工程热力学热力学第二定律课件.pptx

1、第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律5-1 热力学第二定律热力学第二定律自然过程的方向性自然过程的方向性功热转化：功可以自动转化为热，热不可能全部无功热转化：功可以自动转化为热，热不可能全部无条件地转化为功条件地转化为功有限温差传热：热量总是自动地从高温物体传向低有限温差传热：热量总是自动地从高温物体传向低温物体温物体自由膨胀：气体能够自动进行无阻膨胀自由膨胀：气体能够自动进行无阻膨胀混合过程：所有的混合过程都是不可逆过程，使混混合过程：所有的混合过程都是不可逆过程，使混合物中各组分分离要花代价：耗功或耗热合物中各组分分离要花代价：耗功或耗热耗散效应和有限势差作用下的非准平衡变化是造耗散

2、效应和有限势差作用下的非准平衡变化是造成过程不可逆的两大因素成过程不可逆的两大因素自发过程：自然过程中凡是能够独立地、无条件自发过程：自然过程中凡是能够独立地、无条件自动进行的过程称为自发过程自动进行的过程称为自发过程非自发过程：不能独立地自动进行而需要外界帮非自发过程：不能独立地自动进行而需要外界帮助作为补充条件的过程称为非自发过程助作为补充条件的过程称为非自发过程不可逆是自发过程的重要特征和属性不可逆是自发过程的重要特征和属性热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述热力学第二定律是阐明与热现象相关的各种过程热力学第二定律是阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律进行的方向、条

3、件及限度的定律热力学第二定律的克劳修斯说法：热不可能自发热力学第二定律的克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体地、不付代价地从低温物体传至高温物体热力学第二定律的开尔文说法：不可能制造出从热力学第二定律的开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其它单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机任何变化的热力发动机热力学第二定律还可以表述为：第二类永动机是热力学第二定律还可以表述为：第二类永动机是不存在的不存在的5-2 可逆循环分析及其热效率可逆循环分析及其热效率卡诺循环卡诺循环卡诺循环是工作于温度分别为卡诺循环是工作于温度分别为T

4、1和和T2的两个热源的两个热源之间的正向循环，由两个可逆定温过程和两个可之间的正向循环，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成逆绝热过程组成循环热效率为循环热效率为 对理想气体可逆定温过程对理想气体可逆定温过程a-b、c-d得得 ，1211qqqwnettabgvvTRqln11dcgvvTRqln22d-a为绝热压缩；为绝热压缩；a-b为定温吸热；为定温吸热；b-c为绝热膨胀；为绝热膨胀；c-d为为定温放热定温放热 对于绝热过程对于绝热过程b-c、d-a可写出可写出 ， 故故 整理得整理得卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度的温度T1、

5、T2，提高，提高T1降低降低T2，可以提高热效率，可以提高热效率121kbccbvvTTTT121kaddavvTTTTadbcvvvv121TTc卡诺循环的热效率只能小于卡诺循环的热效率只能小于1，不可能等于，不可能等于1或或大于大于1。循环发动机即使在理想情况下也不可能。循环发动机即使在理想情况下也不可能将热能全部转化为机械能将热能全部转化为机械能当当T1=T2时，循环热效率时，循环热效率c=0。热能产生动力一。热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，借助单一热源连定要有温度差作为热力学条件，借助单一热源连续作功的机器是制造不出的续作功的机器是制造不出的卡诺循环及其热效率公式奠定了热力学

6、第二定律卡诺循环及其热效率公式奠定了热力学第二定律的理论基础，为提高各种热动力机热效率指出了的理论基础，为提高各种热动力机热效率指出了方向方向选用以气体为工质的卡诺循环的困难在于受设备选用以气体为工质的卡诺循环的困难在于受设备限制及气体定温过程不易实现限制及气体定温过程不易实现 概括性卡诺循环概括性卡诺循环概括性卡诺循环是工作于两个恒温热源间的极限概括性卡诺循环是工作于两个恒温热源间的极限回热循环，由两个可逆定温过程和两个同类型的回热循环，由两个可逆定温过程和两个同类型的其它可逆过程组成其它可逆过程组成概括性卡诺循环的热效率与卡诺循环相同概括性卡诺循环的热效率与卡诺循环相同回热：利用工质排出的

7、部分热量来加热工质本身回热：利用工质排出的部分热量来加热工质本身的方法称为回热，是提高热效率的有效方法的方法称为回热，是提高热效率的有效方法cdcabtTTsTsTqq121212111逆向卡诺循环逆向卡诺循环逆向卡诺循环：按与卡诺循环相同的路线而循反逆向卡诺循环：按与卡诺循环相同的路线而循反方向进行的循环即逆向卡诺循环方向进行的循环即逆向卡诺循环逆向卡诺制冷循环的制冷系数为逆向卡诺制冷循环的制冷系数为逆向卡诺热泵循环的供暖系数为逆向卡诺热泵循环的供暖系数为对于制冷循环，环境温度对于制冷循环，环境温度T1低，冷库温度低，冷库温度T2高，高，则制冷系数大；对于热泵循环，环境温度则制冷系数大；对于

8、热泵循环，环境温度T2高，高，室内温度室内温度T1低，则供暖系数大，且低，则供暖系数大，且总大于总大于12122122TTTqqqwqnetc2112111TTTqqqwqnetc多热源的可逆循环多热源的可逆循环热源多于两个的可逆循环，其热效率低于同温限热源多于两个的可逆循环，其热效率低于同温限间工作的卡诺循环间工作的卡诺循环工作在工作在T1=Th、T2=Tl下的多热源可逆循环的热效下的多热源可逆循环的热效率率 卡诺循环的热效率卡诺循环的热效率 由于由于q1q2，所以，所以tcehgnmegnmeqqt面积面积面积面积lg1112ABnmAqqDCnmDc面积面积面积面积1112引入平均温度概

9、念也可得到相同结论引入平均温度概念也可得到相同结论 T-s图上的热量以当量矩形面积代替时的矩形高图上的热量以当量矩形面积代替时的矩形高度即平均温度度即平均温度 由于由于 ， ，所以，所以tB，令，令B反向运行，可得循环总效果相当反向运行，可得循环总效果相当于取出低温热源的热量于取出低温热源的热量(Q2B-Q2A)转化为功转化为功(WA-WB)，违反，违反热力学第二定律的开尔文说法热力学第二定律的开尔文说法 若假定若假定B A，也可得类似结论，也可得类似结论 因此因此定理二定理二在温度同为在温度同为T1的热源和温度同为的热源和温度同为T2的冷源间工作的的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于

10、可逆循环一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环 证明过程：设证明过程：设A为不可逆机，为不可逆机，B是可逆机，令是可逆机，令A正向正向循环带动循环带动B逆向循环逆向循环 若若AB，得出的结论违反热力学第二定律，得出的结论违反热力学第二定律 若若A=B，得出的结论与，得出的结论与A是不可逆机的假设矛盾是不可逆机的假设矛盾121TTcBA因此，因此， ATB，A放热，放热，B吸热吸热 若为无限小温差传热，若为无限小温差传热， TA=TB，则，则 有限温差传热，热量由高温物体传向低温物体有限温差传热，热量由高温物体传向低温物体是是 不可逆过程，同温传热为可逆过程不可逆过程，同温传热为可逆过程0BAi

11、soTQTQdS0isodS热转化为功热转化为功 通过两个温度为通过两个温度为T1、T2的恒温热源间工作的热机的恒温热源间工作的热机实现热能转化为功实现热能转化为功 热机进行可逆循环时，热机进行可逆循环时， ， 热机进行不可逆循环时，热机进行不可逆循环时， ，222121TQdSTQSSSSTTiso112222110TQTQTQTQ2211TQTQ0isoS2211TQTQ0isoS耗散功转化为热耗散功转化为热 由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称为耗散由于摩擦等耗散效应而损失的机械功称为耗散功功 孤立系内部存在不可逆耗散效应时，耗散功孤立系内部存在不可逆耗散效应时，耗散功Wl转化为耗散热转化

12、为耗散热Qg，它由某个物体吸收，引起熵，它由某个物体吸收，引起熵增大，称为熵产增大，称为熵产Sg 孤立系的熵增等于不可逆损失造成的熵产孤立系的熵增等于不可逆损失造成的熵产 孤立系统内只要有机械功不可逆地转化为热能，孤立系统内只要有机械功不可逆地转化为热能，系统的熵必定增大系统的熵必定增大0glgSTWTQ0gisoSS0gisoSdS作功能力损失作功能力损失 耗散功转化的热能如果全部被一个与环境温度耗散功转化的热能如果全部被一个与环境温度T0相同的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能相同的物体吸收，它将不再具有作出有用功的能力，作功能力损失以力，作功能力损失以I表示，表示，dI=Wl，因而，因

13、而熵增原理只适用于孤立系统，对于非孤立系，或熵增原理只适用于孤立系统，对于非孤立系，或者孤立系中某个物体者孤立系中某个物体 ，它们的熵可能增大，可，它们的熵可能增大，可能不变，也可能减小能不变，也可能减小0TdIdSiso熵增原理的实质熵增原理的实质熵增原理阐明了过程进行的方向熵增原理阐明了过程进行的方向 实际的热力过程总是朝着使系统总熵增大的方实际的热力过程总是朝着使系统总熵增大的方向进行，向进行，熵增原理指出了热过程进行的限度熵增原理指出了热过程进行的限度 孤立系统总熵达到最大值时过程停止进行，系孤立系统总熵达到最大值时过程停止进行，系统达到平衡状态，统达到平衡状态，熵增原理揭示了热过程进

14、行的条件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使孤立系总熵减小，则如果某一过程的进行会使孤立系总熵减小，则该过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为该过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系总熵增大，或至少保持不变补偿，使孤立系总熵增大，或至少保持不变0isodS0isodS热力学第二定律数学表达式及适用范围热力学第二定律数学表达式及适用范围 循环过程循环过程 闭口系统闭口系统 绝热闭口系绝热闭口系 孤立系统孤立系统0rTQrTQdS210addS0isodS5-6 熵方程熵方程闭口系（控制质量）熵方程闭口系（控制质量）熵方程闭口系的热力学第二定律关系式闭口系的热力

15、学第二定律关系式 不可逆因素造成的熵产不可逆因素造成的熵产 或或 由热流引起的熵变称为热熵流，用由热流引起的熵变称为热熵流，用Sf,Q表示表示 因而因而 控制质量的熵变等于熵流和熵产之和控制质量的熵变等于熵流和熵产之和 rTQdS0rgTQdSSrgTQSdSQfgSSdS,QfgSSS,21开口系（控制体积）熵方程开口系（控制体积）熵方程开口系熵方程开口系熵方程 控制体积、热源、物质源共同组成一个孤立系控制体积、热源、物质源共同组成一个孤立系统统 孤立系的熵变包括控制体积的熵变孤立系的熵变包括控制体积的熵变dSCV，热源，热源熵变熵变Qr/Tr及物质源熵变及物质源熵变seme-simi，孤立

16、系，孤立系熵变等于熵产，则熵变等于熵产，则 或或iieerrCVgisomsmsTQdSSdSiieerCVmsmsTQdSgeeiirCVSmsmsTQdS 控制体积的熵变等于熵流与熵产之和，熵流包括控制体积的熵变等于熵流与熵产之和，熵流包括热熵流和质熵流，熵流与熵产都是过程量热熵流和质熵流，熵流与熵产都是过程量 在在时间内则有时间内则有 对于稳定流动体系，对于稳定流动体系，dSCV=0，mi=me=m，则，则 时间内流入质量为时间内流入质量为m的工质时，则的工质时，则 1kg工质则为工质则为 对于绝热稳定流动系，则有对于绝热稳定流动系，则有 geeiirCVSmsmsTQSgQfiessm

17、ss,gQfSSmss,12gQfssss,12gsss125-7 参数的基本概念参数的基本概念 热量热量能量的可转换性、能量的可转换性、 和和能量有品质的差别，功是比热品质更高的能量能量有品质的差别，功是比热品质更高的能量环境：抽象概念，具有稳定的环境：抽象概念，具有稳定的p0、T0及确定的化及确定的化学组成，任何热力系与其交换热量、功量和物质，学组成，任何热力系与其交换热量、功量和物质，它都不会改变它都不会改变 ：在环境条件下，能量中可转化为有用功的：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的最高份额称为该能量的 (exergy) 或者：热力系只与环境相互作用，从任意状态或者

18、：热力系只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡状态时，作出的最大可逆地变化到与环境相平衡状态时，作出的最大有用功称为该热力系的有用功称为该热力系的在环境条件下不可能转化为有用功的那部分能量称在环境条件下不可能转化为有用功的那部分能量称为为 (anergy)闭口系工质可作出的最大有用功称为闭口系工质的闭口系工质可作出的最大有用功称为闭口系工质的热力学能热力学能稳流工质可作出的最大有用功称为稳流工质的焓稳流工质可作出的最大有用功称为稳流工质的焓任何能量任何能量E都由都由 (Ex)和和 (An)两部分组成两部分组成 E= Ex+ An热量热量 和冷量和冷量热量热量 ：温度为：温度为T0

19、的环境条件下，系统的环境条件下，系统(TT0)所提供的热量中可转化为有用功的最大值就是热所提供的热量中可转化为有用功的最大值就是热量量 ，用，用Ex,Q表示表示 设想一系列微元卡诺机在系统与环境之间工作，设想一系列微元卡诺机在系统与环境之间工作，每一卡诺循环作出的循环净功，即系统提供的热每一卡诺循环作出的循环净功，即系统提供的热量量Q中的热量中的热量 Ex,Q为为 热量热量 为为QTTEQx0,1QTTEQAQxQn0, Q的热量的热量 为循环工质对过程积分，即为循环工质对过程积分，即 过程可逆，则有过程可逆，则有 所以所以 若系统以恒温若系统以恒温T供热，则热量供热，则热量 和热量和热量 为

20、为210210,1TQTQQTTEQxTQdSSTQEQx0,STEQAQxQn0,STQQTTEQx00,1STTQTAQn00,同样大小的热量，供热温度愈高，则同样大小的热量，供热温度愈高，则S1-2愈小，愈小，An,Q愈小，愈小，Ex,Q愈大愈大热量热量 是过程量，由于是过程量，由于TT0，Ex,Q与与Q方向相方向相同，系统放出了热量同，系统放出了热量Q的同时也放出了热量的同时也放出了热量冷量冷量 ：温度低于环境温度：温度低于环境温度T0的系统的系统(TT0)，吸入热量吸入热量Q0时作出的最大有用功称为冷量时作出的最大有用功称为冷量 ，用用Ex,Q0表示表示 简单恒温系统吸热简单恒温系统

21、吸热 ，环境为热源，系统为冷源，环境为热源，系统为冷源，设想一可逆卡诺机，冷量设想一可逆卡诺机，冷量 为为QTTEQx0,10 由循环的能量守恒关系式由循环的能量守恒关系式 得得 冷量冷量 为系统从环境的吸热量，即为系统从环境的吸热量，即 S为系统吸热时的熵变为系统吸热时的熵变 因而因而对于对于TT0的变温系统，可导出冷量的变温系统，可导出冷量0,0QEQQx0000,10QSTQTTEQxSTAQn0,000,0QnQxAEQ00000,1QQxQTTE冷量冷量 ：系统温度低于环境温度：系统温度低于环境温度T0 (TT0时，时， Ex,Q/Q随着随着T的增大而增大，变化逐渐平缓的增大而增大，

22、变化逐渐平缓 T时，时， Ex,Q/Q 1，但永远小于，但永远小于1TT0时，随着时，随着T的减小的减小 增大增大 T0/2TT0时，时， 1，冷量，冷量 数量上小于热量数量上小于热量 T1，并随着，并随着T的减小急剧增大，冷的减小急剧增大，冷 量量 在数量上可以大于热量本身在数量上可以大于热量本身0,0QEQx0,0QEQx0,0QEQx孤立系中熵增与孤立系中熵增与 损失，能量贬值原理损失，能量贬值原理Gouy-Stodla公式（公式（G-S式）式） 设有两个恒温体系设有两个恒温体系A和和B，TATB，体系，体系A放出的放出的热量热量Q中的热量中的热量 为为 体系体系B放出的热量放出的热量Q

23、中的热量中的热量 为为 QTTWEAAAQx0max,1 QTTWEBBBQx0max,1 孤立系中因不可逆传热而引起的孤立系中因不可逆传热而引起的 损失损失I为为 孤立系因不可逆传热引起的熵增大为孤立系因不可逆传热引起的熵增大为 孤立系熵增等于熵产，故孤立系熵增等于熵产，故 G-S式表明，环境温度式表明，环境温度T0一定时，孤立系统一定时，孤立系统 损失损失 与其熵增成正比。该式为普适公式与其熵增成正比。该式为普适公式 QTTTEEIABBQxAQx110,0ABABisoTQTQSSSgisoSTSTI00 由于由于 所以所以 孤立系的孤立系的 损失等于损失等于 增增能量贬值原理能量贬值原理 孤立系统中进行热力过程时孤立系统中进行热力过程时 只会减小不会增只会减小不会增大，极限情况下（可逆过程）大，极限情况下（可逆过程） 保持不变，即保持不变，即 减少减少 损失（有限度地）是合理用能及节能的损失（有限度地）是合理用能及节能的指导方向指导方向 QAEAEBQnBQxAQnAQx, BQxAQxAQnBQnEEAA,0,isoxdE