《热工基础电子教案(4)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热工基础电子教案(4)（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.5 状态态参数熵熵第二定律有多种表述，各种表述是等效的， 最根本是告诉我们，所有热过 程都是不可逆 的，它们的发展是有方向性的。当然，不同 的热过 程有不同的可逆性，但不同的可逆性 不是孤立的，彼此是相互联系的，它们有共 同的本质特征。因此，可用同一物理量描述 这一本质特征，这个物理量就是熵。所以熵 是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力 学参数，是一个状态参数。 熵是一个状态参数 由卡诺定理，知道可逆热机效率 n显然有： 或n在这个式子的计算中，我们已取了的绝对值，考 虑放热为负后，则有： 亦即 n卡诺循环是两条等温线，两条绝热线组成 ，只有在等温过程才有传热。cdb a12ABpV对任
2、意过程组成的循环而言，可用无数条可逆绝热 线把该循环分割成无数个微元卡诺循环，对任意微 元卡诺循环(abcd),都有n把所有微元加起来，即 亦即： n从而 n可知 的积分与路径无关，那么一定为某状态参数，令 n取名为熵 n注意上述的讨论是对可逆过程，所以 kJ/K, J/K (下标re代表可逆)n比熵为： （kJ/kgK, J/kgK）n或逆过程的熵变：2.6 不可逆过程的熵变、熵流和熵产n利用第二定律对热过程方向性的分析和研究，在很多情况下，是利用状态参数熵进行的。熵的本质（不可逆性）是“系统混乱度的量度”为什么可以用熵来作为不可逆性的标志呢？ 这是在把可逆过程与不可逆过程比较后发现的， 可
3、逆过程时熵变为零，不可逆过程时熵变不为零， 熵变越大（熵增加），过程不可逆性越大。可逆过程的熵变n引进熵时，利用了可逆卡诺循环的效率公式， 在那里指出,对任意可逆循环n这时称 为熵n不可逆过程熵变会如何呢？对如图所示的不可逆过程,可用以前相同的分析方法，将循环用无数条绝热线化分，分成无数个微小循环。 n可用以前相同的分析方法，将循环用无数条绝热线化 分，分成无数个微小循环。n对每个不可逆循环，卡诺定理指出，其效率小于同 限温差下的卡诺循环效率：即c db a1 2ABpV再考虑系统吸热为负，则可化成n综合全部微元，则有 （等号对应可逆过程）这就是著名的克劳修斯不等式n熵在上面的定义中， n那么
4、，这里的不可逆过程中的 与dS有什么关系呢？ 所以有设有如右图所示的不可逆过程： n其中过程为不可逆过程n 为可逆过程n另假设有一路径是可逆过程，那么 根据上述分析得：pA12BC V由上两式可得： n由于为可逆过程，按熵的定义:n状态变化到状态时: （由克氏不等式） （卡诺定理） 所以 :n但熵是一个状态参数，变化只与初终态有关， 对上面的或均有 （不可逆时） （可逆时） 因此可概括为： 可见，不可逆过程中熵变不能用 求得， 对可逆过程可以用 计算熵变 n因此，要计算从某初态到终态任何不可逆过程 的熵变，只需在初终态间选择任意可逆过程来 计算这也是最一般的方法。 在不可逆过程中，熵变d大于过
5、程工质的 那么，将这一差值定义为： （称为熵产，generation of entropy） 亦即 熵变 n一部分是由与外界热交换引起的,为 ，可正 可负，称为熵流，记为df。另一部分是由不可 逆因素引起的，称为熵产dg，（恒为正）n即：d=df+dgndf是传热引起的，可以大于，小于，等于 ；dg是由不可逆性引起的，只能大于零。 dg。不可逆性越大，dg越大。 （熵变分为两部分） 各种不可逆因素不是独立的，第二定律有不同的形 式，从这里知道，不可逆性的实质是相同的，均可 用dg表示。所以熵产是所有不可逆性大小的共同量度。n2.7 孤立系统的熵增原理（isolated system）n孤立系与
6、外界无任何能量与物质交换，即dQ=0n熵流等于零。n于是孤立系的熵变：diso= dgn也就是说，对任一热力过程iso熵增原理孤立系统的永不减小 （可逆时熵变，不可逆时熵变）n有了熵增原理，就可用之分析热过程的方向，如果某 过程是使孤立系的熵增加了，则过程可行，使熵减少 了，则不可行。n如果要使熵减少了的过程仍然可行，必须进行补偿， 补偿的最少也要使熵变为零。n熵增原理，可以推广到社会科学领域，普利高津城市学、经济学、生物学等领域。 2.8 能量的品质与能量的贬值原理n热量的间接利用的目的，获取功量。n因此，功是人类最可贵的能源，它的可变性也 最好，可随意地转变为其它的能量，因而功的 能量品质
7、最高。在此，能量不但有数量的多少 之分，更有品质的高低之别。能量的品质以它 能转换为功的比例决定，转换的比例越高，品 质越高。于是，热能Q的品质与它的温度有关，温度高，品质高。 能量的贬值原理任何自发的热过程，都只向着能量品质降低的方向发展， 理想情况下，品质不变。稳稳定平衡定律： 过过程总总是朝着单单一的方向进进行的（单单向性）， 每个中间间允许许状态态只能经历经历 一次（演进进性）， 过过程的终态终态 是唯一的（唯一性），当系统统达到 稳稳定平衡态时过态时过 程就结结束（有限性）。过过程中 系统统的能量保持不变变（守恒性），但是，系统统 能量的做功能力（能质质）是下降的（衰变变性） 。过过
8、程中在外界不会产产生任何影响（孤立性） 。n思考题：以下说法有何错误：n1. 熵增大的过程必为不可逆过程；n2. 不可逆过程的S无法计算；n3.若从某一初态沿可逆与不可逆两条途径到达 同一终态，则不可逆过程途径的S必大于可逆 途径的S ；n4. 工质经历一封闭循环后， S0或S0；n5.工质经历一不可逆循环后，由于 n 所以第三章 工质的热力性质3.1 物质的三态及相变过程实现热能和机械能之间相互转化的媒介物质称为工质。纯物质有三种集态形势：固态、液态和气态。又分别称“ 相”。 （固相、液相 和气相） 相与相之间可以相互存在（共存）也可相互转化对简单可压缩系，其状态可由两个独立参数决定，对基本
9、状 态参数p、v、T而言，满足状态方程F（p，v，T）=0由p、T为坐标表示的相的变化图称为相图。从相图上可以清 楚地看出相的变化关系。对于确定的物质其三相点的温度和压力是确定的： 比如水：p=1atm时；T=273.15KTp三相点固体区气体区液体区3.2 理想气体的热力性质3.2.1 理想气体及其状态方程气体是由许多微小的分子或原子组成的，各分子 或原子在剧烈的运动，相互之间还要互相影响。 所以它们的运动是很复杂的。但在许多情况下可 以简化。比如，大多数情况下，气体分子满足： 1）气体分子都是不占体积的弹性质点（高温 低压时）。 2）相互之间没有任何作用力（分子之间较远 ）。凡是满足上面两
10、个条件的气体称为理想气体。克拉贝龙在总结前人研究成果的基础上，发现在大 多数情况下，气体满足如下方程：n （函数关系）n称为理想气体状态方程（也可由分子运动论导出）np绝对压 力，Pa；v 比容，m3 /kg；T 绝对温度，K；nR 气体常数，J/kgK。n工程上还经常用到以mol或kmol为单位的气体方程。nmol 质量以g为单位的气体分子量。设系统所含物质量为m，mol数为N，物质所占容积 为V，mol质量M。则n （； ）n （或）n对理想气体方程 两边同乘M,得n又因为所以n此即为以mol数为单位的理想气体方程。n阿伏伽德罗定律指出：同温同压下，任何气体 的mol容积都相等。由此可推断
11、，RM应是一个与 气体性质和状态无关的常数通用气体常数。n在标准状态下（p=1.013105Pa; T0=273.15K）n任何气体的mol容积VM0=22.4110-3m-3 /mol n所以：显然： 对不同的气体有 不同的值 对m kg 的气体： 对N mol的气体：22 理想气体的比热容 单位物质升高1C所需的热量城为比 热容，简称比热。或物质单位有质量、mol和容积，比热有三种 ：质量比热： cmol比热： C 容积比热：（下标0为标准立方米）吸热量与过程有关，在定容过程和定压过程 中的吸热量不同。所以还分定容比热和定压比热两种。 n对闭系，第一定律给出：定容过程 ，所以 定压过程，所
12、以上两式适合一切气体。 对理想气体而言：气体分子相互间无作用，仅存 在于温度有关的内动能，所以理想气体内能是温度 的单值函数，即 所以焓 所以 由此可知：理想气体的定容、定压比热容只是温 度的函数。n理想气体定压比热容与定容比热容之差两边同乘以质量，得：由于比热容是温度的函数，所以使用起 来不太方便，工程上在精度要求不高时 理论计算常常使用定值比热。工程上通 常把它用图表来表示，或将它展开成多 项式，比如: n更多的时候，是采用平均比热。即在一定温 度范围内计算出比热变化的平均值，那么 定值比热可以根据气体分子的状况有所 改变。对理想气体，定值比热一般为 单原 子分 子双原 子分 子23 理想气体的内能、焓和熵n理想气体内能、焓仅是温度的函数，由上 面关系 所以任一过程中理想气体内能、焓的 变化可由上两式积分求出实际工程中，并不要求u，h的绝对值。只需 求增量即可，但常常选一个参考点定为零。n理性气体的熵所以: 又有: 所以： 可以积分出来n定容过程： n定压过程 n如果 ， 是常数，那么任何过程的熵变为：或者：
