工程热力学与传热学7第五章

第五章

热力学第二定律

（TheSecondLawofthermodynamics）热一律的任务：指明能量在传递和转换前后的数量相等热二律的任务：指明热力过程的方向、条件和限度，提高热能利用率WateralwaysflowsdownhillGasesalwaysexpandfromhighpressuretolowpressureHeatalwaysflowsfromhightemperaturetolowtemperature

机械能或电能被物体所吸收而转换为其内能即热能总是无条件地自发实现的。

由热能转变为机械能或电能却未见有自发实现。同样、热能本身的传送，只见热由高温物体向低温物体自发地传递，反之由低温物体向高温物体传热却从未见有自发地出现。

长期的实践证明：企图不向温度较低的环境放热而把高温燃气放出的热量连续地全转换为机械能是不可能的。通过对这大量事实的研究，人们发现了热力学第二定律，它与第一定律一道，分别从质与量去说明热能在机械能的转换中的关系。

第五章热力学第二定律5-1热力循环和制冷循环

热力循环的定义：

热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。

复习：

热力循环的分类：正循环：热变功（热力循环）逆循环：功变热（制冷循环）

热力循环就是封闭的热力过程，要实现连续做功，必须要构成循环。一、正循环（顺时针方向）

第五章热力学第二定律pVTS净效应：对外作功净效应：吸热2112

第五章热力学第二定律

由T-s图也可看到，为使工质完成热力循环，在进行吸热过程后，还必须有放热过程才能使工质回到初始状态。这就说明通过热力循环实现热能转换为机械能时，总要有一部分热量从高温热源传向低温热源。T12

第五章热力学第二定律

为了评价热机循环中热能转换为机械能的有效程度，通常采用循环热效率作为评价指标，其定义式为：

其值越大，则热机循环的工作越有效，但其值不可能达到100％。w0T1q1q2T2

第五章热力学第二定律二、逆循环（逆时针方向）pVTS净效应：对内作功净效应：放热2112

第五章热力学第二定律w0T1q1q2T2

为了评价致冷循环工作的有效程度通常采用制冷系数，也称致冷机性能系数作为评价指标，其定义式为：其值越大，制冷循环的工作越有效，但因为耗功不能为零，故制冷系数的值不可能为无限大。

第五章热力学第二定律w0T1q1q2T0制热循环：供热系数

热泵：通过逆循环使高温热源得到热量。

供热系数：

其值越大，热泵循环的工作越有效。

第五章热力学第二定律

热功转换

传热

通过长期的实践所积累的无数经验，人们对于能量转换的条件及方向有了比较深刻的认识，于是在此基础上总结得到了热力学第二定律。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5-2热力学第二定律

第五章热力学第二定律开尔文－普朗克表述

不能建造一种循环工作的热机，其作用只是从单一热源取热并全部转变为功。

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。

从单一热源取热，使之完全转变为有用功而不产生其它影响。

第二类永动机是不可能制造成功的。理想气体T

过程

q=w

第五章热力学第二定律热二律与第二类永动机

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第一定律第二类永动机是不可能制造成功的但违反了热力学第二定律

第五章热力学第二定律克劳修斯表述

不可能使热量从低温物体传向高温物体，而不引起其它的变化。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体空调,制冷代价：耗功ColdHot

第五章热力学第二定律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

取绝对值

Q1’-Q2’=WA=Q1

Q1’-Q1=Q2’

违反克表述

T1

热源AB冷源T2<T1

Q2’Q1’WAQ1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<T1

Q2Q2WAQ1Q2对外作功WA对冷源放热Q2热二律的实质

•

自发过程都是具有方向性的

•

表述之间等价不是偶然，说明共同本质

•

若想逆向进行，必付出代价能量质的变化规律电能机械能电能、机械能热能

高质能可自发地无条件地转换为低质能能的数量不变，但能的品位下降了，即能量贬值一切自发进行的热力过程均朝着使能量在品位上发生退化、贬值的方向进行热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？热一律与热二律

t

>100％不可能热二律否定第二类永动机

t

=100％不可能

第五章热力学第二定律5-3可逆过程和不可逆过程

可逆过程的定义：如果系统进行一个热力过程后，可以沿原来路径逆向进行，使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化的过程。反之，不满足的称不可逆过程。

复习：

可逆过程也称无耗散效应的准静态过程。

由热力学第二定律可知，一切的自发过程都是有方向性的，也就是说一切的实际过程都是不可逆的。典型的不可逆过程不等温传热T1T2T1>T2Q自由膨胀真空•••••••••••••••••

第五章热力学第二定律典型的不可逆过程节流过程

(阀门）p1p2p1>p2混合过程•••••••••••••••••★★★★★★★★★★★★★★

第五章热力学第二定律

第五章热力学第二定律热力过程的不可逆性

1．功和热量的转换，摩擦过程正过程能自发进行，但逆过程则不能自发进行2．温差传热过程3．无阻膨胀——向真空膨胀4．混合过程5．其它不可逆过程：自发的化学反应过程等。综上所述，自发过程都是不可逆过程，它的不可逆因素分为内部(摩擦)和外部(内外温差)因素。可逆过程基本特征：①准静态过程；②无耗散效应。

一切自发实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。

第五章热力学第二定律

在不可逆过程中，由于各种不可逆因素造成的作功能力的损失，系统所作的功必然比相应的可逆过程所作的功有所减少。通常把不可逆过程和相应的可逆过程两者的功的比值作为衡量不可逆过程中能量转换完善程度的指标。涡轮机绝热效率压气机绝热效率

第五章热力学第二定律5-4卡诺循环一、卡诺循环及其热效率法国工程师卡诺

(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环既然

t

=100％不可能热机能达到的最高效率有多少？热二律奠基人效率最高（1796-1832）法国

第五章热力学第二定律1、卡诺循环的组成卡诺循环示意图4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，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)

第五章热力学第二定律2、卡诺循环的热效率Tr1Tr2Rcq1q2w

第五章热力学第二定律•

Tr1

t,c,Tr2

tc，温差越大，

t,c越高•

t,c只取决于恒温热源T1和T2,而与工质的性质无关•

当Tr1=Tr2，

t,c=0,单热源热机不可能!•

Tr1

=K,Tr2

=0K,

t,c<100%，热二律3、对卡诺循环热效率的几点说明

第五章热力学第二定律二、多热源（变热源）可逆机(任意可逆循环)bcda321456Tm2Tm1Ts

第五章热力学第二定律三、卡诺制冷循环和卡诺热泵循环卡诺制冷循环：卡诺热泵循环：

第五章热力学第二定律

卡诺定理：在两个给定恒温热源间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。5-5卡诺定理即在恒温Tr1、Tr2下

卡诺提出：卡诺循环效率最高

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

第五章热力学第二定律

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。Tr1Tr2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WA

求证：

tA

=

tB由卡诺定理

tA

>

tB

tB

>

tAWB

只有：

tA

=

tB

tA

=

tB=

tC=1-Tr2/Tr1与工质无关

第五章热力学第二定律

卡诺定理推论二：在两个给定恒温热源间工作的不可逆热机效率必小于可逆热机的效率。

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。

在给定的温度界限间工作的一切热机，

tC最高

热机极限

第五章热力学第二定律卡诺定理举例：例5-1

A热机是否能实现1000

K300

KA2000kJ800

kJ1200

kJ可能！

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ

第五章热力学第二定律实际循环与卡诺循环

如：内燃机

t1=2000℃，t2=300℃

tC=74.7%

实际

t=40%

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%

第五章热力学第二定律热二律推论之一

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（孤立系熵增原理）

第五章热力学第二定律5-6克劳修斯不等式

对于两恒温热源的热力循环：

对于多热源的热力循环：将循环用无数组s

线细分，abcda近似可看成卡诺循环。∴对任意微元可逆循环：

即：

第五章热力学第二定律

对于多热源的不可逆热力循环：

即：对于两恒温热源热力循环：对于多热源热力循环：克劳修斯不等式克劳修斯不等式=可逆循环

<不可逆循环

>不可能

实际上这个关系式就是卡诺定理用于任意多热源循环时的数学表示式。是热二律表达式之一。

第五章热力学第二定律克劳修斯不等式举例：例5-2

A热机是否能实现1000

K300

KA2000kJ800

kJ1200

kJ可能！

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ

第五章热力学第二定律5-7状态参数熵及孤立系熵增原理一、熵的定义与计算1、定义：可逆过程（类比）可逆过程中：即：说明应等于某个状态参数的全微分，它就是熵。

第五章热力学第二定律2、计算：

热力过程(理想气体)

热力学第一定律：

相变过程：固体、液体压缩性很小，dV0，

第五章热力学第二定律二、不可逆过程中的熵产1、不可逆的温差传热

即不可逆的温差传热过程中产生了熵，通常把产生的熵dSg

称为熵产量。

第五章热力学第二定律2、在过程中存在摩擦、扰动等功耗散现象

设闭口系统的不可逆过程，已知：初、终状态间假设一个可逆过程，吸收热量为：对于不可逆过程：

第五章热力学第二定律

式中pdv-δw表示不可逆过程中由于不可逆因素而引起的功损失。

是由于不可逆因素而引起的熵的增加，称为熵产（量），用dSg表示。

是由于系统与外界由于热量传递而引起的熵的变化，称为熵流（量），用dSf表示

第五章热力学第二定律

通过上述分析，可以说明，不可逆过程中系统的熵变化等于熵流量和熵产量的代数和。熵流熵产纯粹由不可逆因素引起=：可逆过程>：不可逆过程结论：熵产是过程不可逆性大小的度量

第五章热力学第二定律熵流、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定熵过程

第五章热力学第二定律

可逆与不可逆绝热过程的图示

第五章热力学第二定律三、孤立系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>：不可逆过程热力学第二定律表达式

第五章热力学第二定律为什么用孤立系统？孤立系统

=非孤立系统

+相关外界=：可逆过程>：不可逆过程最常用的热力学第二定律表达式“自然界的一切过程总是自发地、不可逆地朝着使孤立系统熵增加的方向进行”

第五章热力学第二定律例5-3：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。5—8热能的可用性按照转变为功的可能性，可以把能量分为可用能和不可用能。可用能：就是可以连续地全部转变为功的能量。不可用能：不可能转变为功的能量。

第五章热力学第二定律热量中的可用能即转变为功的能力可表示为：热量的不可用能δQu可表示为:热量中总是包括可用能和不可用能两部分，在一定的环境温度下，提供该热量的热源温度越高，则热量中可用能越多而不可用能越少。

第五章热力学第二定律

使可用能转变为不可用能的过程，它们都是自发实现的过程即不可逆过程。反之，不可用能转变为可用能的过程，则是不可能自发实现的。

可以把热力学第二定律概括地表述为：一切不可逆过程中，能量转换的结果总是使可用能减少。

第五章热力学第二定律

在生产和生活的一切活动中，总在利用可用能。并且在这些过程中，可用能总在不断地被消耗掉而转变成不可用能。尽管能的总量始终保持守恒，但能的可用性却降低了。自然界的能源发生供不应求的局面，甚至出现所谓能源危机。为此必须自觉地运用热力学第二定律的基本原理节约能源。

第五章热力学第二定律一是改善热能工程和热能动力装置的设计以求从所开发的能源中获取尽可能多的可用能。二是注意利用低品位能，减少可用能的浪费。总之要尽可能充分地发挥能源的效益，促进社会生产的发展和满足生活的需要。

第五章热力学第二定律

第五章热力学第二定律RQ1Q2WR卡诺定理

tR>

tIR

可逆T1T0IRWIRQ1’Q2’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:

如果系统进行一个不可逆过程，不可逆因素必然造成可用能的损失。

第五章热力学第二定律T1T0RQ1Q2WIRW’Q1’Q2’假定

Q1=Q1’

，WR>WIR

作功能力损失

第五章热力学第二定律结论：任何孤立系统的不可逆损失都等于该孤立系统的熵增和环境温度的乘积！熵的判断题•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╳╳