工程熱力學(xué)課件第五章熱力學(xué)第二定律.ppt

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1、第五章 熱力學(xué)第二定律 5-1 熱力學(xué)第二定律 自然過程的方向性 功熱轉(zhuǎn)化：功可以自動轉(zhuǎn)化為熱，熱不可能全部無 條件地轉(zhuǎn)化為功 有限溫差傳熱：熱量總是自動地從高溫物體傳向低 溫物體 自由膨脹：氣體能夠自動進行無阻膨脹 混合過程：所有的混合過程都是不可逆過程，使混 合物中各組分分離要花代價：耗功或耗熱 耗散效應(yīng)和有限勢差作用下的非準平衡變化是造 成過程不可逆的兩大因素 自發(fā)過程：自然過程中凡是能夠獨立地、無條件 自動進行的過程稱為自發(fā)過程 非自發(fā)過程：不能獨立地自動進行而需要外界幫 助作為補充條件的過程稱為非自發(fā)過程 不可逆是自發(fā)過程的重要特征和屬性 熱力學(xué)第二定律的表述 熱力學(xué)第二定律是闡明與

2、熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程 進行的方向、條件及限度的定律 熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法：熱不可能自發(fā) 地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體 熱力學(xué)第二定律的開爾文說法：不可能制造出從 單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其它 任何變化的熱力發(fā)動機 熱力學(xué)第二定律還可以表述為：第二類永動機是 不存在的 5-2 可逆循環(huán)分析及其熱效率 卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)是工作于溫度分別為 T1和 T2的兩個熱源 之間的正向循環(huán)，由兩個可逆定溫過程和兩個可 逆絕熱過程組成 循環(huán)熱效率為 對理想氣體可逆定溫過程 a-b、 c-d得 ， 1 2 1 1 qqqw n e tt a b g v vTRq ln 11 d c

3、g v vTRq ln 22 d-a為絕熱壓縮； a-b為定溫吸熱； b-c為絕熱膨脹； c-d為 定溫放熱 對于絕熱過程 b-c、 d-a可寫出 ， 故 整理得 卡諾循環(huán)的熱效率只決定于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?的溫度 T1、 T2，提高 T1降低 T2，可以提高熱效率 1 2 1 k b c c b v v T T T T 1 2 1 k a d d a v v T T T T a d b c v v v v 1 21 T T c 卡諾循環(huán)的熱效率只能小于 1，不可能等于 1或 大于 1。循環(huán)發(fā)動機即使在理想情況下也不可能 將熱能全部轉(zhuǎn)化為機械能 當(dāng) T1=T2時，循環(huán)熱效率 c=0。熱能產(chǎn)生動

4、力一 定要有溫度差作為熱力學(xué)條件，借助單一熱源連 續(xù)作功的機器是制造不出的 卡諾循環(huán)及其熱效率公式奠定了熱力學(xué)第二定律 的理論基礎(chǔ)，為提高各種熱動力機熱效率指出了 方向 選用以氣體為工質(zhì)的卡諾循環(huán)的困難在于受設(shè)備 限制及氣體定溫過程不易實現(xiàn) 概括性卡諾循環(huán) 概括性卡諾循環(huán)是工作于兩個恒溫?zé)嵩撮g的極限 回?zé)嵫h(huán)，由兩個可逆定溫過程和兩個同類型的 其它可逆過程組成 概括性卡諾循環(huán)的熱效率與卡諾循環(huán)相同 回?zé)幔豪霉べ|(zhì)排出的部分熱量來加熱工質(zhì)本身 的方法稱為回?zé)?，是提高熱效率的有效方?c dc ab t T T sT sT q q 1 2 1 2 1 2 111 逆向卡諾循環(huán) 逆向卡諾循環(huán)：按與卡

5、諾循環(huán)相同的路線而循反 方向進行的循環(huán)即逆向卡諾循環(huán) 逆向卡諾制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為 逆向卡諾熱泵循環(huán)的供暖系數(shù)為 對于制冷循環(huán)，環(huán)境溫度 T1低，冷庫溫度 T2高， 則制冷系數(shù)大；對于熱泵循環(huán)，環(huán)境溫度 T2高， 室內(nèi)溫度 T1低，則供暖系數(shù)大，且 總大于 1 21 2 21 22 TT T qq q w q n e t c 21 1 21 11 TT T qq q w q n e t c 多熱源的可逆循環(huán) 熱源多于兩個的可逆循環(huán)，其熱效率低于同溫限 間工作的卡諾循環(huán) 工作在 T1=Th、 T2=Tl下的多熱源可逆循環(huán)的熱效 率 卡諾循環(huán)的熱效率 由于 q1q2，所以 tc e h g n m

6、 e g n m e q q t 面積 面積 lg11 1 2 A B nm Aq q D C n m D c 面積 面積 11 1 2 引入平均溫度概念也可得到相同結(jié)論 T-s圖上的熱量以當(dāng)量矩形面積代替時的矩形高 度即平均溫度 由于 ， ，所以 tB，令 B反向運行，可得循環(huán)總效果相當(dāng) 于取出低溫?zé)嵩吹臒崃?(Q2B-Q2A)轉(zhuǎn)化為功 (WA-WB)，違反 熱力學(xué)第二定律的開爾文說法 若假定 B A，也可得類似結(jié)論 因此 定理二 在溫度同為 T1的熱源和溫度同為 T2的冷源間工作的 一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán) 證明過程：設(shè) A為不可逆機， B是可逆機，令 A正向 循環(huán)帶動 B逆

7、向循環(huán) 若 AB，得出的結(jié)論違反熱力學(xué)第二定律 若 A=B，得出的結(jié)論與 A是不可逆機的假設(shè)矛盾 1 21 T T cBA 因此， ATB， A放熱， B吸熱 若為無限小溫差傳熱， TA=TB，則 有限溫差傳熱，熱量由高溫物體傳向低溫物體 是 不可逆過程，同溫傳熱為可逆過程 0 BA i s o T Q T QdS 0isodS 熱轉(zhuǎn)化為功 通過兩個溫度為 T1、 T2的恒溫?zé)嵩撮g工作的熱機 實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為功 熱機進行可逆循環(huán)時， ， 熱機進行不可逆循環(huán)時， ， 2 2 2 1 21 T QdS T QSSSS TTi s o 1 1 2 2 2 2 1 1 0 T Q T Q T Q T Q

8、 2 2 1 1 T Q T Q 0 isoS 2 2 1 1 T Q T Q 0 isoS 耗散功轉(zhuǎn)化為熱 由于摩擦等耗散效應(yīng)而損失的機械功稱為耗散 功 孤立系內(nèi)部存在不可逆耗散效應(yīng)時，耗散功 Wl 轉(zhuǎn)化為耗散熱 Qg，它由某個物體吸收，引起熵 增大，稱為熵產(chǎn) Sg 孤立系的熵增等于不可逆損失造成的熵產(chǎn) 孤立系統(tǒng)內(nèi)只要有機械功不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能， 系統(tǒng)的熵必定增大 0 glg STWTQ 0 gis o SS 0 gis o SdS 作功能力損失 耗散功轉(zhuǎn)化的熱能如果全部被一個與環(huán)境溫度 T0相同的物體吸收，它將不再具有作出有用功的 能力，作功能力損失以 I表示， dI=Wl，因而 熵增原理

9、只適用于孤立系統(tǒng)，對于非孤立系，或 者孤立系中某個物體 ，它們的熵可能增大，可 能不變，也可能減小 0T dIdS iso 熵增原理的實質(zhì) 熵增原理闡明了過程進行的方向 實際的熱力過程總是朝著使系統(tǒng)總熵增大的方 向進行， 熵增原理指出了熱過程進行的限度 孤立系統(tǒng)總熵達到最大值時過程停止進行，系 統(tǒng)達到平衡狀態(tài)， 熵增原理揭示了熱過程進行的條件 如果某一過程的進行會使孤立系總熵減小，則 該過程不能單獨進行，除非有熵增大的過程作為 補償，使孤立系總熵增大，或至少保持不變 0isodS 0isodS 熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達式及適用范圍 循環(huán)過程 閉口系統(tǒng) 絕熱閉口系 孤立系統(tǒng) 0 rT Q rT Q

10、dS 21 0addS 0isodS 5-6 熵方程 閉口系（控制質(zhì)量）熵方程 閉口系的熱力學(xué)第二定律關(guān)系式 不可逆因素造成的熵產(chǎn) 或 由熱流引起的熵變稱為熱熵流，用 Sf,Q表示 因而 控制質(zhì)量的熵變等于熵流和熵產(chǎn)之和 rT QdS 0 r g T QdSS r g T QSdS Qfg SSdS , Qfg SSS ,21 開口系（控制體積）熵方程 開口系熵方程 控制體積、熱源、物質(zhì)源共同組成一個孤立系 統(tǒng) 孤立系的熵變包括控制體積的熵變 dSCV，熱源 熵變 Qr/Tr及物質(zhì)源熵變 seme-simi，孤立系 熵變等于熵產(chǎn)，則 或 iiee r r CVgiso msmsT QdSSdS

11、 iiee r CV msmsT QdS geeii r CV SmsmsT QdS 控制體積的熵變等于熵流與熵產(chǎn)之和，熵流包括 熱熵流和質(zhì)熵流，熵流與熵產(chǎn)都是過程量 在 時間內(nèi)則有 對于穩(wěn)定流動體系， dSCV=0， mi=me=m，則 時間內(nèi)流入質(zhì)量為 m的工質(zhì)時，則 1kg工質(zhì)則為 對于絕熱穩(wěn)定流動系，則有 geeii r CV SmsmsT QS gQfie ssmss , gQf SSmss ,12 gQf ssss ,12 gsss 12 5-7 參數(shù)的基本概念 熱量 能量的可轉(zhuǎn)換性、 和 能量有品質(zhì)的差別，功是比熱品質(zhì)更高的能量 環(huán)境：抽象概念，具有穩(wěn)定的 p0、 T0及確定的化

12、 學(xué)組成，任何熱力系與其交換熱量、功量和物質(zhì)， 它都不會改變 ：在環(huán)境條件下，能量中可轉(zhuǎn)化為有用功的 最高份額稱為該能量的 (exergy) 或者：熱力系只與環(huán)境相互作用，從任意狀態(tài) 可逆地變化到與環(huán)境相平衡狀態(tài)時，作出的最大 有用功稱為該熱力系的 在環(huán)境條件下不可能轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量稱 為 (anergy) 閉口系工質(zhì)可作出的最大有用功稱為閉口系工質(zhì)的 熱力學(xué)能 穩(wěn)流工質(zhì)可作出的最大有用功稱為穩(wěn)流工質(zhì)的焓 任何能量 E都由 (Ex)和 (An)兩部分組成 E= Ex+ An 熱量 和冷量 熱量 ：溫度為 T0的環(huán)境條件下，系統(tǒng) (TT0) 所提供的熱量中可轉(zhuǎn)化為有用功的最大值就是熱 量

13、 ，用 Ex,Q表示 設(shè)想一系列微元卡諾機在系統(tǒng)與環(huán)境之間工作， 每一卡諾循環(huán)作出的循環(huán)凈功，即系統(tǒng)提供的熱 量 Q中的熱量 Ex,Q為 熱量 為 QTTE Qx 0 , 1 QTTEQA QxQn 0, Q的熱量 為循環(huán)工質(zhì)對過程積分，即 過程可逆，則有 所以 若系統(tǒng)以恒溫 T供熱，則熱量 和熱量 為 21021 0, 1 TQTQQTTE Qx T QdS STQE Qx 0, STEQA QxQn 0, STQQTTE Qx 0 0 , 1 STTQTA Qn 00, 同樣大小的熱量，供熱溫度愈高，則 S1-2愈小， An,Q愈小， Ex,Q愈大 熱量 是過程量，由于 TT0， Ex,Q

14、與 Q方向相 同，系統(tǒng)放出了熱量 Q的同時也放出了熱量 冷量 ：溫度低于環(huán)境溫度 T0的系統(tǒng) (TT0)， 吸入熱量 Q0時作出的最大有用功稱為冷量 ， 用 Ex,Q0表示 簡單恒溫系統(tǒng)吸熱 ，環(huán)境為熱源，系統(tǒng)為冷源， 設(shè)想一可逆卡諾機，冷量 為 QTTE Qx 0 , 10 由循環(huán)的能量守恒關(guān)系式 得 冷量 為系統(tǒng)從環(huán)境的吸熱量，即 S為系統(tǒng)吸熱時的熵變 因而 對于 TT0的變溫系統(tǒng)，可導(dǎo)出冷量 0, 0 QEQ Qx 000 0 , 10 QSTQT TE Qx STA Qn 0, 0 00 ,0 QnQx AEQ 00 0 00, 1QQx QTTE 冷量 ：系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度 T0

15、(TT0時， Ex,Q/Q隨著 T的增大而增大，變化逐漸平緩 T 時， Ex,Q/Q 1 ，但永遠小于 1 TT0時，隨著 T的減小 增大 T0/2TT0時， 1，冷量 數(shù)量上小于熱量 T1，并隨著 T的減小急劇增大，冷 量 在數(shù)量上可以大于熱量本身 0 , 0 Q E Qx 0 , 0 Q E Qx 0 , 0 Q E Qx 孤立系中熵增與 損失，能量貶值原理 Gouy-Stodla公式（ G-S式） 設(shè)有兩個恒溫體系 A和 B， TATB，體系 A放出的 熱量 Q中的熱量 為 體系 B放出的熱量 Q中的熱量 為 QT TWE A AAQx 0 m a x, 1 QT TWE B BBQx

16、0 m a x, 1 孤立系中因不可逆?zhèn)鳠岫鸬?損失 I為 孤立系因不可逆?zhèn)鳠嵋鸬撵卦龃鬄?孤立系熵增等于熵產(chǎn)，故 G-S式表明，環(huán)境溫度 T0一定時，孤立系統(tǒng) 損失 與其熵增成正比。該式為普適公式 QTTTEEI AB BQxAQx 11 0, 0 AB ABi s o T Q T QSSS gi s o STSTI 00 由于 所以 孤立系的 損失等于 增 能量貶值原理 孤立系統(tǒng)中進行熱力過程時 只會減小不會增 大，極限情況下（可逆過程） 保持不變，即 減少 損失（有限度地）是合理用能及節(jié)能的 指導(dǎo)方向 QAEAE BQnBQxAQnAQx , BQxAQxAQnBQn EEAA , 0, is oxdE