工程热力学第五章热力学第二定律(yyp)课件

1、第五章 热力学第二定律.1第五章 热力学第二定律.1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自发过程：不需要任何外界作用 而自动进行的过程。.2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5-1 热力学第二定律的实质及表述自然界自然过程都具有方向性，都是不可逆过程 热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热 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一、自然过程的方向性.35-1 热力学第二定律的实质及表述自然界自然过程都具有方向例1功热转换的方向性 功 热 可以自动地进行 (如摩擦生热、焦耳实验) 例2热传导的方

2、向性 热量可以自动地从高温物体传向低温物体,但相反的过程却不能发生. 热 功 不可以自动地进行 （焦耳实验的逆过程）.4例1功热转换的方向性 例3. 气体自由膨胀的方向性 气体自动膨胀是可以进行的,但自动收缩的过程是不可能的.实际上,“一切与热现象有关的自然过程（不受外界干预的过程，例如孤立系统内部的过程）都是不可逆的，都存在一定的方向性-存在着时间箭头”.位置较有序位置更无序.5 例3. 气体自由膨胀的方向性 气体自动 例4. 生命现象及其人类活动 生命过程是不可逆的: 出生童年少年青年中年 老年八宝山 不可逆! “今天的你我 怎能重复 过去的故事!”.6 例4. 生命现象及其人类活动 生命

3、过程 二、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: 它是论述热力过程的方向性及能量贬值的客观规律.7 二、热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性? 自然界 热力学第二定律的表述: 热功转换 传 热 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.8 热力学第二定律的表述: 热功转换 1、开尔文普朗克表述 不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，并使之完全转变为有用功而其它物体不发生任何变化。 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。

4、理想气体 T 过程 q = w冷热源: 容量无限大，取、放热其温度不变 .91、开尔文普朗克表述 不可能制成一种循环但违反了热力学第二定律第二类永动机是不可能制造成功的 第二类永动机：从单一热源取热并使之完全变为有用功的热机。并不违反热力学第 一 定律环境是个大热源.10但违反了热第二类永动机是不可能制造成功的 第二类永动机：2、克劳修斯表述 热量不可能自动地无偿地从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。空调,制冷代价：耗功热功 非自发过程补偿传热过程相同与不同：低温高温 非自发过程 补偿耗功生热过程.112、克劳修斯表述 热量不可能自动地无偿地从低温3、两种表述的关系开尔文普朗克表述 完全等

5、效!克劳修斯表述违反一种表述,必违反另一种表述!.123、两种表述的关系开尔文普朗克完全等效!克劳修斯表述违证明1、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 T1 Q2Q2WAQ1Q2对外作功WA对冷源放热Q2.13证明1、违反克表述导致违反开表述 WA = Q1 - Q2反证明2、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 取绝对值

6、 WA = Q1 Q1 -Q1 = Q2 违反克表述 T1 热源AB冷源 T2 100不可能热二律否定第二类永动机t =100不可能热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？.16热一律否定第一类永动机t 100不可能热二律否定第二类5.2 卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺 (S. Carnot)，提出卡诺循环效率最高卡诺认为：1）热量像水一样：水从高处低处 作功低温 作功热从高温水轮机热动力机2）可逆过程输出的功最大，循环的吸、放热过程均应是等温的.3）连接吸、放热的过程应是可逆绝热的.175.2 卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺 (S. Carno一、卡诺循环 理想可逆热机循环卡诺循环示意图

7、4-1定熵压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1)2-3定熵膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1) 无摩擦情况下，在一准静态循环过程中,若系统只和高温热源(温度T1)与低温热源(温度T2)交换热量,这样的循环称为卡诺循环。.18一、卡诺循环 理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1定熵压缩卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w.19卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w.19 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T

8、1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能如果t,c = 100%，则 T1 = 或 T2 = 0 K.20 t,c只取决于恒温热源T1和T2 卡诺循环热机效T0 c二、逆卡诺循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2 c .21T0 c二、逆卡诺循环卡诺制冷循环T0T2T1 逆卡诺循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0 .22T1 逆卡诺循环卡诺制热循环T0T1制热三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力.23三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力.23三、概括性卡诺循环（极限回热） 由2个可逆定温过程(a-b、c-d

9、)和2个同类型的其他可逆过程（d-a、b-c）组成，吸热和放热的多变指数n相同。bcdafeT1T2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 说明：1、卡诺循环是一个特例2、回热与极限回热 .24三、概括性卡诺循环（极限回热） 由2个可逆定温过程(四、卡诺定理定理1： 在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其热效率都相等，与循环种类无关，与采用哪一种工质也无关。 卡诺提出：卡诺循环效率最高定理2： 在相同的高温热源和相同的低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机的效率。即在恒温T1、T2下.25四、卡诺定理定

10、理1： 卡诺提出：卡诺循环效率最高定理2：即在卡诺定理1证明 反证法：设有任意的可逆热机A和可逆热机BA=WA/Q1B= WB/Q1把B逆转T1T2AQ1Q2AWAT1T2BQ1Q2BWBQ2BT1T2ABQ1WA-WBQ2AQ1假设A大于B：则WA大于WB违反开表述，单热源热机.26卡诺定理1证明 反证法：设有任意的可逆热机A和可逆热机BA B A R 反证法,假定：IR = R 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.27A B A Q1R多 Q2C tR多 Q1R多 =

11、T1(sc-sa) Q2R多 = T2(sc-sa) Ts.28五、多热源（变热源）可逆循环 多热源可逆热机与卡诺定理小结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 ：不可逆过程热二律表达式之一.47七、 孤立系统熵增原理孤立系统无质量交换结论：孤立系统的熵只孤立系熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系：假设1向2传热当T1T2可自发传热当T1T2不能传热当T1=T2可逆传热.48孤立系熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤

12、立系：孤立系熵增原理举例(1)QT2T1STT1T2如果是两个物体之间的传热，则用微分形式.49孤立系熵增原理举例(1)QT2T1STT1T2如果是两个物体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.50孤立系熵增原理举例(2)两恒温热源间工作的可逆热机Q2T2T孤立系熵增原理举例(2)Q2T2T1RWQ1功源STT1T2两恒温热源间工作的可逆热机.51孤立系熵增原理举例(2)Q2T2T1RWQ1功源STT1T2孤立系熵增原理举例(3)T1T2RQ1Q2W假定 Q1=Q1 ，tIR tR IRWQ1Q2两恒温热源间工作的不可逆热机.52孤立系熵增原理举例(3)T

13、1T2RQ1Q2W假定 Q1=Q1孤立系熵增原理举例(4)功热是不可逆过程T1WQ功源单热源取热功是不可能的.53孤立系熵增原理举例(4)功热是不可逆过程T1WQ功源单热源孤立系熵增原理举例(5)Q2T2T0WQ1功源冰箱制冷过程若想必须加入功W,使.54孤立系熵增原理举例(5)Q2T2T0WQ1功源冰箱制冷过程若对孤立系熵增原理的理解：是对孤立系统而言实际过程总是向着使孤立系统熵增加的方向进行方向如果过程进行的结果，使孤立系统熵增加，则它可以自发进行；如果过程进行的结果，使孤立系统熵减少，则它不可以自发进行，需补偿熵增过程条件孤立系统由不平衡过渡到平衡，熵不断增大，直到熵达到某一最大值限度

14、又称为能量贬值原理.55对孤立系熵增原理的理解：是对孤立系统而言.55熵方程闭口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动订正：12.56熵方程闭口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动订 热二律的表述 热二律的表达式 熵 孤立系熵增原理第五章 小 结重点方向 条件 限度.57 热二律的表述第五章 小 结重点方向 条件 第五章 习题课例1、有一台内燃机用涡轮增压器，在涡轮机进口处工质的压力为0.2MPa，温度为650,出口处工质的压力为0.1MPa，且涡轮机中工质绝热膨胀过程的效率为90%。涡轮机产生的功率全部用于驱动增压器，增压器入口处工质的压力为0.1MPa、温度为27。增

15、压器对工质进行绝热压缩过程的效率为90%。假设工质的性质均和空气相同。试求当输气量为0.1Kg/s时，涡轮机的功率，排气的温度以及增压器出口处空气的温度及压力。.58第五章 习题课例1、有一台内燃机用涡轮增压器，在涡轮机进增压器涡轮机内燃机空气废气1234输出功 已知： P3=0.2MPa T3=923K P4=0.1MPa 1=90% P1=0.1MPa T1=300K 2=90% m=0.1Kg/s求：Wt=? T4=? P2=? T2=? Wt=?T4=?P2=?T2=?.59增压器涡轮机内燃机空气废气1234输出功 已知：求：Wt=解：膨胀过程的效率（涡轮机效率） 不可逆（实际）绝热膨胀过程的轴功 相应的可逆绝热膨胀过程的轴功Wt，s绝热压缩过程的效率（压气机绝热效率） 相应的可逆绝热压缩过程消耗的功 不可逆（实际）绝热压缩过程消耗的功（1）求：Wt=? T4=? 选取涡轮机为系统，开系，稳 对于可逆过程3-4：.60解：膨胀过程的效率（涡轮