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1、热力学第二定律 CAI 子课件用户手册1第一章第一章 讲解演示讲解演示 CAI 单元单元1.1 基本概念基本概念热力学第二定律热力学第二定律：开尔文说法：只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的；克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。第二类永动机第二类永动机：从单一热源取得热量，并使之完全转变为机械能而不引起其他变化的循环发动机，称为第二类永动机。孤立系统孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理：若孤立系统所有部分的内部以及彼此间的作用都经历可逆变化，则孤立系的总熵保持不变；若在任一部分内发生不可
2、逆过程或各部分间的相互作用伴有不可逆性，则其总熵必定增加。定熵过程定熵过程：系统与外界没有热量交换情况下所进行的可逆热力过程，称为定熵过程。可逆过程可逆过程：当系统进行正、反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态，这样的过程称为可逆过程。热机循环热机循环：若循环的结果是工质将外界的热能在一定条件下连续不断地转变为机械能，则此循环称为热机循环。制冷制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境温度，并维持这个低温称为制冷。制冷机制冷机：从低温冷藏室吸取热量排向大气所用的机械称为制冷机。热泵热泵：将从低温热源吸取的热量传送至高温暖室所用的机械装置称为热泵。理想热机理想热机：热机内发生的一切热力过
3、程都是可逆过程，则该热机称为理想热机。卡诺循环卡诺循环：在两个恒温热源间，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成的循环，称为卡诺循环。卡诺定理卡诺定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，以可逆机的热效率为最高。自由膨胀自由膨胀：气体向没有阻力空间的膨胀过程，称为自由膨胀过程。热力学第二定律 CAI 子课件用户手册2不可逆作功能力损失不可逆作功能力损失：不可逆过程作功能力损失等于环境温度与孤立系统熵增的乘积。作功能力作功能力：作功能力是指从某状态的热源中吸取一定量的热量或对于一定状态的闭口系统工质或开口系统流动工质，可逆地过度到环境状态所能转换最大有用功。1.2 公式及适用条件公式及适
4、用条件熵的定义式熵的定义式：J/kg K21Tqs工质熵变计算工质熵变计算：，12sss 0ds工质熵变是指工质从某一平衡状态变化到另一平衡状态熵的差值。因为熵是状态参数，两状态间的熵差对于任何过程，可逆还是不可逆都相等。11212lnlnvvRTTcsv理想气体、已知初、终态 T、v 值求 S。21212lnlnPPRTTcsP理想气体已知初、终态 T、P 值求 S。31212lnlnPPcvvcsvP理想气体、已知初、终态 P、v 值求 S。4固体及液体的熵变计算：12ln,TTmcsTmcdTds5热源熵变：TQs 克劳修斯不等式克劳修斯不等式：0 rTQ热力学第二定律 CAI 子课件用
5、户手册3任何循环的克劳修斯积分永远小于零，可逆过程时等于零。孤立系统熵增计算孤立系统熵增计算1以闭口系统与相关外界构成的孤立系统熵增计算： niiisosursysisosssss 1或式中：Ssys系统熵变；Ssur环境熵变；SI某子系统熵变。2以开口系统与相关外界构成的孤立系统熵增计算：由于开口系统与外界有物质交换，则孤立系统熵增还应包括质流熵变。1122smsmssssursysiso式中：m2s2工质流出系统的熵；m1s1工质流入系统的熵。 不可逆作功能力损失不可逆作功能力损失：一切实际过程都是不可逆过程，都有作功能力损失，其计算式为：ISOSTW0式中：T0环境温度； SISO孤立系
6、统熵增。熵方程熵方程:1闭口系统的熵方程：gfdsdsds式中：系统与外界之间由传热引起的熵流。fds由不可逆引起的熵的增加，称为熵产。gds2开口系统的熵方程：outoutiningfvcmsmsdsdsds,热力学第二定律 CAI 子课件用户手册41.3 例题讲解例题讲解例 1空气从 P1=0.1MPa，t1=20，经绝热压缩至 P2=0.42MPa，t2=200。求：压缩过程工质熵变。 （设比热为定值） 。解：12kkgkJRCP/005. 1287. 027 27kkgkJPPRTTCSP/069. 01 . 0 42. 0ln287. 0293473ln005. 1lnln1212
7、12如按路径 122 计算熵变：可逆绝热过程：例 2刚性容器中贮有空气 2kg，初态参数 P1=0.1MPa，T1=293K，内装搅拌器，输入轴功率 WS=0.2kW，而通过容器壁向环境放热速率为。kWQ1 . 0. 求：工作 1 小时后孤立系统熵增。解：取刚性容器中空气为系统，能量方程：经 1 小时：UQWs.热力学第二定律 CAI 子课件用户手册5KmCQW TTTTmCQWvvs5447175. 021 . 02 . 03600293360036003600.1212. 定容过程： 1212 TT PPMPaTTPP186. 02935441 . 012 12取以上系统及相关外界构成孤立
8、系统：sursysisoSSSKkJTQSsur/2287. 12931 . 036000KkJSiso/12. 22287. 18906. 0例 3压气机空气由 P1=100kPa，T1=400K，定温压缩到终态 P2=1000kPa，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多 25%。设环境温度为 T0=300K。求：压缩每 kg 气体的总熵变。解：取压气机为控制体。按可逆定温压缩消耗轴功：kgkJPPRTvvRTWSO/3 .2641000100ln400287. 0lnln2112实际消耗轴功：kgkJWS/4 .3303 .26425. 1能量方程，忽略动能、位能变化：21hqhWS理
9、想气体定温过程：h1=h2 故：kgkJWqS/4 .330孤立系统熵增：sursysisoSSS热力学第二定律 CAI 子课件用户手册6稳态稳流：0sysSkkgkJTq PPRTqSSSsur/44. 03004 .330 1000100ln287. 0ln021012例 4已知状态 P1=0.2MPa，t1=27的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为 P2=0.1MPa。求：作功能力损失。 （设环境温度为 T0=300K）解：取整个容器（包括真空容器）为系统。由能量方程得知：，21UU TTT21绝热过程、环境熵变kkgkJPPRPPRPPRTTCSPsys/199. 01 . 0
10、 2 . 0ln287. 0lnln0lnln21121212kgkJSTWiso/13244. 030001.4 分析思考题分析思考题1 某热力系统经历一熵增的可逆过程，问该热力系统能否经一绝热过程回复到初态。答案：不可能，因为热力系统经历一熵增过程后，要使热力系回复到原态，热力系必须经历一相反的过程，即熵减的过程，而绝热过程是熵变大于或等于零的过程，所以热力系经一绝热过程无法回复到初态。热力学第二定律能否表示为：热力学第二定律能否表示为：“功可以完全变为热而热不能完全变为功功可以完全变为热而热不能完全变为功” ，这种说法有何，这种说法有何不妥？不妥？答案：热力学第二定律是阐述热力过程方向性
11、的定律，在表述热功相互转换规律时，热力学第二定律指出：功可以无条件地百分之百地转换为热，而热却不能无条件地、百分之百的转换为功，所以不能简单地说功可以完全变为热，而热不能完全变为功。有人说：有人说：“自发过程是不可逆过程，则非自自发过程是不可逆过程，则非自发过程就是可逆过程发过程就是可逆过程”这种说法对吗？这种说法对吗？热力学第二定律 CAI 子课件用户手册7答案：不对，因为过程是否可逆在于过程进行中是否存在不可逆因素，而与过程是否自发与非自发并无直接关系。若过程中并无任何不可逆因素存在，则过程是可逆过程，否则就是不可逆过程，自发过程是不可逆过程，但非自发过程可以是可逆的，也可以是不可逆的过程
12、。若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，均从同一初始状态出发，且两过程中工质的吸热若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，均从同一初始状态出发，且两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同？量相同，问工质终态的熵是否相同？答案：不相同，两过程吸热量相同，则因为传热引起的熵流相同，而不可逆过程还因为过程的不可逆性伴随有熵产的产生，因为两过程从同一初始状态出发，初始状态熵相同，所以这两过程工质终态的熵不相同，不可逆过程终态的熵大于可逆过程终态的熵。2 绝热过程是否一定是定熵过程？定熵过程是否一定满足 PvK=定值的方程？答案：绝热过程不一定是定熵过程，绝热过程中系统和外界没有热量交换，这个过程可以
13、是可逆的，也可是不可逆的，只是可逆绝热过程才是定熵过程，而不可逆绝热过程是熵增过程。对于理想气体的定熵过程一定满足 PvK=定值的方程，而不可逆绝热过程不满足此方程式。3工质经历一个不可逆循环能否回复到初态？答案：能。循环是指工质从某一状态点出发，经过一连串的热力过程又回复到原状态点的所有热力过程的组合，既然是一个循环，就一定能回复到原状态，与组成循环的过程是否可逆没有关系。4第二类永动机与第一类永动机有何不同？答案：第二类永动机指从单一热源取得热量并使之完全转变为机械功的循环发动机；而第一类永动机是指不消耗任何能量而连续不断作功的循环发动机，第一类永动机违反了热力学第一定律，第二类永动机违反
14、了热力学第二定律。8用孤立系统熵增原理证明热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆过程。热量 Q 自高温的恒温物体 T1传向低温的恒温物体 T2。孤立系统由物体 T1和 T2组成，则 12211121TTQTQTQSSSTTiso因为 T2T1,所以，那么。热量自高温物体传给低温物体的01112 TT0isoS过程是不可逆过程。9 “循环功越大，则热效率越高” ；“可逆循环热效率都相等” ；“不可逆循环效率一定小于可逆循环效率” 。这些结论是否正确？为什么？热力学第二定律 CAI 子课件用户手册8答案：这些结论不正确，热效率等于循环功与由高温热源吸收热量的比值，并不能简单地说循环功越大，热效率
15、越高；卡诺定理有两个推论：在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质无关；在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆热机的热效率。题目所述没有提到可逆机与不可逆机是否工作在同温的冷源和热源之间，所以不正确。热力学第二定律 CAI 子课件用户手册9第二章第二章 自测练习自测练习 CAI 单元单元2.1 是非题是非题2.1.1 初级初级1不可逆过程无法在 TS 图上表示，因此无法计算其熵的变化。 “错”答案：熵是一状态参数，只和热力过程的初、终态有关，而与所进行热力过程无关。2系统熵减少的过程，必须是放热过程。 “对”答案：系统熵变化包括熵流和熵产两部分，因为熵产不可能小于零，所以要想实现系统熵减少的过程必须是放热过程。3两种状态相同的不同气体，在闭口系统中进行绝热混合，则混合过程中熵的变化为零。两种状态相同的不同气体，在闭口系统中进行绝热混合，则混合过程中熵的变化为零。“错错”4工质在相同的初、终态之间进行可逆与不可逆过程，则工质熵的变化是一样的。“对”答案：因为熵是一状态参数，只与初、终态有关，而与热力过程无关。5功量可以转换成热量，但热量不能转换成功量。 “错”答案：按照热力
