工程热力学课件：第五章 热力学第二定律

1、第五章 热力学第二定律Second Law of Thermodynamics能量之间数量的关系热力学第一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程是否都能自发进行重物下落，水温升高;水温下降，重物能否升高？电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内能否产生反向电流？ 5-1 热力学第二定律自发过程的方向性功热转化电热转化耗散效应QQ?自发过程的方向性AB真空温差传热自由膨胀不平衡势差自发过程：不需要任何外界作用而能够独立、无条件自动进行的过程。总结:自然界自发过程都具有方向性;注:自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件;并非所有不违反热力学第一定律的过程均可行。摩擦生热

2、 温差传热水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势 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，而必须将某一部分热量传给冷源。但违反了热力学第二定律第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力 学

3、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? 如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低5C，发电能力可提高11.7倍。设水位差为180米重力势能转化为电能：mkg水降低5C放热：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。 热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。例:空调,制冷代价：耗功Clausius statement两种表述的关系开尔文普朗克表述 完全等效!克劳修斯表述违反一种表述,必违反另一种表述!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

4、绝对值 Q1 -Q2= WA = Q1 Q1 -Q1 = Q2 违反克表述 T1 热源AB冷源 T2 T1 Q2Q1WAQ1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5-2 卡诺循环与多热源可逆循环分析法国工程师卡诺 (S. Carnot)，1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高卡诺循环 理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，

5、q1 = T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1)卡诺循环热效率卡诺循环热效率T1T2Rcq1q2w t,c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关；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 100%， 热二律T0 c逆向卡诺循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2 c T1 逆向卡诺循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0 三种卡诺循环T0T2T1制冷

6、制热TsT1T2动力 有一卡诺热机,从T1热源吸热Q1,向T0环境放热Q2,对外作功W带动另一逆向卡诺循环,从T2冷源吸热Q2,向T0放热Q1例 题T1T2(T0 则5-3 卡诺定理（热二律的推论之一）定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的 所有热机，可逆热机的热效率为最高。 卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下 结论正确，但推导过程是错误的 当时盛行“热质说” 1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明开尔文的证明反证法若 tIR tR T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIRWIR- WR = Q2 - Q2 0T1无变化从T2吸热Q2-Q2违反开表述，单热源热机WR假定Q1=

7、 Q1 要证明把R逆转-WRWIR=Q1-Q2WR=Q1-Q2 对外作功WIR-WR 克劳修斯的证明反证法假定：WIR=WR若 tIR tRT1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIR Q1 0从T2吸热Q2-Q2向T1放热Q1-Q1不付代价违反克表述 要证明 Q1-Q2= Q1-Q2 WR把R逆转卡诺定理推论一 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。T1T2R1R2Q1Q1Q2Q2WR1 求证： tR1 = tR2 由卡诺定理tR1 tR2 tR2 tR1 WR2 只有： tR1 = tR2 tR1 = tR2= tC与工质无关卡诺定理推论二 在两个不同

8、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 证明tIR = tR 反证法,假定：tIR = tR 令 Q1 = Q1 则 WIR = WR 工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。 Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0 WR多热源（变热源）可逆机 多热源可逆热机与相同温度界限的卡诺热机相比，热效率如何？Q1C Q1R多 Q2C tR多 Q1R多 = T1(sc-sa) Q2R多 = T2(sc-sa) Ts概括性卡诺热机如果吸热和放热的多变指数相同bcdafeT1

9、T2完全回热 Tsnn ab = cd = ef 这个结论提供了一个提高热效率的途径 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、多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC 3、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 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。卡诺定理举例 A 热机是否能实现1000 K300 KA2000 kJ80

10、0 kJ1200 kJ可能 如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能500 kJ实际循环与卡诺循环 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC =74.7% 实际t =3040% 卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上 T s 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t 可达50%作 业5-15-35-45-4 克劳修斯不等式5-4、 5-5熵、 5-6孤立系熵增原理 围绕方向性问题，不等式热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性 定义熵Clausius inequality克劳

11、修斯不等式克劳修斯不等式的研究对象是循环 方向性的判据正循环逆循环可逆循环不可逆循环 克劳修斯不等式的推导克劳修斯不等式的推导（1）可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热 克劳修斯不等式的推导（2）不可逆循环1、正循环（卡诺循环）T1T2RQ1Q2W吸热 假定 Q1=Q1 ，tIR tR，WW 可逆时IRWQ1Q2克劳修斯不等式推导总结可逆 =不可逆 正循环（可逆、不可逆）吸热反循环（可逆、不可逆）放热仅卡诺循环?克劳修斯不等式 对任意循环克劳修斯不等式将循环用无数组 s 线细分，abfga近似可看成卡诺循环= 可逆循环 不可能热源温度热二律表达式之一 克劳修斯不等式例题 A

12、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 kJ注意： 热量的正和负是站在循环的立场上5-4 熵Entropy热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性热二律推论之三 熵反映方向性熵的导出定义：熵于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。小知识克劳修斯不等式可逆过程， ， 代表某一状态函数。= 可逆循环 不可逆S与传热量的关系= 可逆不可逆：不可逆过程定义熵产：纯粹由不可逆因素引起

13、结论：熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：永远热二律表达式之一Entropy flow and Entropy generation熵流、熵产和熵变任意不可逆过程可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程不易求熵变的计算方法理想气体仅可逆过程适用Ts1234任何过程熵变的计算方法非理想气体：查图表固体和液体：通常常数例：水熵变与过程无关，假定可逆：熵变的计算方法热源（蓄热器）：与外界交换热量，T几乎不变假想蓄热器RQ1Q2WT2T1T1热源的熵变熵变的计算方法功源（蓄功器）：与只外界交换功功源的熵变理想弹簧无耗散 5-6 孤立系统熵增原理孤立系统无质量交换结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能

14、减小，这一规律称为孤立系统 熵增原理。无热量交换无功量交换=：可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一为什么用孤立系统？孤立系统 = 非孤立系统 + 相关外界=：可逆过程 reversible：不可逆过程 irreversibleT2可自发传热当T1T2不能传热当T1=T2可逆传热传热过程:孤立系熵增原理举例(2)两恒温热源间工作的可逆热机Q2T2T1RWQ1功源孤立系熵增原理举例(3)T1T2RQ1Q2W假定 Q1=Q1 ，tIR tR，W：不可逆过程热源T相同相同判断题（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：不可逆过程相

15、同初态s1相同判断题（3） 若工质从同一初态出发，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？可逆绝热不可逆绝热STp1p2122 可逆与不可逆讨论(例1)2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ不可逆热机83 kJ17 kJ由于膨胀时摩擦摩擦耗功 2kJ当T0=300K作功能力损失=T0Siso= 2kJ可逆与不可逆讨论(例2)有温差传热的可逆热机2000 K300 K100 kJ16 kJ84 kJ100 kJ1875 K可逆与不可逆讨论(例3)某热机工作于T1=800K和T2=285K两个热源之间，q1=600kJ/kg，环境温度为285K， 试求： （1）热机

16、为卡诺机时，循环的作功量及热效率 （2）若高温热源传热存在50K温差，绝热膨胀不可逆性引起熵增0.25kJ/kg.K，低温热源传热存在15K温差，这时循环作功量、热效率、孤立系熵增和作功能力损失。可逆与不可逆讨论(例3)（1）卡诺热机800 KST285 K可逆与不可逆讨论(例3)800 K285 Kq1q2wq1750 K300 Kq2高温热源传热存在50K温差绝热膨胀不可逆性引起熵增低温热源传热存在15K温差（2） s不可逆=0.25可逆与不可逆讨论(例3)(2)800 KsT285 K750 K300 K s1 s不可逆=0.25可逆与不可逆讨论(例3)(2)可逆与不可逆讨论800 Ks

17、T285 K750 K300 K 例4有人声称已设计成功一种热工设备,不消耗外功,可将65 的热水中的20%提高到95 ,而其余80%的65 的热水则降到环境温度15 ,分析是否可能? 若能实现,则65 热水变成95 水的极限比率为多少?已知水的比热容为4.1868kJ/kg.K解：热一律, 热平衡设有1kg 65 的热水0.2kg从65 提高到95 , 吸热0.8kg从65 降低到15 , 放热如果 吸热量放热量不满足热一律 例40.8kg从65 降低到15 , 放热量0.2kg从65 提高到95 , 吸热量吸热量放热量符合热一律多余热量放给环境,环境吸热量 例40.2kg95 0.8kg6

18、5 Q115 Q2Q00.2kg从65 提高到95 0.8kg从65 降低到15 环境吸热热二律取孤立系黑箱方法0.2kg65 例4热二律取孤立系黑箱方法0.2kg95 65 0.8kg65 15 15 环境吸热可能 例4热二律取孤立系黑箱方法mkg95 65 (1-m)kg65 15 15 环境吸热解得冷热管能量的可转换性, Ex和An 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）