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1、1,第四章,热力学第二定律,2,4.1 功热间的转换 （热力学第二定律）,一.基本概念,才可进行的过程,自发过程：不消耗功 非自发过程：消耗功,3,热力学第二定律 克劳修斯说法：热不可能自动从低温物体传给高温物体。 开尔文说法：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。,热力学第二定律说明过程按照特定方向，而不是按照任意方向进行。 自然界中的物理过程能够自发地向平衡方向进行。,4,水往低处流,5,气体由高压向低压膨胀,6,热由高温物体传向低温物体,7,我们可以使这些过程按照相反方向进行，但是需要消耗功。第一定律没有说明过程发生的方向，它告诉我们能量必须守衡。第二定律告诉我们过程
2、发生的方向。,8,自发、非自发和可逆、非可逆之间的区别？,自发与非自发过程决定物系的始、终态与环境状态；可逆与非可逆过程是（考虑）过程完成的方式，与状态没有关系。,9,可逆过程： 没有摩擦，推动力无限小, 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，其产功最大，对耗功的可逆过程，其耗功最小; 逆向进行时，体系恢复始态，环境不留下任何痕迹。 （也即没有功热得失及状态变化） 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。,
3、10,二.热功转换与热量传递的方向和限度,1.热量传递的方向和限度,高温,低温,自发,非自发,限度：t=0,2.热功转化的方向,功,热,100%非自发,100%自发,热功转化的限度要由卡诺循环的热机效率来解决,11,12,热机的热效率,火力发电厂的热效率大约为40%,卡诺热机的效率,13,三.热与功转化的限度卡诺循环,卡诺循环： 热机 高温热源（恒TH） 低温热源（恒TL）,工质从高温热源TH吸收热量，部分转化为功，其余排至低温热源TL。,TH,TL,QH,QL,WC,图形,14,卡诺循环由四个过程组成。,可逆等温膨胀 可逆绝热膨胀 可逆等温压缩 可逆绝热压缩,15,工质吸热温度大于工质排热温
4、度，产功过程,正卡诺循环的结果是热部分地转化为功，用热效率来评价循环的经济性,热效率:,热效率的物理意义：工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。,正卡诺循环：,16, H 为状态函数，工质通过一个循环,据热力学第一定律:, H = 0,Q =QH+QL,又,由卡诺循环知,(5-25),17,注意以下几点：,若使,或 TL=0,实际当中是不可能,(1),=f(TH, TC) , 若使，则 TH ,TL 工程上采用高温高压，提高吸热温度TH ，但又受到材质影响.,若TH=TL，=0, W=0 这就说明了单一热源不能转换为功，必须有两个热源。,卡诺循环，可逆最大，相同TH ,TL无论经过何种过程
5、，可逆是相同的，实际热机只能接近，不能达到,18,例4-1 某一热机工作于1500K 的高温热源与293K 的低温热源之间，若每一循环中工作介质向高温热源吸热200kJ 计算（1）此热量中最多可转换成多少功？ （2）如果工作介质在吸热中，与高温热源的温差是50K，与低温热源的温差为20K，则该热量中最多可转变为多少功？热效率为多少？ （3）如果循环过程中，不仅存在着温差传热，而且，由于摩擦有使循环减少40kJ的功，热效率为多少？,19,解（1）热机的最高效率为卡诺循环的热效率：,此热可转化为最大功的数值是：,20,（2）由于温差传热，实际循环的最高温度为 T=1500-150=1350K, 实
6、际循环的最低温度为293+20313K 如果不考虑其他损失，那么卡诺热机的效率为：,可转变的功为：,21,（3）若循环过程中既考虑温差又考虑摩擦损失，所得功为,153.6-40113.6kJ,热效率为：,22,例42有人设计一个热机，从温度为400K处汲取25kJ/S的热量，在温度为200K处放出12 kJ/S的热量，并提供15Kw 的机械功，判断此设计指标能否实现？,23,解：卡诺效率是相同温度间工作的热机间的最高效率：,而设计的热机的效率：,违背热力学第二定律,根据热力学第一定律,也违背热力学第一定律,24,三熵函数与熵增原理,1.熵函数,通过研究热机效率推导出熵函数的定义式,对于可逆热机
7、有,也即,熵定义,25,对于可逆循环,对于不可逆循环,Clausius不等式,T,S,1,2,A,B,3,则有：,即：,只与始终态有关,26,对于不可逆循环,T,S,1,2,A,B,3,则有：,若途径2不可逆,因,27,对不可逆过程：,对可逆过程：,热力学第二定律的数学表达式：,不可逆 =可逆,28,注意：,熵状态函数。只要初，终态相同，,对于不可逆过程应设计一个可逆过程，利用可逆过程的热温熵积分进行熵变计算,29,2. 熵增原理,对于孤立体系（或绝热体系）,由,熵增原理表达式。,0 不可逆过程,=0 可逆过程,30,结论：,自然界的一切自发进行的过程都是熵增大的过程；,同时满足热一律，热二律
8、的过程，实际当中才能实现，违背其中任一定律，其过程就不可能实现。,总熵变为,自发进行的限度,自发进行的方向,31,四 熵变的计算,1.可逆过程的热温熵计算,据热一律,可逆过程,同除 T 得：,又 ,对理想气体: dH =nCpdT,32,相变化熵变,相变化的熵变,相变化皆属于可逆过程，,并且相变化的热量，据能量平衡方程知：,. 环境熵变,热力学环境：一般指周围大自然（可视为恒温热源）,33,例43,1mol的理想气体在125时，于气缸内进行等温不可逆压缩，压力自102KPa到103KPa，在压缩时，热量传给27度的蓄热器，实际压缩所需要的功比进行同样压缩的可逆过程多20，试计算气体的熵变，蓄热
9、器的熵变和总熵变,34,解：对于1mol的理想气体，进行等温可逆压缩所需要的功：,实际压缩需要的功：,气体的熵变,蓄热器的熵变,总熵变,35,例44,在一个绝热容器中，温度为90度的水5千克和温度为20度的水10千克相混合，求此过程熵的变化。 并说明为什么混合过程是一个不可逆过程。,36,解：设水的平均热熔为4.186kJ/Kg/K,混合后水的温度为,混合过程中熵的变化,因为绝热，环境的熵变为零,所以总熵变即为0.326kJ/K,混合过程是一个不可逆过程,37,4 熵平衡和熵产生, 熵平衡方程,将容量性质衡算通式用于熵，得:,=,-,+,38,T 限制表面上热流通过处的温度, T 代表始态温度
10、, T 代表终态温度,物料 热量,S 单位质量物料的熵；,熵携带者,功与熵变化无关，功不携带熵。,物料携带的熵 = mS,热流携带的熵 =,式中: m 物料的质量；,39,是代数值， 以体系收入者为正，体系支出者为负,于是:,熵平衡方程为:,将此整理,得:,(5-33),熵平衡方程,注意：,40,2.熵产生,上式中：, 体系总的熵变；, 因物流流进，流出限定容积而引起的熵变化；, 因热流流进,流出限定容积而引起的熵变化；, 因体系的内在原因引起的熵变化，与环境无关， 属于内因熵变。,引起熵产生的内在原因实际上是由于体系内部不可逆性而引起的熵变化。这可以用孤立体系的熵平衡方程来证实。,41,对孤
11、立体系：因与环境没有质量交换，也没有能量交换,代入熵平衡方程中,=,=,由热二律知: 可逆过程,不可逆过程,42,结论：,熵产生可以用作判断过程方向的准则,0 时，体系内部的过程不可逆或自发；,=0 时，体系内部的过程可逆或平衡；,43,3. 熵平衡方程的特殊形式,绝热过程,可逆过程,=,+,稳流过程,=0,+,+,封闭体系,=,+,44,一气体服从理想气体定律，它稳定流过某一绝热容器，其入口和出口连接两根绝热管，其中入口管的温度和压力为：450K, 5*105Pa,出口管压力和温度为： 300K, 1*105Pa，求此系统的熵产生。 气体的Cp为,例4-6,气体的R,45,解：由稳流体系的熵
12、平衡方程：,因管道绝热，Q=0,46,47,4-2.,如: 有一人声称发明了一台稳流装置，将1Kg温度为373K的饱和蒸汽通过此装置时，能向温度为450K的高温热库输送1860KJ的热量，同时自身冷却为0.1MPa（1atm），273K的冷凝水。用于冷却蒸汽的天然水的温度为273K。问此装置是否可行?,48,高温热库450K,q1=1860kJ,饱和蒸汽,稳流装置,h1=2680kJ/Kg,冷却水273K,h2=0,水,1Kg 1atm ,273K,q0,s2=0,1Kg ，373k,s1=7.37kJ/Kg.K,49,解：过程示意如图,查得各物质的焓和熵一并标记在图中。以1Kg饱和蒸汽为计算基准：,能量衡算： h1 = h2 +q1 + q0,q0 =h1 -h2 -q1 =2680-0-1860=820KJ/Kg饱和蒸汽,熵衡算：,稳流过程,过程不自发，亦即不可能,
