二定律p自然过程的方向性热力学第一定律能量守恒与转换定律能量之间的数量关系热力过程的方向？满足能量守恒与转换定律的过程一定能发生吗？热力学第二定律第一定律能量的量的关系第二定律能量的质的关系从一般到特殊从特殊到一般过程的方向性卡诺定理卡诺循环热力学第二定律熵熵增原理过程的方向性u 有限温差传热ABQATATBQAQBQBQA=QBu 自由膨胀过程u 功热转化自发过程：自发过程：不需任何外界作用而可以自动进行的过程l

2、热力过程具有方向性可以说为自发过热力过程具有方向性可以说为自发过程具有方向性程具有方向性非自发过程：非自发过程：没有外界作用的情况下不能自动进行的过程l 非自发过程可以进行，但其进行必须以一定的补偿条件作为代价p 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述u 克劳修斯说法: 热不可能自发地、不付代价的从低温物体传至高温物体克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的u 开尔文说法: 不可能从不可能从单一热源取单一热源取热热并使之完全转变为功并使之完全转变为功而不产生其它变化而不产生其它变化 热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有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用功

3、，而必须将某一部分传给冷源开氏表述指明功变热的过程是不可逆的 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但违反了开但违反了开尔文说法尔文说法这类永动机并不这类永动机并不违反热力学第一违反热力学第一定律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开尔文说法成立则克劳修斯说法成立T1热机T2Q2Q1Q2W=Q1-Q2假设克劳修斯说法不成立Q2自发从低温冷源传至高温热源热源放出热量Q1-Q2功量W冷源没有变化从单一热源取热使之完全成为功违反了开尔文说法克劳修斯说法成立则开尔文说法成立T1T2Q=WQ假设开尔文说法不成立热机从低温热源吸热Q转化为功W热源

4、得到热量Q热自发从低温冷源传至高温热源违反了克劳修斯说法热机W冷源失去热量Q功可以完全转化为热等效性证明的启示：n各种说法表面不一样，但实质是完全一样的n要判断一个过程的方向，可以和某一个过程的说法等效性证明？自发过程是不可逆的不可逆性与方向性之间的联系过程的不可逆性造成了过程的方向性过程的方向性体现了过程的不可逆性 卡诺循环n循环的概念 工质从某一状态出发，经过一系列的状态变化后又回到初态的热力过程n分类 可逆循环：如果组成循环的全部热力过程都是可逆过程 不可逆循环：如果组成循环的热力过程包含有不可逆过程21202QQQWQc01211twQQQQ正向循环逆向循环高温热源低温热源W0Q2Q1

5、高温热源低温热源W0Q2Q101WQcp卡诺循环卡诺循环它是工作于两个热源间的，由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环u 卡诺循环热机效率122111qqqqq T1T2Rcq1q2wt1wq循环热效率理想气体abgvvTRqln11dcgvvTRqln22121kbccbvvTTTT1kadda21vvTTTTabdcvvvv定温过程121TTcn热效率c只取决于高温热源的温度T1与低温热源的温度T2n提高T1，或降低T2，可以使卡诺循环的热效率提高n热效率c总是小于1，也就是说不可能通过热机循环将热能全部转换为机械能nT1T2时，c0，说明没有温差是不可能连续不断地将热能

6、转换为机械能的，单热源热机是不可能实现的121TTcu 概括性卡诺循环定温过程a-b,c-d多变过程b-c,d-acababtTTsTsTqq121212111回热提供了一个提高热效率的途径 n可以为任何自然数T1和T2之间的可逆循环有无数个cdnnTsTTabfeQ1Q2斯特林发动机循环，近代燃气轮机装置，大中型蒸汽动力装置u 逆向卡诺循环卡诺制冷循环2212Cqqwqq221202122102()()()T ssTT ssT ssTT0211TTT0 cT2 c T0T2Tss2s1制冷制冷T0T2Rcq1q2wu 逆向卡诺循环卡诺制热循环wTTRcq1q2T c1112qqwqq1211

7、12102110()()()T ssTT ssT ssTT0111TTT cT1T0Tss2s1制热制热习题冬天室外温度为-10 ，若要维持室内18的温度，问采用逆向卡诺循环的热泵的供暖系数是多少？KT2630KT291139.10011TTTWQ39.101WQ 1采用电加热WQ1热泵供热要比电加热直接供热经济得多u 卡诺循环的意义及其实现困难性l意义n使热机经历的循环尽可能接近卡诺循环n尽量扩大循环的极限温度范围n影响热效率的本质因素是温差而不是吸热量和放热量l实现的困难性n实际过程均不可逆n气体实现等温吸热和等温放热很困难n由于摩擦损失等各种不可逆损失比例很大，气体卡诺循环输出净功比较少

8、p实际循环分析多热源可逆循环实际循环分析多热源可逆循环2t11QQ Q Q1C1C Q Q1R1R多多 Q Q2C2C tRtR多多 平均温度法：平均温度法： Q Q1R1R多多 = = T T1 1( (s sc c- -s sa a) ) Q Q2R2R多多 = = T T2 2( (s sc c- -s sa a) ) 2tR_11TT 多T2T1 两热源间的一切可逆循环的热效率高于相同温限间多热源的可逆循环cTsbda214T1T2卡诺定理卡诺定理以理想气体为工质的卡诺循环与极限回热的概括性卡诺循环的热效率相同！两个热源间工作的一切可逆循环的热效率是否都相同呢？采用其他工质而不是理想气

9、体呢？不可逆循环的热效率又怎么样？u 卡诺定理一：在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热机，都具有相同的热效率，且与工质性质无关T1ABQ1Q2BQ2AWBWAQ1T2T1ABQ1Q2BQ2AWBWA-WBQ1T2当只有两个热源时，其间无论进行哪种可逆循环，采用何种工质,热效率必定相同，热效率只由热源的条件所决定u 卡诺定理二：在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切不可逆热机，其热效率必小于可逆热机有关热效率的几个结论n在两个热源之间工作的一切可逆循环，它们的热效率都相同，与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的温度n温度界限相同，但具有两个以上热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环n不可逆

10、循环的热效率必定小于同样条件下的可逆循环提供了在两热源间工作的热机效率的最高极限，指出了减少不可逆因素是提高热机效率的重要途径，为热机理论的建立提供了重要的依据卡诺定理的应用设工质在TH=1000K的恒温热源和TL=300K的恒温冷源间按热力循环工作，已知吸热量为100kJ，求热效率和循环净功(1)理想情况，无任何不可逆损失(2)吸热时有200K温差，放热时有100K温差TsABadbcDCTHTLT1T20 热力学第二定律推论之二-熵参数p熵的导出熵的导出卡诺循环的效率可以表示为 121211TTQQ可以得到可以得到 2211TQTQ或者为或者为 0TQTQ2211当系统放热时，当系统放热时

11、， Q Q2 2应以应以-Q-Q2 2代替，即代替，即 02211TQTQ这是在一切可逆卡诺循环中必须遵从的规律 pVoABCD0iiTQ dSQT0rTQBAABTQSSS0TQTQBDAACBBDAADBTQTQADBACBTQTQ pVoABCD可逆过程dSQT系统吸热0Q0dS系统放热0Q0dS系统绝热0Q0dS可利用熵的增减来判断可逆过程中系统与外界热交换的方向p热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式0TQ克劳修斯积分等式克劳修斯积分等式为循环可逆的判据为循环可逆的判据实际热过程是不可逆的,都有一定的方向性应该寻找一种更为一般的、适用于一切热过程进行方向的判据建立热力学

12、第二定律的数学判据0TQrev ct121211TTQQ pVoABCD1Q2Q1T热源2T冷源0rTQ0rTQ+0TQ0rTQ0rTQ0rTQ0rTQ0rTQ可逆过程21TQS不可逆过程?pv1A2B01-B-2为可逆1-A-2为不可逆对于1-B-22 11 2bbQQTT0TQ1221211221BBTQTQTQSSS1-A-2-B-1为不可逆循环01221BATQTQ或2112ABTQTQ1221BTQS2112ATQSS或不可逆2112TQSS21TQS不可逆2112TQSS2112TQSS2112TQSS不可逆过程可逆过程不可能实现p不可逆绝热过程分析绝热过程0Q0addS12, 0

13、SSdS12, 0SSdS可逆绝热过程熵不变，不可逆绝热过程熵必定增大不可逆绝热过程熵增大的原因？过程中存在不可逆因素引起的耗散效应损失的机械功在工质内部重新转化为热能被工质吸收gS绝热闭口系熵增大的唯一原因熵产gadSdSgadSS熵产越大，过程不可逆程度就越高熵产只能是正值，过程可逆时为结论：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TQdSfQdST熵流任意不可逆过程gfdSdSdSfgSSS 0Sf0Sg0S可逆过程f0SS g0S不可逆绝热过程0Sf0Sg0S可逆绝热过程0Sf0Sg0S任意热力过程的熵变热量流进、流出热力系简答题： 某热力系经历一熵增的可逆过程，

14、问该热力系能否经一绝热过程回到原态？为什么？ 习题：)/(005. 1KkgkJcp)/(718. 0KkgkJcv)/(287KkgJRg 热力学第二定律推论之三熵增原理p孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理0addS孤立系统0isoS0isosn单纯的传热过程孤立系中A与B两物体，TA,TBBAisodSdSdSBATT AATQdSBBTQdSBATQTQ0BAisoTQTQdSBATT BATQTQ0isodS有限温差传热，孤立系的总熵变大于，因而热量由高温物体传向低温物体是不可逆过程，同温传热时，熵变为，为可逆过程n热转化为功恒温热源T1,T2和热机21TTisoSSSS热源冷源222T

15、QST111TQST热机0dSS1122TQTQSiso热机进行可逆循环1122TQTQ热机进行不可逆循环1122TQTQ0isoS0isoSn耗散功转化为热lgWQ0glSTWTQdS0gisoSS孤立系统内只要有机械功不可逆地转化为热能，系统的熵必定增大不可逆循环机械功损失不等温传热孤立系统中各种不可逆因素都表现为系统机械功损失机械功不可逆转化为热熵增原理只适用于孤立系统p熵增原理的实质熵增原理的实质u 阐明了过程进行的方向实际的热力过程总是朝着使孤立系统总熵增大的方向进行u 系统达到平衡状态的判据系统达到平衡状态时 热过程进行的限度u 热过程进行的条件如果某一过程的进行会导致孤立系中各物体的熵同时减小，或虽然各有增减但其和使系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程进行补偿，使孤立系统总熵增大，至少保持不变0isoS热力学第二定律的实质0isoS热力学第二定律数学表达式的最基本的形式0isodSp热力学第二定律数学表达式及其适用范围热力学第二定律数学表达式及其适用范围0rTQrTQdS 210addS0isodS 熵方程p闭口系闭口系rTQdSgrSTQdSgQfSdSdS,gQfSSS,21p开口系开口系iieergCVmsmsTQSdS稳定流动0CVdSmmmeigQfSSmss,12)( 习题习题4、气体在汽缸中被压缩,其熵和热力学