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1、*-1-6.2 热功转换热力学第一定律是从能量传递或转换过 程中总 结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律的 过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过 程是否一定会自发发生呢？这个问题热 力学第一定 律是回答不了的，必须用热力学第二定律。热力学第二定律：克劳修斯：热不可能自动从低温物体传给高温 物体。开尔文：不可能从单一热源吸热使之完全变为 有用的功而不引起其他变化。*-2-6.2.1 基本概念自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给 低温物体，气体向真空或低压膨胀，水由高处流向低 处，这些过程都不需要借助外力即可进行。这说明 自然界中类似的自发过程的进行有一定的方向性。自发过程是不消
2、耗功即可进行的过程；非自发过程是需要消耗功才可进行的过程。 *-3-热从高温物体传递给低温物体*-4-气体向真空或低压膨胀*-5-水由高处流向低处*-6-6.2.1 基本概念可逆过程：没有摩擦，推动力无限小，因此过 程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡 ；对产功的可逆过程，产功最大；对耗功的可逆过 程，耗功最小。不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度， 体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进 行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、 终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功 大于可逆过程。*-7-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度热量传递的方向性是指高温物体可自
3、发向低温 物体传热，而低温物体向高温物体传热则 必须消耗 功。热量传递的限度是指温度达到一致，不存在温 差。热功转换的方向性是指功可以完全转化为热， 而热只能部分转化为功。之所以有此结果，是由于热是无序能量，而功是 有序能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可 以自发转变为 无序运动，而无序运动不能自发转变 为有序运动。*-8-内容回顾与展望l稳稳流系统统 l热热力学第一定律在稳稳流系统统中的应应用 l热热力学第二定律三个表述 l可逆过过程与不可逆过过程 l热热量传递传递 方向性 l热热功转换转换 方向性*-9-提出问题l 有一种热热机，从400K处处吸热热25000J/s，向 200K处处
4、放热热12000J/s，做功16000W。问问： 该热该热 机是否合理？热热功转换转换 的限度？本讲讲主要内容：卡诺诺循环环（难难点） 利用卡诺诺循环热环热 效率计计算判断过过程的合 理性（重点）卡诺诺循环环*-10-热热机 : 持续续地将热转变为热转变为 功的机器一个概念热热机高温热热源低温热热源*-11-制冷循环示意图致冷机高温热热源低温热热源下一次课课内容*-12-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度热热功转换转换 的限度卡诺诺循环环 （1824、1830-1840）卡诺诺循环环是热热力学的基本循环环，解决了工 质质从高温热热源吸收的热热量转换为转换为 功的最大限度 问题问题 。由四
5、个可逆过过程组组成。*-13-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度卡诺诺循环环分两种：正卡诺诺循环环和逆卡诺诺循环环。正卡诺诺循环环是指工质质吸热热温度高于排热热温度，是产产 功过过程；（热电热电 厂、蒸汽机）逆卡诺诺循环环是指吸热热温度低于排热热温度，是耗功过过 程。（空调调、冰机）*-14-热电厂*-15-*-16-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度可逆等温膨胀41：工作介质蒸发，吸热量QH 可逆绝热膨胀12：做功量WC 可逆等温压缩23：工作介质冷凝，放热量QL 可逆绝热压缩 34：对液体做功Wp(可忽略)高温热源低温热源泵1234TH，QHTL，QLST1234THTLp1p
6、2*-17-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度卡诺循环的结果是热部分地转化为功，热 转化为功的限度用热效率来评价。热效率的物 理意义为：工质从高温热源吸收的热量转化为 净功的比率。卡诺循环的热效率最大。可以根据热力学 第一定律推出卡诺循环的热效率。*-18-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度根据热力学第一定律：U=Q+W内能是状态函数，一个循环U=0*-19-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度卡诺热诺热 机效 率与工作物 质质无关，只 与两个热热源 的温度有关 ，两热热源的 温差越大， 则则卡诺诺循环环 的效率越高 。*-20-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度讨论：*
7、-21-6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度意义：虽虽然可逆过过程只是一个理想过过程，实际实际 上无法实现实现 ，由可逆过过程组组成的卡诺诺循环发动环发动 机也 无法制造，但是，卡诺诺循环环在热热力学中具有重大的意 义义。卡诺诺循环环在历历史上首先奠定了热热力学第二定律 的基本概念，对对如何提高各种热热机的效率指明了方向 。*-22-解决问题有一种热热机，从400K处处吸热热25000J/s，向200K处处 放热热12000J/s，做功16000W。问问：该热该热 机是否合理 ？解：*-23-思考某人称其设计设计 了一台热热机，该热该热 机消耗热值为热值为 42000kJ/kg的燃料30k
8、g/h，可以产产生的输输出功率为为 170kW。该热该热 机的高温与低温热热源分别为别为 670K和 330K。试试判断此热热机是否合理？*-24-小结l卡诺诺循环环 l卡诺诺循环热环热 效率计计算 l利用卡诺诺循环热环热 效率计计算判断过过程的 合理性*-25-6.3 熵函数熵与熵增原理过程的熵变与过程的热温熵之间的关系。等号用于 可逆过程，不等号用于不可逆过程。 孤立体系 熵熵增原理*-26-熵熵增原理或者孤立体系经历经历 一个过过程时时，总总是自发发的向熵熵增大的 方向进进行，直到熵熵增大到最大值值，体系达到平衡态态。*-27-如果设计过设计过 程的总熵变总熵变 小于0，则过则过 程不能
9、实现实现 。熵熵增原理*-28-熵是过程进行方向的判据。孤立体系达到平衡时，熵 值最大。熵是系统的性质，只要系统处于一定的状态 ，便有一个确定的熵值。与内能一样，熵只能求取相 对值。 自然界存在各种有序性，例如结构、分布、运动有序性 等。晶体结构是高度有序的。从晶体熔化成液体，分子 的排列由有序转向无序；扩散过程，分子由分布的有序 变成无序；机械运动摩擦生热，分子由有序运动变为 无序运动。所有这些过程都具有一个共同的特点，即随 着无序程度增加，系统熵值 增大。熵是系统分子无序 程度的度量。理解几句话话*-29-熵产熵产 生积积分Sg 称为熵产为熵产 生由于过过程的不可逆性而引起的那部分熵变熵变
10、 。可逆过过程熵产熵产 生Sg0，不可逆过过程熵产熵产 生 Sg0。总总之，熵产熵产 生永远远不会小于零。*-30-熵产熵产 生上式可以看出，系统总熵变统总熵变 由两部分组组成。 一部分是由于与外界存在热热交换换Q（可逆或不可逆 ）而引起的，被称为热熵为热熵 流；另一部分是经历过经历过 程不可逆性而引起。熵熵与质质量和能量的性质质不同，无论论是可逆或 不可逆，孤立系统统的质质量和能量都是守恒的，而熵熵 却不同，可逆过过程的熵熵守恒，不可逆过过程熵熵不守 恒。*-31-不可逆造成了能量品位的降低，结结合熵产熵产 生，可 以认为熵产认为熵产 生Sg 与做功能力之间间必然有联联系 。 过过程的不可逆
11、造成熵产熵产 生，减少了系统对统对 外做 功的能力。熵产熵产 生越大，造成的能量品位降低越 多。熵产熵产 生*-32-熵熵平衡假设设从环环境吸收热热量Q，同时对时对 外做功W流入熵熵流出熵熵能量交换联换联 系熵熵过过程不可逆性产产生熵熵敞开系统统*-33-熵熵平衡方程式稳稳流体系：体系无累积积，那么，SA0熵熵平衡该稳该稳 流系统经历统经历 的是可逆过过程，那么，Sg0*-34-熵熵平衡封闭闭系统统 没有物质质的进进出，SA 该该系统统累积积的熵变熵变 就是系统统 的熵变熵变 S。该该封闭闭系统经历统经历 的是可逆过过程，那么，Sg0*-35-熵熵平衡熵熵平衡方程与能量守恒（热热力学第一定律）
12、和质质 量守恒一样样，是任何一个过过程必须满须满 足的条件式 ， 它可以用来检验过检验过 程中熵熵的变变化，进进而表明过过程 的不可逆程度。通过计过计 算熵产熵产 生Sg 的大小，找 出不同化工过过程的能量消耗部位。*-36-理想功、损损失功与热热力学效率自学*-37-u 系统熵统熵 增加的过过程必为为不可逆过过程。 u 绝热过绝热过 程必是定熵过熵过 程。 u 热热温熵熵即过过程的熵变熵变 。 u 对对一个绝热绝热 不可逆过过程，是否可以设计设计 一个绝热绝热 可逆过过程来计计算其熵变熵变 化？ u 不可逆过过程一定是自发发的，自发过发过 程一定是不可逆 的。 u 功可以全部转变转变 成热热，但热热一定不能全部转转化为为功 。*-38-u 孤立体系的熵熵永远远增加。 u 在绝热绝热 的条件下，趋趋向平衡的过过程中，体系的熵熵 增加。 u 孤立体系的熵熵永不减少。 u 可用体系的熵熵函数的增加或不变变来判断过过程是否 可逆。*-39-主要内容总结总结热热一及应应用热热二功热转换热转换熵熵增原理熵产熵产 生熵熵平衡
