热力学第二定律（工程热力学课件）

热力学第二定律

热力学第二定律热力学第一定律—能量守恒转换定律。不违背第一定律的过程是否都能自发地实现如运动的机械摩擦生热:功量→热量（自发过程）将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使机械重新运动吗？如功量→热量（无条件，100%），热量→功量（≠100%）所以：过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的。热力学第二定律的任务：判断进行的方向、条件、限度。

热力学第二定律如对一杯热水热量：水→空气（自发过程）将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使水加热吗？010203自然界的一切自发过程都是具有方向性和不可逆性的，热力过程总是朝着一个方向自发进行而不能自发地反向进行。非自发过程可以进行，但其进行必须以一定的补偿条件作为代价。一、自发过程的方向性和不可逆性自发过程非自发过程没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。不需任何外界作用而可以自动进行的过程。自发过程的方向性功量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、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量45%放热一、自发过程的方向性和不可逆性1.表述:“热二”有各种各样的说法，最常见的两种是：（1）克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。从传热角度来描述的。如：空调，制冷代价：耗功（2）开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。从热功转换角度来描述的。如：火电厂动力循环，效率小于50%。二、热力学第二定律的表述及实质2.热力学第二定律的实质举例非自发传热自发传热高温物体低温物体

热传导热功转换完全功不完全热无序有序自发非均匀、非平衡均匀、平衡自发二、热力学第二定律的表述及实质实质：一切自发过程都是有方向性和不可逆性。自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。2.热力学第二定律的实质二、热力学第二定律的表述及实质结论:无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有方向性。能量是有品质高低之分的。如：机械能的品质高于热能；高温热能的品质高于低温热能。热一律与热二律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％不可能反映能量数量特性反映能量质量特性二、热力学第二定律的表述及实质热力学基础知识平衡状态和热力过程法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环既然

t

=100％不可能那么热机能达到的最高效率有多少？热二律奠基人效率最高4-3卡诺循环与卡诺定理萨迪.卡诺1.卡诺循环组成：(动画)工作于两个热源间的，由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的理想可逆循环。1-2可逆定温吸热过程,2-3可逆绝热膨胀过程，3-4可逆定温放热过程，4-1可逆绝热压缩过程，一、卡诺循环及其热效率2.卡诺循环的热效率1-2可逆定温吸热过程;q1

=T1(s2-s1)2-3可逆绝热膨胀过程，对外作功；3-4可逆定温放热过程;

q2=T2(s2-s1)4-1可逆绝热压缩过程，对内作功。一、卡诺循环及其热效率循环净功和净热为：循环热效率为：T1T2Rcq1q2w0卡诺循环的热效率只与两热源温度有关，而与工质性质无关。2.卡诺循环的热效率一、卡诺循环及其热效率卡诺定理定理一：在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热机，都具有相同的热效率，且与工质性质无关。定理二：在两个温度不同的恒温热源之间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的的热效率。一、卡诺循环及其热效率几点重要结论：在两个恒温热源间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，都等于相同温限间卡诺循环的热效率。其值只与热源和冷源的温度有关，而与工质的性质无关。提高热源的温度T1和降低冷源的温度T2是提高可逆循环热效率的根本途径。由于热源温度T1不可能为无限大，冷源温度T2也不可能为零，因而循环的热效率不可能达到100%。或者说，不可能把从高温热源吸收的热量全部转变成有用功。若T1=T2，即热源温度和冷源温度一致（单一热源），则热效率为0，这说明只有一个热源的热机是不可能制造成功的，温度差是一切热机循环的必不可少的条件。在两个恒温热源间工作的一切不可逆循环，其热效率恒小于相应可逆循环的热效率。因此，尽量减少循环中的不可逆因素也是提高循环热效率的重要方法。一、卡诺循环及其热效率实际热力循环对于实际的热力循环，在可能的条件下，尽量提高工质的平均吸热温度、降低工质的平均放热温度，是提高循环热效率的根本途径；尽量减少循环中的各种不可逆损失也是提高循环热效率的重要方法。一、卡诺循环及其热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。内燃机t1=2000oC，t2=300oC

tC=74.7%实际

t=30~40%卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上卡诺热效率很难实现

火力发电t1=600oC，t2=25oC

tC=65.9%实际

t=40%一、卡诺循环及其热效率【例4‑1】某热机在循环中从t1=1227℃的恒温热源可逆吸热1200kJ/kg，向t2=27℃的恒温冷源可逆放热700kJ/kg。试求：(1)循环的热效率；(2)循环净功；(3)热机以卡诺循环方式工作时的热效率；(4)该循环是否卡诺循环？解：（1）循环的热效率为（2）循环净功为（3）以卡诺循环方式工作时，循环的热效率为例题分析（4）根据卡诺定理，因为，故该循环不是卡诺循环。在火电厂的热力循环中，高温热源（炉膛内烟气）温度一般为1500℃左右，低温热源（凝汽器内冷却水）的温度一般在20℃左右。在上述温度范围内工作的卡诺循环的热效率为

而实际的热力循环中，因受金属材料性能的限制，加热不可能很高。如国产300MW汽轮发电机组，蒸汽最高压力为17Mpa，蒸汽最高温度为565℃,循环中平均加热温度只有553K。而凝汽器内蒸汽压力为0.005Mpa，冷却水温度受环境温度的限制，使循环中的平均放热温度为303K左右。故这个实际热力循环的理论热效率仅为45%左右。且实际循环还存在着各种不可逆损失，其热效率必然更低。通过上述分析可以发现，由于存在温差传热和各种不可逆损失，使实际循环的热效率远低于相同温度范围内的卡诺循环的热效率。因此，为了提高实际循环的热效率，除了尽可能采用高参数工质外，还应采取措施，减少各种不可逆损失。例题分析解(1)由卡诺定理可知，在温度不同的两热源间工作的热机以卡诺循环的热效率为最高，故

根据可得100KJ热量最多能转变的功量为

(2)

【例4‑2】某种工质在2000K的高温热源与300K的低温热源间进行热力循环。循环中1kg工质从高温热源吸取热量100kJ，求

(1)此热量最多可转变成多少功?热效率为多少？

(2)若该工质虽在T1、T2下可逆吸热、放热，但在膨胀过程中内部存在摩擦，使循环功减少5kJ，此时的热效率又为多少？

(3)若吸热过程中工质与高温热源存在125K的温差，循环中其它过程与(1)相同，则此循环中1OOkJ的热量可转变为多少功？热效率又将为多少？例题分析(3)由题意，工质在温度下吸热，在温度T2下放热，无其它内部不可逆性。则可用一个在和T2间工作的卡诺循环代替原来的不可逆循环，其效率为：循环功为：由(2)及(3)可见，具有任何不可逆性的循环，其热效率总低于在相同两热源间工作的可逆循环的热效率。例题分析热力学第二定律

熵增原理意义一、不可逆过程中熵的变化对可逆过程，熵变化主要由热量引起，吸热熵增加，放热熵减少。对不可逆过程熵流：工质与外界热量交换引起的熵变化。熵产：由于不可逆因素引起的熵变化。δWl为不可逆因素引起的功的损失。4-4孤立系统熵增原理1、熵流：dSf是由于系统与外界发生热交换，热流引起的熵的变化，称为熵流。系统吸热，dSf

＞0；系统放热，dSf

＜0；系统绝热，dSf

＝0。2.熵产：dSg是由于不可逆因素的存在而引起的熵的增加，称为熵产。对于不可逆过程，dSg＞0；对于可逆过程，dSg＝0。熵产过程不可逆性大小的度量与表征。不可逆性越大，熵产也越大。表示传热的方向有：等号适于可逆过程，不等号适于不可逆过程。不同逆程度越深，功的损失越大，熵产越大。注意：熵产永远为正，而熵流可正可负。关于熵流和熵产熵流、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不易求理想气体仅可逆过程适用Ts1234任何过程熵变的计算方法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>：不可逆过程热二律表达式之一孤立系统熵增原理有温差传热(T1>T2)QT2T1用用用不好用不知道孤立系统熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系当T1>T2可自发传热当T1<T2不能传热当T1=T2可逆传热孤立系统熵增原理举例(1)QT2T1取热源T1和T2为孤立系STT1T2孤立系统熵增原理举例(1)