工程热力学课件-51

第五章第五章热力学第二定律热力学第二定律Second Law of Thermodynamics本章要求本章要求 深深入入理理解解热热力力学学第第二二定定律律的的实实质质，认认识识能能量量不不仅仅有有“量量”的多少，而且还有的多少，而且还有“质质”的高低；的高低；掌握掌握卡诺定理卡诺定理，掌握熵的意义、计算和应用；，掌握熵的意义、计算和应用；掌掌握握孤孤立立系系统统和和绝绝热热系系统统熵熵增增的的计计算算，从从而而明明 确能量损耗的计算方法；确能量损耗的计算方法；了解了解火用火用（可用能、有用能）的概念及其计算；（可用能、有用能）的概念及其计算；学学会会用用熵熵分分析析法法或或火火用用分分析析法法对对热热力力过过程程进进行行热热工工分分析析，认认识识提提高高能能量量利利用用经经济济性性的的方方向向、途途径径和方法。和方法。5154作业作业能量之间能量之间数量数量的关系的关系热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能的过程是否都能自发自发进行进行自发过程的方向性自发过程的方向性自发过程：自发过程：不需要任何外界作用而不需要任何外界作用而自动自动进进 行的过程。行的过程。自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性l 热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体l 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l 电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性自发过程的方向性功量功量自发过程具有方向性、条件、限度自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热摩擦生热热量热量100%热量热量发电厂发电厂功量功量40%放热放热Spontaneous processHeat transfer常见的不可逆过程常见的不可逆过程不等温传热不等温传热T1T2T1T2Q节流过程节流过程 (阀门）阀门）p1p2p1p2Frequently encountered irreversibilitiesThrottler常见的不可逆过程常见的不可逆过程混合过程混合过程自由膨胀自由膨胀真空真空Frequently encountered irreversibilitiesUnrestrained expansionMixing process可逆过程的实现可逆过程的实现准静态过程准静态过程 +无耗散效应无耗散效应 =可逆过程可逆过程无不平衡势差无不平衡势差通过摩擦使功通过摩擦使功变热的效应变热的效应(摩阻，电阻，摩阻，电阻，非弹性变性，非弹性变性，磁阻等）磁阻等）不平衡势差不平衡势差不可逆根源不可逆根源 耗散效应耗散效应 耗散效应耗散效应 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质能不能找出能不能找出共同共同的规律性的规律性?能不能找到一个能不能找到一个判据判据?自然界过程的自然界过程的方向性方向性表现在不同的方面表现在不同的方面热力学第二定律热力学第二定律5-1 热二律的表述与实质热二律的表述与实质 热功转换热功转换 传传 热热 热二律的热二律的表述表述有有 60-7060-70 种种 1851年年 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度R.克劳修斯克劳修斯 Rudolph Clausius（1822-1888）德国德国热一律热一律热二律热二律一、开尔文普朗克表述一、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。KelvinPlanck Statement It is impossible for any device that operates on a cycle to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work.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。热机不可能将从热机不可能将从热源热源吸收的热量全部转变为有吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给用功，而必须将某一部分传给冷源冷源。理想气体理想气体 T 过程过程 q=wKelvinPlanck StatementHeat reservoirs Thermal Energy Source Heat Thermal Energy Sink冷热源冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限大，取、放热其温度不变 但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律perpetual-motion machine of the second kind第二类永动机：设想的从第二类永动机：设想的从单一热源单一热源取热并取热并使之完全变为功的热机。使之完全变为功的热机。这类永动机这类永动机并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源环境是个大热源Perpetual motion machine of the second kind锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQoutQPerpetual motion machine of the second kind锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器WnetQoutQ二、克劳修斯表述二、克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化体而不引起其它变化。It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body.Clausius statement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不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化体而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体温物体传至高温物体。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功Clausius statement两种表述的关系两种表述的关系开尔文普朗克开尔文普朗克表述表述 完全等效完全等效!克劳修斯表述克劳修斯表述违反一种表述违反一种表述,必违反另一种表述必违反另一种表述!证明证明1 1、违反、违反开表述开表述导致违反导致违反克表述克表述 Q1=WA+Q2反证法：反证法：假定违反假定违反开表述开表述 热机热机A从单热源吸热全部作功从单热源吸热全部作功Q1=WA 用热机用热机A带动可逆制冷机带动可逆制冷机B 取绝对值取绝对值 Q1-Q2=WA=Q1 Q1-Q1=Q2 违反违反克表述克表述 T1 热源热源AB冷源冷源 T2 T1 Q2Q1WAQ1证明证明2 2、违反、违反克表述克表述导致违反导致违反开表述开表述 WA=Q1-Q2反证法：反证法：假定违反假定违反克表述克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源热量无偿从冷源送到热源假定热机假定热机A从热源吸热从热源吸热Q1 冷源无变化冷源无变化 从热源吸收从热源吸收Q1-Q2全变成功全变成功WA 违反违反开表述开表述 T1 热源热源A冷源冷源 T2 100不可能不可能热二律否定第二类永动机热二律否定第二类永动机 t=100不可能不可能5-2 卡诺循环卡诺循环法国工程师卡诺法国工程师卡诺 (S.Carnot)，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高S.卡诺卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国）法国卡诺循环和卡诺定理，热二律奠基人卡诺循环和卡诺定理，热二律奠基人卡诺循环卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环卡诺循环示意图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卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率T1T2Rcq1q2wCarnot efficiency t,c只取决于只取决于恒温热源恒温热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关；卡诺循环卡诺循环热机效率的说明热机效率的说明 T1 t,c ,T2 c ，温差越大，温差越大，t,c越高越高 当当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能单热源热机不可能 T1=K,T2=0 K,t,c 100%，热二律热二律Constant heat reservoirT0 c卡诺卡诺逆逆循环循环卡诺制冷循环卡诺制冷循环T0T2制冷制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2 c T1 卡诺卡诺逆逆循环循环卡诺制热循环卡诺制热循环T0T1制热制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0 三种三种卡诺循环卡诺循环T0T2T1制冷制冷制热制热TsT1T2动力动力 有一卡诺热机有一卡诺热机,从从T1热热源吸热源吸热Q1,向向T0环境放热环境放热Q2,对外作功对外作功W带动另一卡诺逆带动另一卡诺逆循环循环,从从T2冷源吸热冷源吸热Q2,向向T0放热放热Q1例例 题题T1T2(T0 则则例例 题题T1T2(T0 解：解：WW例例 题题T1T2(T0 解：解：0