第3章-热力学第二定律-课件

第三章（第三节）

热力学第二定律1PPT课件第一节热力过程的

方向性2PPT课件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

问题：所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行？3PPT课件

只要Q'不大于Q，并不违反热力学第一定律Q'?Q4PPT课件

一刚性绝热容器，被刚性隔板分成A、B两部分：A内有气体，B内为真空。抽掉隔板后，工质经自由膨胀达到新的平衡。重新将隔板插入，A+B内的气体能否自动收缩到A内？

UA+B=UA，不违反热力学第一定律5PPT课件

重物下落，水温升高;

水温下降，重物升高？只要重物位能增加≤水温下降引起的水的热力学能减少，不违反热力学第一定律。电流通过电阻，产生热量；对电阻加热，电阻内产生反向电流？

只要电能不大于加入热能，不违反热力学第一定律。6PPT课件结论：自发过程具有方向性、条件、限度；并非所有不违反热一律的过程均可自动进行。自然界自发过程都具有方向性。自发过程（Spontaneousprocess）：不需要任何外界作用而自动进行的过程。如：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。

7PPT课件

能量转换方向性的实质是能量的品质有差异无限可转换能—机械能，电能部分可转换能—热能不可转换能—环境介质的热力学能能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件——补偿过程，其总效果是总体能质降低。8PPT课件自然界自发过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?9PPT课件第二节热力学第二定律的表述10PPT课件热力学第二定律应用范围极为广泛，如：热量传递、热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体扩散、分离、溶解、结晶、生物化学、生命现象、低温物理、气象等领域。在不同的领域里有不同的表述，其表述多达60~70种。工程热力学中典型表述有两种：克劳修斯表述——热量传递的角度开尔文－普朗克表述——热功转换的角度11PPT课件克劳修斯表述Clausiusstatement：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。开尔文－普朗克表述Kelvin－PlanckStatement：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，而必须将某一部分传给冷源。热机：实现热—功转换的机器连续作功构成循环；有吸热，有放热。12PPT课件开尔文－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!!!13PPT课件证明1：违反开氏表述导致违反克氏表述假定违反开氏表述，热机A从单热源吸热并全部作功，热源T1失去热量：

Q1=WA用热机A带动可逆制冷机B工作，热源T1得到热量（取绝对值）：Q1'=WA+Q2'

Q1'-Q2'=WA=Q1热源T1获得净热量：

ΔQ=Q1'-Q1=Q2'

违反了克氏表述。

T1热源AB冷源T2<T1

Q2’Q1’WAQ114PPT课件证明2：违反克氏表述导致违反开氏表述假定违反克氏表述，Q2热量可无偿从冷源送到热源；假定热机A从热源吸热Q1，对外作功WA，对冷源放热Q2：WA=Q1-Q2冷源无变化;热源失去净热量（取绝对值）：

ΔQ=Q1-Q2=WA

→全部变成功WA，违反开氏表述。

T1热源A冷源T2<T1

Q2Q2WAQ1Q215PPT课件由开尔文－普朗克表述引出的热力学第二定律的又一表述：第二类永动机是不可能制造成功的。第二类永动机（perpetual-motionmachineofthesecondkind）：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第一定律，但违反了热力学第二定律。16PPT课件热力学第二定律的实质自发过程都是具有方向性的;若想逆向进行，必付出代价。各种表述之间等价不是偶然，说明共同本质17PPT课件热力学第二定律的推论之一：卡诺定理——给出热机的最高理想热力学第二定律的推论之二：状态参数熵——反映热力过程的方向性热力学第二定律的推论之三：克劳修斯不等式——反映热力过程方向性热力学第二定律的推论之四：孤立系熵增原理——热力学第二定律的数学表达式18PPT课件第三节卡诺循环和

卡诺定理

——热机的最高理想19PPT课件比较：热一律与热二律热一律否定第一类永动机t≯100％热二律否定第二类永动机ηt≠100％热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？20PPT课件卡诺循环（Carnotcycle）和卡诺定理由法国工程师卡诺(S.Carnot)1824年提出。热力学第二定律推论之一。两个恒温热源之间的理想可逆正循环（热机循环）——效率最高。指出了影响热机循环热效率最本质的东西：热机必须工作在两个热源之间，热量要从高温热源流向低温热源才能作功。热机作功的数值与什么工质无关，而仅仅决定于两个热源之间的温度差。21PPT课件卡诺循环Carnotcycled-a绝热压缩过程：

外界对系统作功a-b定温吸热过程：

qH=THΔsb-c绝热膨胀过程：

系统对外作功c-d定温放热过程：

qL=TLΔs22PPT课件卡诺循环热效率CarnotefficiencyTHTLRcqHqLw热效率只与TH与TL有关，与工质无关。热效率只能小于1。当TH

＝TL时，热效率为零（第二类永动机不能实现）。对于任一热机：23PPT课件卡诺循环是工作在两个恒温热源间的理想可逆正循环（热机循环）。实际循环不可能实现卡诺循环，原因：一切过程不可逆；气体实施等温吸热，等温放热困难；气体卡诺循环w太小，若考虑摩擦，输出净功极微。卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向：提高高温热源温度；降低低温热源温度。卡诺循环热效率的意义24PPT课件卡诺逆循环25PPT课件卡诺逆循环卡诺制冷循环T0TLRcqHqLwT0TL制冷Tss2s1制冷系数：26PPT课件卡诺逆循环卡诺制热循环THT0RcqHqLw供暖系数：T0TH制热Tss2s127PPT课件三种卡诺循环比较T0TLTH制冷制热TsTHTL动力28PPT课件在两个恒温热源之间除了卡诺循环，还有没有其他的可逆循环？29PPT课件概括性卡诺循环双热源间的极限回热循环。特点：等温传热回热（利用工质原本排出的热量来加热工质）30PPT课件卡诺定理推论定理1：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。定理2：在同为温度TH的热源和同为温度TL的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。31PPT课件定理1的证明WA-WBAABB32PPT课件定理2的证明WA'-WBA'A'BB33PPT课件结论两恒温热源间一切可逆循环的热效率都相等，都等于相同温限卡诺循环的热效率。相同高、低温热源间的不可逆循环的热效率小于相应可逆循环的热效率。在动力循环（热机循环）中不可能把从热源吸取的热量全部转变为功。要实现连续的热功转换，必须有两个以上的温度不等的热源。不花代价的冷源温度以大气温度T0为最低限。34PPT课件卡诺定理的理论意义：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。提高热机效率的途径：可逆、提高TH，降低TL；提高热机效率的极限。35PPT课件多（变温）热源可逆循环

——平均吸热温度和平均放热温度36PPT课件变温可逆循环可视为由温差无限小的无穷多个恒温热源组成的可逆循环。热效率：37PPT课件过程的吸（放）热量：平均吸（放）热温度：热效率：对于任何可逆循环，工质的平均吸热温度越高，平均放热温度越低，循环热效率越高。38PPT课件例题一某一循环装置在热源TH=2000K下工作，能否实现作功1200kJ，向TL=300K的冷源放热800kJ？THTLQHQLW解法一39PPT课件例题二若用家用电冰箱将4kg温度为25℃的水制成0℃的冰，试问需要的最少电费是多少？已知水的比热容cw=4.19kJ/kg·K，冰在0℃时的熔解热为334kJ/kg，电费价格为0.50元/(kW·h)，设环境温度为25℃。THTLRcQHQLW40PPT课件解法一41PPT课件例三

以20℃的环境为热源，以1000kg温度为0℃的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20℃时，热机对外所做的净功为多少？THTLRcQHQLW

对于微元卡诺循环有：解法一42PPT课件43PPT课件第四节状态参数熵

——热力过程的方向性44PPT课件熵entropy

用于描述所有不可逆过程共同特性的热力学状态参数。与热力学第二定律紧密相关的状态参数：为判别实际过程的方向、过程能否实现、是否可逆提供了判据。过程不可逆程度的度量热力学第二定律的量化45PPT课件熵的导出对于卡诺循环，有：

TH、TL：热、冷源温度；QH、QL：工质在循环中的吸、放热量（绝对值）；Q2取值为负。46PPT课件对于任意可逆循环1A2B1，用无数条绝热线a-g、b-f等对循环进行分割。当两条线非常接近时，吸热和放热可看成定温微元过程。对于微元卡诺循环abfga有：令分割循环的可逆绝热线数量→无穷大，且任意两线间距离→0。整个循环：47PPT课件克劳修斯积分等式48PPT课件任意工质经任一可逆循环，微小量沿循环的积分为0。熵:比熵：

克劳修斯积分：49PPT课件

对于可逆过程：计算任意可逆过程熵变的途径。可逆时熵的物理意义：熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小吸热放热热量无变化50PPT课件第五节克劳修斯不等式和不可逆过程的熵变

——热力过程的方向性51PPT课件用一组可逆绝热线将不可逆循环1A2B1分割成无穷多个微元循环。∵a、b、c……相邻两点无限靠近；∴可以近似地将相邻两点间的换热过程视为定温换热过程。每一微元循环都可以近似为具有两个定温热源的循环。其中仅有一部分为可逆循环。52PPT课件

可逆微元循环部分：

不可逆微元循环部分：

可逆部分+不可逆部分：53PPT课件克劳修斯不等式：

称为热力学第二定律数学表达式之一。循环是否可逆、是否可以发生的判别：=0：可逆循环；<0：不可逆循环；>0：不可能。54PPT课件例三：以20℃的环境为热源，以1000kg温度为0℃的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20℃时，热机对外所做的净功为多少？THTLRcQHQLW解法二55PPT课件不可逆过程中的熵变56PPT课件

为了计算不可逆过程1A2的熵变，增加可逆过程2B1，形成一个不可逆循环，则

不可逆过程1A2的熵变：57PPT课件

热力学第二定律的数学表达式：58PPT课件熵流与熵产59PPT课件对于任意微元过程有：=0：可逆过程>0：不可逆过程熵产Entropygeneration：

纯粹由不可逆因素引起是过程不可逆性大小的度量熵流Entropyflow：由与外界的热交换引起热力学第二定律表达式之一永远<0：放热=0：热量无变化>0：吸热60PPT课件熵流、熵产和熵变任意不可逆过程任意可逆过程不可逆绝热过程可逆绝热过程不易求61PPT课件第六节熵增原理62PPT课件

孤立系统无质量交换无热量交换无功量交换

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。=0：可逆过程>0：不可逆过程<0：不可能过程——热力学第二定律表达式之一只适用于孤立系统63PPT课件在利用孤立系熵增原理进行熵产计算时，常常需要将系统划分为若干个子系统，每个子系统的熵变可根据熵是状态参数这一性质进行计算。整个孤立系的熵增为各子系统熵变的代数和。即64PPT课件熵增原理的实质熵增原理阐明了过程进行的方向，即dSiso>0。熵增原理指出了过程进行的限度，即dSiso＝0。熵增原理揭示了热过程进行的条件：如果某一过程的进行，会导致孤立系中有部分物体熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系总熵增大，至少保持不变。65PPT课件熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。由于热力学第二定律的各种说法都可以归结为熵增原理，又总能将任何系统与相关物体、相关环境一起归入一个孤立系统，所以可以认为是热力学第二定律数学表达式的一种最基本的形式。66PPT课件熵方程67PPT课件控制质量绝热系（闭口绝热系）无质量交换无热量交换=0：可逆过程>0：不可逆过程控制质量绝热系（闭口绝热系）的熵增=系统内不可逆因素造成的熵产之和。68PPT课件

稳定流动绝热系统：=0：可逆过程>0：不可逆过程

开口系统：稳定流动绝热系的熵增=系统内不可逆因素造成的熵产之和。无热量交换状态参数不随时间而变69PPT课件热力学第二定律数学表达式：70PPT课件

卡诺热机【取热源、热机和工质组成孤立系】(三者分别为子系统)

由卡诺循环可知:

（循环）∴71PPT课件不可逆热机（取热源、热机和工质组成孤立系）又

高温热源放热熵减低温热源吸热熵增孤立系：不可逆:72PPT课件温差传热（过程中A、B内部过程视为可逆）设：A保持T1，B保持T2且

取A+B为系统，依题意，可将该系统视为孤立系。73PPT课件例题一某一循环装置在热源TH=2000K下工作，能否实现作功1200kJ，向TL=300K的冷源放热800kJ？THTLQHQLW解法二：解法二74PPT课件例题二若用家用电冰箱将4kg温度为25℃的水制成0℃的冰，试问需要的最少电费是多少？已知水的比热容cw=4.19kJ/（kg·K），冰在0℃时的熔解热为334kJ/kg

，电费价格为0.50元/(kW·h)。设环境温度为25℃。75PPT课件THTLRcQHQLW解法二76PPT课件THTLRcQHQLW77PPT课件例三：以20℃的环境为热源，以1000kg温度为0℃的水为冷源的可逆热机，当冷源水温升至20℃时，热机对外所做的净功为多少？78PPT课件THTLRcQHQLW解法三79PPT课件例四：水从一温度为727℃的恒温热源吸热，温度从20℃升高到100℃。水的质量为mw=10kg，比热容cw=4.187kJ/（kg·K）。求水与热源间不等传热的熵产。80PPT课件第七节热量有效能及有效能损失81PPT课件∵不花代价的冷源温度以大气温度T0为最低限。由卡诺定理可得：热量有效能（热㶲）：THT0RcqHqLwT082PPT课件

热量有效能

热量的可用能或热㶲(exergy)。指在环境条件下热量中能最大可能转变为机械能（或有用功）的部分。

热量无效能

热量的无用能或非做功能或热（anergy）。

指在环境条件下热量中不可能转变为机械能（或有用功）的部分。83PPT课件

任何能量都由有效能（热㶲）和无效能（热）两部分组成。

任何过程中㶲+的总和不变。

在T－s图上有效能（热㶲）和无效能（热）可用面积法表示84PPT课件作功能力损失又称为㶲损失，有效能损失。指在给定的环境条件下，由于不等温传热的不可逆，使一部分有效能（热㶲）转化成了无效能。通常取环境温度T0作为计算基准。85PPT课件温差传热：物体A放出的热量有效能（热㶲）：物体B得到的热量有效能（热㶲）：传热过程中的有效能损失（㶲损失）：孤立系不可逆传热熵变：

有效能损失：86PPT课件结论对于孤立系，能量传递过程中的有效能（㶲）损失：不可逆,必然有熵产,对应于过程中的㶲损失87PPT课件熵的宏观物理意义：系统熵的变化是系统无效能变化的度量I88PPT课件例题：一块600℃的钢块（热容Csteel=240J/K）在绝热油槽中缓慢冷却。油的初温为25℃，热容为Coil=8000J/K。试求该过程钢块和油达到热平衡后，两者之间不等温传热引起的有效能损失。设环境温度为t0=27℃。89PPT课件例题：一块600℃的钢块（热容Csteel=240J/K）在绝热油槽中缓慢冷却。油的初温为25℃，热容为Coil=8000J/K。试求该过程钢块和油达到热平衡后，两者之间不等温传热引起的有效能损失。设环境温度为t0=27℃。90PPT课件解法一：91PPT课件解法二：92PPT课件第八节能量品质与

能量贬值原理93PPT课件三类不同质的能量可无限转换的能量——高级能量：理论上可100%地转换为任何其他形式的能量，E=EX，An=0。如：机械能、电能、水能、风能等。可有限转换的能量——低级能量：转换要受热力学第二定律的限制，理论上仅有有限部分可以转换为任何其他形式的能量，E=EX+An。如：焓、热力学能