工程热力学教学课件：热力学第二定律

1、工程热力学 Engineering Thermodynamics热力学第二定律热力学第二定律的实质与表述卡诺循环与卡诺定理状态参数熵及熵方程孤立系统熵增原理及做功能力损失 与 分析与 方程回顾热力学第一定律“热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，它们间的比值是一定的。”热力学第一定律能量守恒与转化定律阐述了能量之间的数量关系第一类永动机是不可能制成的。Perpetual-motion machine of the first kind问题：第二类永动机能否实现？perpetual-motion machine of the second kind这类永动机并不违反热力学第一定律，但

2、是否能够实现？设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。单热源热机第二类永动机：热力学第二定律可回答此问题如果：第二类永动机能够实现海洋太阳Q第二类永动机WQW=Q不会出现能源危机，不需要节能。如能实现热力学第二定律的表述传 热热功转换 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的表述 Kelvin-Planck Statement不可能从单一热源取热，并使之完全转变为机械能而不产生其它影响。It is impossible for any device that operates on a cycle

3、to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work.克劳休斯表述Clausius statement不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body.

4、热力过程的方向性自发过程：不需要任何附加条件就可以自然地进行的过程，称为自发过程。其反向过程不可能自发地进行，称为非自发过程。非自发过程必须有另一自发过程作补偿条件才能实现。自发过程：热量自高温物体传递给低温物体，摩擦生热，高压气体膨胀为低压气体，不同种类气体混合等。非自发过程：热力循环，热能转换为机械能，需向冷源放热制冷或热泵循环，热量从低温物体传递至高温物体，需耗功两种表述的关系克劳休斯表述开尔文-浦朗克表述完全等效!违反一种表述,必违反另一种表述!违反开描述导致违反克描述 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

5、取绝对值 Q1 -Q2= WA = Q1 Q1 -Q1 = Q2 违反克表述 T1 热源AB冷源 T2 T1 Q2Q1WAQ1违反克描述导致违反开描述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不可能卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺 (S. Carnot)，根据蒸气机热力循环，于1824年提出卡诺循环热二律奠基人效率最高热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？解决了卡诺生平1796年6月1日，卡诺在巴黎出生 18

6、12年，卡诺考入巴黎理工学院1819年，卡诺考入巴黎总参谋军团1824年6月12日，发表论火的动力1832年8月24日，死于疾病卓越贡献提出了可逆过程的概念，提出了卡诺循环、卡诺热机和卡诺定理，为提高热机效率指明了方向，为热力学第二定律的诞生奠定了坚实的基础时代背景工业革命的兴起蒸汽机的发明和应用热质说盛行热质说与热动说卡诺循环Carnot cycle4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程， 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)卡诺循环热机效率Carnot efficiency卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w

7、T1 K, T2 0 K, t,c tR WIR- WR = Q2 - Q2 0T1无变化从T2吸热Q2-Q2违反开描述，单热源热机假定Q1= Q1 要证明T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIRWR把R逆转WIR=Q1-Q2WR=Q1-Q2 对外作功WIR-WR 克劳休斯的证明假定：WIR=WR若 tIR tR Q1 0从T2吸热Q2-Q2向T1放热Q1-Q1不付代价违反克描述 要证明 Q1-Q2= Q1-Q2 T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WR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。 求证： tR1 = tR2 由卡诺定理tR1

8、 tR2 tR2 tR1 T1T2R1R2Q1Q1Q2Q2WR1WR2只有： tR1 = tR2 tR1 = tR2= tC与工质无关卡诺定理推论二在两个不同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。 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 T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIR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、不可逆热

9、机tIR 同热源间工作可逆热机tRtIR ：不可逆过程结论：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。孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理： 孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。Increase of entropy principle： The entropy of an isolated system during a process always increase or, in the limiting case of a reversible process, remains constant.熵增原理的意义可通过孤立系统熵增原理判断过程的方向。熵

10、增原理可作为系统平衡的判据：当孤立系统的熵达到最大值时，系统处于平衡状态。熵增原理与过程的不可逆损失密切相关，不可逆程度越大，熵增也越大，由此可定量评价过程的热力学性能的完善性。举例：判断过程的方向取热源T1和T2为孤立系当T1T2可自发传热当T1 tIR 作功能力:以环境为基准,系统可能作出的最大功假定 Q1=Q1 ， WR WIR 作功能力损失作功能力损失假定 Q1=Q1 ， W R WIR 作功能力损失热力循环可逆循环作功能力损失EX与AN热力学第二定律揭示了能量在转换和传递过程中的方向性和能质不守恒的客观规律。如何将能量的“量”和“质”结合起来评价能量的价值？如何表述能量的“质”如何表

11、述能量的价值 热量能否正确的表述能量的价值？如何表述能量的价值h1 = h2w1 w2焓能否正确的表述能量的价值？如何表述能量的价值u1 = u2w1 w2热力学能能否正确的表述能量的价值？三种不同品质的能量 1、无限转换能如：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、不可转换能理论上不能转换为功的能量 如：环境（大气、海洋） 3、有限转换能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）Exergy与Anergy Ex的定义当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其它能量形式的那部分能量，称

12、为Ex 100%相互转换 功 能量中除了 Ex 的部分，就是 An Ex作功能力 EnExAn Ex（火用）作功能力 环境一定，能量中最大可能转换为功的部分热一律和热二律中Ex的含义 一切过程， Ex+An总量恒定热一律： 热二律：在可逆过程中，Ex保持不变 在不可逆过程中， 部分Ex转换为An Ex损失、作功能力损失、能量贬值任何一孤立系， Ex只能不变或减少，不能增加。 孤立系Ex减原理 由An转换为Ex不可能 Degradation of energy热量Ex 1、恒温热源 T 下的 Q ExQ: Q中最大可能转换为功的部分 卡诺循环的功 热量Ex 2、变温热源下的 Q 微元卡诺循环的功

13、 冷量Ex T T0 的冷量Q2 卡诺循环的功 热力学能Ex 设一闭口系统（1kg），状态为 u1, s1, T1, p1, v1经某可逆过程，与环境达到平衡，状态为u0, s0, T0, p0, v0，过程中放热 ,对外作功为w 假定 通过可逆热机作功 wexu = w = w + w 热力学能Ex 热一律： 热二律：热力学能Ex热力学能ex：(有用功) 克服环境压力焓Ex经稳定可逆流动，与环境达到平衡，状态为h0, s0, c0, z0，过程中放热为 ，对外作功为ws假定 通过可逆热机作功ws exh= ws = ws+ ws 焓Ex 热一律： 热二律： 能量分析与Ex分析能量分析法Ex分析法依据平衡式效率热一律热一律、热二律1.能量分析是不同质能