工程热力学第五章

第五章热力学第二定律热力学第一定律的局限性热力学第一定律强调的是能量在数量上的守恒，并没有考虑不同类型能量在作功能力上的差别热力学第一定律不能判断热力过程的方向性所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行？第一节热力学第二定律的实质表述一、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进行的过程

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自发过程具有方向性、条件、限制二、热力学第二定律的实质目的：为了找出热力过程方向性的共同的规律性和判别依据实质：论述热力过程的方向性及能质退化或贬值的客观规律方向性：指明自发过程进行的方向和实现非自发过程所需要的条件及过程进行的最大限度等三、热力学第二定律的表述二种经典表述：

克劳修斯说法（热量角度）：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化RudolphClausius

R.克劳修斯（1822-1888）德国热一律热二律开尔文－普朗克说法

不可能制造只从一个热源取热使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机。LordKelvin开尔文原名：W.汤姆逊

WilliamThomson

（1824-1907）英国热二律开尔文温度焦汤系数MaxPlanckM.普朗克（1858-1947）德国发现能量子（量子理论）获1918诺贝尔物理学奖

第二类永动机

定义：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。并不违反热力学第一定律违反了热力学第二定律不可能制造出来热力学第二定律二种经典说法的一致性证明1、违反克表述导致违反开表述

Wo=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R从热源吸热Q1

冷源无变化

从热源吸收Q1-Q2全变成功Wo

违反开表述对外作功Wo对冷源放热Q2证明2、违反开表述导致违反克表述

Q1=Wo+Q2反证法：假定违反开表述热机R从单热源吸热全部作功Q1=Wo

用热机A带动可逆制冷机B

取绝对值

Q1-Q2=Wo=Q1

Q1-Q1=Q2

违反克表述二种表述的一致性自发过程都具有方向性表述之间等价不是偶然，说明共同本质若想逆向进行，必须付出代价第二节卡诺循环与卡诺定理热一律否定第一类永动机t

>100％不可能热二律否定第二类永动机t

=100％不可能最大限度的转换效率是多少呢？S.卡诺

NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人一、卡诺循环d-a可逆绝热压缩过程，回复到初态a-b可逆定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)b-c可逆绝热膨胀过程，对外作功c-d可逆定温放热过程，q2=T2(s2-s1)结论：卡诺循环热效率大小只决定于热源温度T1和冷源温度T2卡诺循环热销率总是小于1当T1＝T2时单一热源的循环发动机不可能实现卡诺循环热效率与工质的热效率无关二、逆卡诺循环结论逆卡诺循环的性能系数只决定于热源温度及冷源温度，随的降低及的提高而增大逆卡诺循环的制冷系数可以大于1，等于1或者小于1，其供热系数总是大于1在一般情况下，逆卡诺循环的制冷系数通常也大于1逆卡诺循环可以用来制冷或供热，也可在同一设备中交替实现三、卡诺定理定理表达：

1.所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高

2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等反证法证明假定：WA=WB若tA>tB

Q1

<Q1’

Q1’-

Q1

=Q2’-Q2>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’

卡诺循环与卡诺定理的应用和理论价值指出了热效率的极限值，只与热源温度有关，恒小于1指出了提高热效率的途径，提高T1，减小T2，减小可逆因素改进热机以尽可能接近卡诺循环，为卡诺循环的热效率为最高标准第三节熵及熵方程一、熵的导出对整个可逆循环T为热（冷源）源温度令s称为比熵，对系统总质量而言的总熵为S＝m·s于是可推导出：对不可逆循环：克劳修斯不等式T-热源温度

S-工质的熵对有限过程：克劳修斯不等式的意义系统熵变在可逆时等于克劳修斯积分，在不可逆时系统熵变大于克劳修斯积分熵作为系统状态参数，只取决于状态特性，过程中熵的变化只与过程初终状态有关而与过程的路径及过程是否可逆无关不可逆熵变过程大于克劳修斯积分证明建立熵方程求熵产一般形式：（输入熵－输出熵）＋熵产＝系统熵变熵产＝（输出熵－输入熵）＋系统熵变如果把系统输入和输出的熵统称为熵流：系统熵变＝熵流＋熵产1.闭口系统：穿过闭口系统边界传递的熵流随热流一起传递，即

T－传热源温度闭口系统内部任何不可逆因素都有熵产闭口系统能量方程ssys－系统熵变Sf－熵流，其符合视热流方向而定，系统吸热（为正），系统放热（为负），绝热（为零）Sg－熵产，不可逆过程（为正），可逆过程（为零）计算推导(a)(b)两容器中盛有相同状态(p1,T1)和相同质量的某种工质，在定压条件下通过以下两种不同的途径达到相同的终态(p2,T2)。闭口系统（a）（b）的熵方程：（a）为绝热搅拌，系统熵变视由耗散效应的熵产所致则：（b）为可逆传热，系统熵变是由随热流传递熵流所致则：由于系统熵产取决于初终状态，无论过程是否可逆，系统熵变均可通过可逆的途径计算得出，设工质的定压比热，则有：2.开口系统熵方程对于有限过程：对于稳态稳流的开口系统：第四节孤立熵增原理与作功能力损失3.孤立系统熵方程孤立系统的熵变等于孤立系统的熵产，即孤立系统的熵产可以通过该系统各部分的熵变进行计算：熵增原理熵增原理：绝热闭口系统或孤立系统的熵只能增加（不可逆过程）或保持不变（可逆过程），而绝不能减少。任何实际过程都是不可逆过程，只能沿着使孤立系统熵增加的方向进行。熵增原理的意义可通过孤立系统的熵增原理判断过程进行的方向熵增原理克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性密切相关，不可逆程度越大，熵增也越大。由此可以定量地评价过程的热力学性能的完善性二、作功能力损失取环境状态作为衡量系统作功能力大小的参考状态，即系统与环境相平衡时系统不再有作功能力。作功能力损失与熵产之间的关系：对于孤立系统结论证明假设二种循环从热源吸取相同的热量q，经可逆热机对外作功后，向相同的冷源放热：可逆循环对外作最大功：熵方程：不可逆循环对外作最大功：熵方程：不可逆循环比可逆虚幻少作的功（不可逆损失）为：熵的练习

任何过程，熵只增不减

若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到达同一终点，则不可逆途径的S必大于可逆过程的S

可逆循环S为零，不可逆循环S大于零╳╳╳

不可逆过程S永远大于可逆过程S╳第五节用与火无火用是能量可用性、可能性、有效能的统称。一、火用和火无的定义根据能量转换能力将能量分为三种类型可以完全转换的能量，如机械能、电能等可部分转换的能量，如热量、内能等不能转换的能量，如环境内能等火用：当系统由任意状态可逆转变到与环境状态时，能最大限度转换为“可完全转换能量”的那部分能量称为火用（exergy）火无：不能转换为火用的那部分能量称为火无（anenergy）En=Ex+An能量转换规律用火用和火无的表述热力学第一定律：能量守恒，即火用和火无的总量守恒，可表示为(ΔEx+ΔAn)iso=0热力学第二定律：一切实际热力过程中不可避免地发生部分火用退化为火用，而火无不能在转化为火无，可称为孤立系统火用降原理，并表示为：Exiso≤0火用与熵可作为过程方向性及热力学性能完善性的判据二、热量火用与冷量火用热量火用：当热源温度（T）高于环境温度（T0）时，从热源取得热量Q，通过可逆热机可能对外界作出地最大功热量火无：AnQ=Q-ExQ=T0Sf

表明：在T0一定情况下，热量火用与熵成正比。火无是不可用能（或称无效能），因此，熵从能量转换角度可理解为不可用能地度量，对系统加热既增加了系统地可用能，也增加了系统的不可用能。冷量火用:当系统温度（T）低于环境温度（T0

）时，从致冷角度理解，按逆循环进行，从系统（冷源）获取冷量Q0

，外界消耗一定量的功，将Q0连同消耗地功一起转移到环境中去。在可逆条件下，外界消耗地最小功即为冷量火用。反之，如果低于环境温度地系统吸收冷量Q0时，向外界提供冷量火用，即可以用它作出有用功冷量火无：由热力学第一定律，Q＝Q0

＋ExQ=T0Sf，该能量是为获取制冷量Q0

而必须传给环境的能量，此能量不能再转化为火用，称为冷量火无：AnQ0=T0Sf

三、内能火用定义：从给定闭口系统状态（p,T）可逆地过渡到与环境转头（p0,T0）相平衡，对外所作最大有用功称为内能火用。设系统状态高于环境状态，为保证系统与环境之间实现可逆换热条件，系统必须首先进行绝热膨胀，当系统温度达到与环境温度相等时，才能进行可逆换热，因此，系统可逆过渡到环境状态，首先经历一个定熵过程，然后是定温过程。考虑到系统膨胀时对环境作功p0dV不能被有效利用，故最大有用功（内能火用）：热力学第一定律：热力学第二定律：当环境状态一定时，内能火用取决于系统状态，因此内能火用是状态参数，其微分形式：内能火用：四、焓火用定义：忽略动能、位能变化。工质流从初态（p,T）可逆过渡到环境状态（p0,T0），单位工质焓降（h-h0）可能最出地最大技术功为了使系统与环境之间进行可逆换热，工质首先必须进行一个定熵过程，温度达到T0，然后再与环境进行定温换热按热力学第一定律：按热力学第二定律：合并二式得：第六节火用分析与火用方程一、火用分析与能量分析的比较分析方法：

1）依据热力学第一定律的能量分析法

2）依据热力学第二定律的熵分析法或热力学第一定律与热力学第二定律相结合的火用分析法。能量分析和火用分析名称能量分析火用分析依据热力学第一定律热力学第一、第二定律平衡式效率二种分析方法得不同特点能量分析中是功量、热量等不同质的能量的数量平衡或比值；而火用分析是同质能量得平衡式或比值。说明火用分析比能量分析更科学、合理。能量分析仅反映出控制体输出外部能量的损失，如Q、E2；而火用分析除分析控制体输出外部的火用损失Ex1、ExQ外，还能反映控制体内部各