高等工程热力学热力学第二定律.ppt

1,热力学第二定律 The second law of thermodynamics,2,3,一、自发过程的方向性,自发过程：不需要任何外界作用 而自动进行的过程。,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,4,归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。,能量转换方向性的实质是能质有差异,能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程,5,二、第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述不可能制造循环热机，只从一 个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。,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,6,证明1、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,A,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,7,证明2、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,WA = Q1,Q1 -Q1 = Q2,违反克表述,A,B,Q2,Q1,WA,Q1,8,热力学第二定律的实质, 自发过程都具有方向性 若想逆向进行，必付出代价，须补偿自 发过程 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 可以用能量贬值原理把两种表述统一起来：所有自发过程都是程度不同的不可逆过程，都伴有能量的降级,9,卡诺循环和卡诺定理,一、卡诺循环及其热效率 1. 卡诺循环,是两个热源的可逆循环,10,卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,Rc,q1,q2,w,11,讨论：,2）,3）,第二类永动机不可能制成。,4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。,5）卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的方向。,1）,即,循环净功小于吸热量，必有放热q2。,12,二、逆向卡诺循环,制冷系数：,Tc,T-Tc ,13,供暖系数：,TR,TR-T0 ,14,三、卡诺定理 定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源 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T1的热源和同为温度T2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。 理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2； 2）提高热机效率的极限。,15,卡诺定理1证明 反证法：,设有任意的可逆热机A和可逆热机B,A=WA/Q1,B= WB/Q1,把B逆转,Q2B,假设A大于B：则WA大于WB,违反开表述，单热源热机,16,卡诺定理2证明：,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,WR,17,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。,18,熵一、克劳修斯积分等式,任意的可逆循环,19,克劳修斯等式,20,二、克劳修斯积分不等式,将循环用无数组 s 线细分，则必存在某个微元循环是不可逆的,任意的不可逆循环,热源温度,21,系统的熵变在可逆时等于克劳修斯积分，不可逆时大于克劳修斯积分,热二律表达式,22,可逆: 可逆过程中对工质加入的热量 工质的温度(热源温度),不可逆: 不可逆过程中对工质加入的热量 热源温度,23,三、熵的物理意义,定义：熵,热源温度=工质温度,比熵,熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,熵的物理意义,可逆,24,熵是状态量,可逆循环,熵变与路径无关,只与初终态有关,25,不可逆过程S与传热量的关系,任意不可逆循环,12,12,26,除了传热,还有其它因素影响熵,不可逆因素会引起熵变化,总是熵增,四、不可逆绝热过程中熵变的分析：1、可逆绝热过程：,定熵过程,2、不可逆绝热过程：,两过程在T-S图上的表示,27,五、不可逆过程中熵的产生（熵产）： 气缸中工质进行一微元的不可逆过程，向外界吸热Q,对外作功W,内能变化dU,熵的变化dS : Q = dU + W,为了计算熵变dS,可安排一微元可逆过程,初、终状态相同，工质温度为T，则： dU、 dS、 QR、 WR,28,熵产,熵流,29,定义,熵产：纯焠由不可逆因素引起,结论：熵产是过程不可逆性大小的度量,熵流：,永远,热二律表达式之一,可作为熵的一般定义式,由传热而引起,30,孤立系统熵增原理,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,热二律表达式之一,31,孤立系熵增原理举例(1),传热：两恒温热源之间,Q,用克劳修斯不等式,用,用,用,没有循环,不好用,不知道,32,孤立系熵增原理举例(1),Q,取热源T1和T2为孤立系：假设1向2传热,当T1T2,可自发传热,当T1T2,不能传热,当T1=T2,可逆传热,33,孤立系熵增原理举例(1),Q,T1,T2,34,对孤立系熵增原理的理解：,是对孤立系统而言 实际过程总是向着使孤立系统熵增加的方向进行方向 如果过程进行的结果，使孤立系统熵增加，则它可以自发进行；如果过程进行的结果，使孤立系统熵减少，则它不可以自发进行，需补偿熵增过程 条件 孤立系统由不平衡过渡到平衡，熵不断增大，直到熵达到某一最大值限度 又称为能量贬值原理,35,熵方程,闭口系,开口系,稳定流动,订正：12,36,能量的可用性,37,38,无限：如机械能和电能，全部是 有限：温度不等于环境的物质的热力学能和热源传递的热量，一部分 ，一部分 非转换能：环境介质的热力学能，全部为,火无,火无,39,火无,火无,火无,火无,火无,火无,40,火无,41,42,火无,43,评价发电厂热经济性的方法主要有两种,热量法（效率法、热平衡法）：以热力学第一定律为基础 热量法是从能量转换的数量来评价其效果的，即以热效率或热损失的大小对发电厂或热力设备的热经济性进行评价，一般用于发电厂热经济性的定量分析。 作功能力分析法（熵方法 火用方法）：以热力学第一定律和第二定律为基础 熵分析法或火用分析法是以燃料化学能的做功能力被利用的程度来评价发电厂的热经济性，一般用于发电厂热经济性定性分析，以便从本质上指导技术改进方向。,44,45,火无,46,冷量低于环境温度传递的热量。,整理,47,火无,火无,48,49,50,焓火用在T-s图上表示,