工程热力学课件-53

第五章第五章热力学第二定律热力学第二定律Second Law of Thermodynamics作业作业 55 57开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 不可能从不可能从单一热源单一热源取热，并使之完全转取热，并使之完全转变为变为有用功有用功而不产生其它影响而不产生其它影响。克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体而不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化不引起其它变化。卡诺循环卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程，q2=T2(s2-s1)Carnot cycleCarnot heat engine卡诺定理小结卡诺定理小结1、在两个不同在两个不同 T T 的的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切 可逆可逆热机热机 tR=tC 2、多多热源间工作的一切可逆热机热源间工作的一切可逆热机 tR多多 同温限间工作卡诺机同温限间工作卡诺机 tC 3、不可逆不可逆热机热机 tIR 同热源间工作同热源间工作可逆可逆热机热机 tR tIR tR=tC 在给定的温度界限间在给定的温度界限间工作的工作的一切热机一切热机，tC最高最高 热机极限热机极限 卡诺定理的意义卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环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。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对热力学第二定律的建立具有重大意义。重大意义。5-4 熵、热过程的方向性的判据熵、热过程的方向性的判据一、克劳修斯不等式一、克劳修斯不等式二、二、熵熵Entropy二、二、熵熵Entropy热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性热二律推论之三热二律推论之三 熵熵反映反映方向性方向性熵的导出熵的导出定义：定义：熵熵克劳修斯不等式克劳修斯不等式可逆过程，可逆过程，代表某一代表某一状态函数状态函数。=可逆循环可逆循环 不可逆不可逆121212 S与传热量与传热量的关系的关系=可逆可逆不可逆不可逆：不可逆过程：不可逆过程定义定义熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：熵流：永远永远热二律表达式之一热二律表达式之一Entropy flow and Entropy generation熵流、熵产和熵变熵流、熵产和熵变任意不可逆过程任意不可逆过程可逆过程可逆过程不可逆绝热过程不可逆绝热过程可逆绝热过程可逆绝热过程不易求不易求熵变的计算方法熵变的计算方法理想气体理想气体仅仅可可逆逆过过程程适适用用Ts1234任何过程任何过程121212144212121332熵变的计算方法熵变的计算方法非理想气体：非理想气体：查图表查图表,或根据关系式计算或根据关系式计算固体和液体：固体和液体：通常通常常数常数例：水例：水熵变与过程无关，假定可逆：熵变与过程无关，假定可逆：熵变的计算方法熵变的计算方法热源（蓄热器）：热源（蓄热器）：与外界交换热量，与外界交换热量，T几乎不变几乎不变假想蓄热器假想蓄热器RQ1Q2WT2T1T1热源的熵变热源的熵变熵变的计算方法熵变的计算方法功源（蓄功器）：功源（蓄功器）：与只外界交换功与只外界交换功功源的熵变功源的熵变理想弹簧理想弹簧无耗散无耗散5-5 孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理孤立系统孤立系统无质量交换无质量交换结论：结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小绝不能减小，这一规律称为，这一规律称为孤立系统孤立系统 熵增原理熵增原理。无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一Increase of entropy principle The entropy of an isolated system during a process always increase or,in the limiting case of a reversible process,remains constant.孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理：孤立系统的熵只能孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小增大，或者不变，绝不能减小。为什么用为什么用孤立系统？孤立系统？孤立系统孤立系统=非孤立系统非孤立系统+相关外界相关外界=：可逆过程：可逆过程 reversible：不可逆过程：不可逆过程 irreversibleT2)QT2T1用用用用用用没有循环没有循环不好用不好用不知道不知道用克劳修斯不等式用克劳修斯不等式 孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(1)QT2T1取热源取热源T1和和T2为孤立系为孤立系当当T1T2可自发传热可自发传热当当T1T2不能传热不能传热当当T1=T2可逆传热可逆传热孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(1)QT2T1取热源取热源T1和和T2为孤立系为孤立系STT1T2孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(2)两恒温热源间工作的可逆热机两恒温热源间工作的可逆热机Q2T2T1RWQ1功功源源孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(2)Q2T2T1RWQ1功功源源STT1T2两恒温热源间工作的可逆热机两恒温热源间工作的可逆热机孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(3)T1T2RQ1Q2W假定假定 Q1=Q1，tIR tR，W tIR 可逆可逆T1T0IRWIRQ1Q2作功能力作功能力:以环境为基准以环境为基准,系统可能作出的最大功系统可能作出的最大功假定假定 Q1=Q1，WR WIR 作功能力损失作功能力损失I作功能力损失作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRWQ1Q2假定假定 Q1=Q1，W R WIR 作功能力损失作功能力损失I作功能力损失作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRWQ1Q2假定假定 Q1=Q1，W R WIR 作功能力损失作功能力损失I对孤立系熵增原理的理解对孤立系熵增原理的理解 是对孤立系统而言是对孤立系统而言 实际过程总是向着使孤立系统熵增加的方向实际过程总是向着使孤立系统熵增加的方向进行进行 方向方向 如果过程进行的结果，使孤立系统熵增加，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，需补孤立系统熵减少，则它不可以自发进行，需补偿熵增过程偿熵增过程 条件条件 孤立系统由不平衡过渡到平衡，熵不断增大，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直到熵达到某一最大值 限度限度又称为能量贬值原理又称为能量贬值原理热力学第二定律数学表达式热力学第二定律数学表达式ad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 5-6 熵方程熵方程闭口系闭口系开口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动稳定流动121212热二律讨论热二律讨论o热二律表述热二律表述“功可以全部转换为热功可以全部转换为热,而热不能全部转换为功而热不能全部转换为功”温度界限相同的一切可逆机的效率都相等温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?理想理想 T (1)体积膨胀体积膨胀,对外界有影响对外界有影响 (2)不能连续不断地转换为功不能连续不断地转换为功熵的性质和计算熵的性质和计算 不可逆过程的熵变可以在给定的初、终不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态态之间任选一可逆过程进行计算之间任选一可逆过程进行计算l 熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值 熵的变化只与初、终态有关，与过程的路熵的变化只与初、终态有关，与过程的路 径无关径无关 熵是广延量熵是广延量熵的表达式的联系熵的表达式的联系 可逆过程传热的大小和方向可逆过程传热的大小和方向 不可逆程度的量度不可逆程度的量度作功能力损失作功能力损失 孤立系孤立系 过程进行的方向过程进行的方向 循环循环克劳修斯不等式克劳修斯不等式I熵的问答题熵的问答题 任何过程，熵只增不减任何过程，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，则不可逆途径的达同一终点，则不可逆途径的 S必大于可逆必大于可逆过程的过程的 S 可逆循环可逆循环 S为零，不可逆循环为零，不可逆循环 S大于零大于零 不可逆过程不可逆过程 S永远永远大于可逆过程大于可逆过程 S 判断题（判断题（1）若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过若工质从同一初态，分别经可逆和不可逆过程，到达同一终态，已知两过程热源相同，程，到达同一终态，已知两过程热源相同，问传热量是否相同？问传热量是否相同？相同相同初终态，初终态，s相同相同=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程热源热源T相同相同相同相同判断题（判断题（2）若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相若工质从同一初态出发，从相同热源吸收相同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？同热量，问末态熵可逆与不可逆谁大？相同热量，热源相同热量，热源T相同相同=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程相同相同初态初态s1相同相同判断题（判断题（3）若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点？可逆绝热可逆绝热不可逆绝热不可逆绝热STp1p2122判断题（判断题（4）理想气体绝热自由膨胀，熵变？理想气体绝热自由膨胀，熵变？典型的不可逆过程典型的不可逆过程AB真空真空 可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例1)可逆热机可逆热机2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ 可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例1)可逆热机可逆热机2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ Scycle=0,Siso=0ST2000 K300 K 可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例2)2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ不可逆热机不可逆热机83 kJ17 kJ由于膨胀时摩擦由于膨胀时摩擦摩擦耗功摩擦耗功 2kJ当当T0=300K作功能力损失作功能力损失 =T0 Siso=2kJI 可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例2)2000 K300 K100 kJ15 kJ85 kJ不可逆热机不可逆热机83 kJ17 kJ由于膨胀时摩擦由于膨胀时摩擦=2kJ Scycle=0T0ST2000 K300 K Siso=0.0067II可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例3)有温差传热的可逆热机有温差传热的可逆热机2000 K300 K100 kJ16 kJ84 kJ100 kJ1875 KI可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例3)有温差传热的可逆热机有温差传热的可逆热机2000 K300 K100 kJ16 kJ84 kJ100 kJ1875 KST2000 K300 K1875 K Siso=0.0033 Scycle=0 T0 S热源温差热源温差II可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)某热机工作于某热机工作于T1=800K和和T2=285K两个热源之两个热源之间，间，q1=600kJ/kg，环境温度为，环境温度为285K，试求：试求：（1）热机为卡诺机时，循环的作功量及热机为卡诺机时，循环的作功量及热效率热效率 （2）若高温热源传热存在若高温热源传热存在50K温差，绝温差，绝热膨胀不可逆性引起熵增热膨胀不可逆性引起熵增0.25kJ/kg.K，低温，低温热源传热存在热源传热存在15K温差，这时循环作功量、温差，这时循环作功量、热效率、孤立系熵增和作功能力损失。热效率、孤立系熵增和作功能力损失。可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)（1）卡诺热机）卡诺热机800 KST285 K可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)800 K285 Kq1q2wq1750 K300 Kq2高温热源传热存在高温热源传热存在50K温差温差绝热膨胀不可逆性引起绝热膨胀不可逆性引起熵增熵增0.25kJ/kg.K低温热源传热存在低温热源传热存在15K温差温差（2）有温差传热）有温差传热可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)(2)800 KsT285 K750 K300 K s1800 K285 Kq1q2wq1=600750 K300 Kq2 s不可不可=0.25可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)某热机工作于某热机工作于T1=800K和和T2=285K两个热源之两个热源之间，间，q1=600kJ/kg，环境温度为，环境温度为285K，试求：试求：（1）热机为卡诺机时，循环的作功量及热机为卡诺机时，循环的作功量及热效率热效率 （2）若高温热源传热存在若高温热源传热存在50K温差，绝温差，绝热膨胀不可逆性引起熵增热膨胀不可逆性引起熵增0.25kJ/kg.K，低温，低温热源传热存在热源传热存在15K温差，这时温差，这时循环作功量循环作功量、热效率热效率、孤立系熵增孤立系熵增和和作功能力损失作功能力损失。可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)(2)800 KsT285 K750 K300 K s1 s不可逆不可逆=0.25可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)(2)800 KsT285 K750 K300 K s1 s不可逆不可逆 sisoI可逆与不可逆讨论可逆与不可逆讨论(例例4)(2)800 KsT285 K750 K300 KII