《2010年工程热力学(24学时)第四章热力学第二定律》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2010年工程热力学(24学时)第四章热力学第二定律（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 热力学第二定律,Second Law of Thermodynamics,南京航空航天大学 能源与动力学院2010,基本要求,正确理解有关“能质”的概念；热力学第二定律的实质及表述；建立第二定律各种形式的数字表达式；给出过程能否实现的数学判据；重点剖析作为过程不可逆程度的度量：a.孤立系统的熵增 b.不可逆过程的熵产,能量之间数量的关系,热力学第一定律,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自发进行,高速运动突然刹车。加热使其运动？,全球14.5亿立方千米的水。提取热量发电？,自发过程的方向性,自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。,自然界自发过程都具有方
2、向、条件、限度性,热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势,能量的品质,热力学第一定律揭示了能量的“数量”在转换过程中保持守恒不是所有满足热力学第一定律的热力过程均可以实现能量在品质上存在差异,能质衰贬原理,不同存在形式或不同存在状态的能量，在传递和转换能力上存在着“质”的差别在能量的转换和传递过程中，呈现出一定的方向、条件及限度的特征,一切实际过程总是朝着能质下降的方向进行，高质能可以全部地自动转换为低 质能能质提高的过程不可能自动地单独进行,能质衰贬原理说明,热力学第二定律的实质,能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?,自然界过程的方向
3、性表现在不同的方面,热力学第二定律,4-1 热二律的表述与实质,热功转换 传 热,热二律的表述有 60-70 种,1851年 开尔文普朗克表述热功转换的角度,1850年克劳修斯表述热量传递的角度,开尔文普朗克表述,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。,KelvinPlanck Statement,热功转换的方向性、限度,开尔文普朗克表述,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。,热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。,KelvinPlanck Statement,理想气体 T 过程,q = w,T,s,p,v,1
4、,2,热机：连续作功构成循环,1,2,有吸热，有放热,热/冷源,Thermal Energy Source,冷/热源:容量无限大，取、放热其温度不变,但违反了热 力学第二定律,第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。,这类永动机 并不违反热力学第一定律,第二类永动机是不可能制造成功的,环境是个大热源,克劳修斯表述,不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,Clausius statement,热功转换的单向性,克劳修斯表述,不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。,空调,制冷,代价：耗功,Clausiu
5、s statement,两种表述的关系,开尔文普朗克 表述,完全等效!,克劳修斯表述,违反一种表述,必违反另一种表述!,热二律的实质, 自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 若想逆向进行，必付出代价,热一律与热二律,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t =100不可能,4-2 卡诺循环与卡诺定理,法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出 卡诺循环,热二律奠基人,卡诺循环 理想可逆热机循环,1-2绝热压缩过程，对内作功,2-3定温吸热过程， q1 = TH(s3-s2),3-
6、4绝热膨胀过程，对外作功,4-1定温放热过程， q2 = TL(s4-s1),卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,Carnot efficiency, t,c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关；,卡诺循环热机效率的说明, T1 t,c , T2 c ，温差越大，t,c越高, 当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能, T1 = K, T2 = 0 K, t,c T0 则,例 题,Q2,W,Q1,Q2,Q1,解：,0,卡诺定理 热二律的推论之一,定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，以可逆热机的热效率为最高。,卡诺提出：卡诺循环效率最高,即在恒温T
7、1、T2下,结论正确，但推导过程是错误的,当时盛行“热质说”,1850年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证明,Carnot principles,卡诺的证明反证法,假定Q1= Q1,要证明,R,R,W,Q1,Q2,Q2,Q2,Q1,Q1,W ,如果 , Q1= Q1 W W ,“热质说”，水, 高位到低位，作功，流量不变 热经过热机作功，高温到低温，热量不变,Q2= Q1 Q2= Q1 Q2= Q2,T1和T2无变化，作出净功W-W , 违反热一律,把R逆转,Q1,Q2,R,卡诺证明的错误,恩格斯说卡诺定理头重脚轻, 开尔文重新证明 克劳修斯重新证明, 热质说 用第一定律证明第二定律,开尔文
8、的证明反证法,若 tIR tR,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,WIR- WR = Q2 - Q2 0,T1无变化 从T2吸热Q2-Q2,WR,假定Q1= Q1,要证明,把R逆转,-WR,WIR=Q1-Q2,WR=Q1-Q2,对外作功WIR-WR,克劳修斯的证明反证法,假定：WIR=WR,若 tIR tR,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,Q1 0,从T2吸热Q2-Q2 向T1放热Q1-Q1,不付代价,要证明,Q1-Q2= Q1-Q2 ,WR,把R逆转,卡诺定理推论一,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。,Q1,Q1,Q2,Q2,WR1,求证： t
9、R1 = tR2,由卡诺定理,tR1 tR2 tR2 tR1,WR2,只有： tR1 = tR2,与工质无关,卡诺定理推论二,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效率。,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,已证： tIR tR,证明tIR = tR,反证法,假定：tIR = tR,令 Q1 = Q1 则 WIR = WR,工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。, Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0,WR,卡诺定理 (一般表述形式),定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率
10、必小于可逆循环热效率。,定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。,卡诺定理的意义,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 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。对热力学第二定律的建立具有 重大意义。,卡诺定理举例 I,A 热机是否能实现,1000 K,300 K,A,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,某一个动力循环中，工作流体从温度为500oC的高温热源吸收的热量为5000kJ/kg，放
11、给温度为20oC的冷却水的热量为2000kJ/kg。循环的实际热效率？在所给两温度之间的热机可能达到的最高效率？,卡诺定理举例 II,实际循环：,卡诺循环：,有一个发明者声称可以制造一台热机，在0oC和250oC之间工作，并且循环中输出功和释放的废热相等，对于这个设计能进行投资吗？,卡诺定理举例 III,设计的这台热机效率为50,理想的效率：1273/52347.8,不可能达到，不能投资,实际循环与卡诺循环,内燃机 t1=2000oC，t2=300oC,tC =74.7% 实际t =3040%,火力发电 t1=600oC，t2=25oC,tC =65.9% 实际t =40%,回热和联合循环t
12、可达50%,4-3 熵和热力学第二定律的数学表达式,热二律推论之一卡诺定理给出热机的最高理想,热二律推论之二定义熵来表示不可逆程度克劳修斯不等式反映方向性孤立系统的熵增原理,熵是系统无序程度(又称混乱度)的度量，熵值越大，则无序度越大。相应的，系统内无用能越大，能质越低。,熵和无用能,理想气体的熵,熵有多种导出方式，介绍由热力学第二定律导出的方法。,卡诺循环,状态参数熵的导出,用一组可逆绝热线分割图中所示的可逆循环过程,状态参数熵的导出,绝热线间隔极小时，微小过程ab和fg接近于等温过程,abfga就是一个微小的卡诺循环,取a-b-f-g-a为卡诺循环,对全部微元积分求和,或,循环1-A-2-
13、B-1是可逆的，固有：,状态参数熵的导出,一定是某一状态参数的全微分,把这一状态参数称为比熵，用s表示。J/(kg*K),状态参数熵的导出,于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从 1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。,工质经历一个任意可逆循环后， 沿整个循环的积分为零。,克劳修斯积分等式,相同条件下，可逆循环热效率最高实际过程均是不可逆的，尽可能使循环过程接近可逆循环是提高热效率的基本途径寻找一个能够度量和描述实际过程不可逆性大小的尺度非常有必要,克劳修斯积分等式说明,如图循环中部分为可逆循环，则：,余下部分为不可逆循环，热效率小于卡诺循环。,克劳修斯积分不等式,考虑热量的方向性,克劳修斯积分不等式,实际循环：,卡诺循环：,克劳修斯积分不等式,热力学第二定律的数学表达方式之一 用于判断一个循环是否可能，是否可逆,克劳修斯不等式推导思考,仅限于卡诺循环？,仅限于正向循环？,对任意循环均有,X,T是热源还是工质温度？,T 是热源温度；,Q的符号如何判定？,Q 的符号以工质来考虑,克劳修斯不等式例题,A 热机是否能实现,1000 K,300 K,A,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,
