工程热力学 教学课件 ppt 作者 杨玉顺03-热力学第二定律

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1、,第三章 热力学第二定律,3-1 热力学第二定律的任务,1、热力学第二定律的客观性 热力学第一定律告诉我们 自然界中各种形式的能量的转换和转移不会引起总能量的改变； 创造能量（第一类永动机）既不可能，消灭能量也办不到； 自然界中一切过程都必须遵守热力学第一定律,但是，符合热力学第一定律的过程并非都可以实现,一个盛装氧气的高压瓶只会向压力较低的大气中漏气，但符合热力学第一定律的与之相反的过程不能自发进行,常见的例子,一个烧红了的高温锻件在空气中会自动冷却，但符合热力学第一定律的与之相反的过程不能自发进行,一个从高坡冲向平地飞驰的自行车，如果人不继续用力蹬它，最后会停下来，但符合热力学第一定律的与

2、之相反的过程不能自发进行,演示,演示,演示,过程的方向性 过程总是自发地朝着一定的方向进行： 热能总是自发地从温度较高的物体传向温度较低的物体 机械能总是自发地转变为热能 气体总是自发地膨胀,自然界中各种各样的过程都是有方向的,李白将进酒： 君不见黄河之水天上来，奔流到海不复还 自然 君不见高堂明镜鬓发白，朝如青丝暮成雪 人生 子在川上曰：逝者如斯夫 东去的流水,岩石会自发地裂碎 树皮会自发地脱落 皱纹会自发地出现,自发过程 不必借助外界（靠系统内部势差） 作用进行的过程 热量由高温传向低温、动能变成热能、高压气体膨胀 非自发过程 必须借助外界作用才能进行的过程 热量由低温传向高温、热能变动能

3、、气体压缩,演示,2、自发过程和非自发过程,3、热力学第二定律的任务是研究过程进 行的方向、条件和限度 方向：热力学第一定律 只能说明各种能量间可以相互转化 不能说明各种能量间相互转化方向 条件：自发过程进行的条件 热力系内部的某种势差 非自发过程进行条件 热力系外界的某种作用,实例 制冷装置中热量从低温物体高温物体以制冷机耗功热的自发过程作为代价和补偿条件 热机中使一部分高温热能机械能以另一部分高温热能低温大气作为代价和补偿条件 压气机中气体被压缩以消耗一定的机械能热能作为代价和补偿条件,过程进行的条件概括成两句话： 一切非自发过程的进行中必须有自发 过程的时时伴随 一切自发过程的进行前必须

4、有非自发 过程的历史积累,热力学第一定律只解决了能量转换中各种能量数量的守恒性 热力学第二定律却解决了能量转换的差异性和有限性 热机的热效率在一定条件下也有其理论上的最大值,限度：,4、热力学第二定律的重要性 热力学第一定律 能量平衡 数量计算 会计作用 热力学第二定律 能量转换和传递过程能否实现 厂长作用 热力学第二定律 在自然科学的许多学科中都有重要意义,3-2 可逆过程和不可逆过程,1、两种不可逆因素（产生不可逆的原因）,机械运动摩擦 过程中发生能量耗散 传热温差 过程中包含非平衡态到平衡态的过渡,1）机械运动摩擦,一个实际过程的进行，凡产生相对运动的各接触部分（包括流体各相邻部分）之间

5、，摩擦是不可避免的 因此，不管是膨胀过程还是压缩过程，或多或少总会损失，总会留下不能消除的影响,这影响就是： 由于作机械运动时有摩擦，有一部分机械能不可复逆地变成了热能,2）传热温差 一个实际过程进行时，如果热量交换，那么热量总是由温度较高的物体传向温度较低的物体,因此，当热力系从外界吸热时，外界物体A的温度必须高与热力系的温度（TA T）；而当热力系沿原路线反向进行向外界放出热量时，外界物体B的温度必须低于热力系的温度（TB T） 经过一次往返，热力系恢复了原来的状态，但却给外界留下了不能消除的影响 这影响就是：由于传热时有温差，有一部分热能不可复逆地从温度较高的物体转移到了温度较低的物体,

6、2、可逆过程和不可逆过程 1）不可逆过程 任何实际热力过程在作机械运动时不可避免地存在着摩擦（力不平衡），在传热时必定存在着温差（热不平衡）。因此，实际的热力过程必然具有这样的特性：,如果使过程沿原路线反向进行，并使热力系回复到原状态，将会给外界留下这种或那种影响 这就是实际过程的不可逆性。人们把这样的过程统称为不可逆过程 一切实际的过程都是不可逆过程,演示,2）可逆过程 所谓可逆过程是指具有如下特性的过程：过程进行后，如果使热力系沿原过程的路线反向进行并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响,演示,可逆过程的进行必须满足下列条件：,可逆过程是运动无摩擦、 传热无温差的内平衡过程,热力系内部原

7、来处于平衡状态 作机械运动时热力系和外界保持力平衡 (运动无摩擦） 传热时热力系和外界保持热平衡 （传热无温差）,3）可逆过程理解 可逆过程实际上时不能进行的。没有温差实际上就不能传热，如人在高温炎热的夏天感到闷热；完全避免摩擦就不能有机械运动，如水平管道中如无用于克服阻力的压降则无法流动可逆过程可理解为在无限小温差下传热过程，在摩擦无限微弱下作机械运动过程,3、可逆过程概念的重要意义,给出了能量利用（转换和传递）的理想的情 况和最高标准 用理想情况的极限值来衡量实际过程（循 环）的完善程度 分析实际过程改善潜力的大小的改进的方向 简化和方便了热工分析与计算,3-3 状态参数熵,1877年，玻

8、耳兹曼引入熵(Entropy)，表示系统无序性的大小,玻耳兹曼熵公式：,S = k ln,S ln,1900年，普朗克引入系数 k 玻耳兹曼常数,3-4 热力学第二定律的表达式熵方程,1）对内部平衡（均匀）的闭口系 在d 时间内熵的变化dS 可根据熵的定义式得出：,1、熵流和熵产,式中： 称为熵流，热力系与外界交 换热量而导致的熵的流动量 简称熵流，熵流可正（吸热） 可负（放热） 热力系内部的热产引起的熵 产，熵产恒为正,在d时间内其熵的变化除了熵流和热产引起的熵产外，还应包括热力系内部传热引起的熵产,2）对内部不平衡（不均匀）闭口系,假定有一温度部均匀的热力系，它由温度各自均匀的两部分A和B

9、组成,由于两部分温度不相等（TA TB），在d 时间 内，A部分向B部分传递了的 热量（ 表示内部传热量） 对整个热力系而言，内部传热量的代数和一 定等于零，即,内部传热引起的内部熵流的代数和却总是大于 零，即（因为TA TB ） 这也就是这个不平衡热力系内部传热引起的熵 产，用符号 表示：,推广言之，如果一个内部不平衡的热力系由n个温度各自均匀的部分组成，则可得：,若将一个内部不平衡的闭口系分成无数个温度 各自平衡（均匀）的部分，然后再对整个体积 积分，则可得热力系内部传热引起的熵产和 热产引起的熵产分别为：,再沿整个热力系得外表面积A积分，则可得熵 流为： 闭口系在d 时间内熵的变化为,式

10、中： 熵流： 熵产：,2、熵方程 熵方程文字表达为： （流入热力系的熵的总和）+（热力系的熵产）- （从热力系流出的熵的总和）=（热力系总熵的增量）,即 所以 对时间积分，可得 热力系的熵变等于总的熵流与熵产之和,3、基本熵方程的具体应用 对闭口系而言，热力系和外界无物质交换， 即 所以 积分后得,对绝热的闭口系，则熵流也等于零 即 因而 积分后得,孤立系显然符合闭口和绝热的条件，因而上述不等式经常表示为,绝热闭口系或孤立系的熵只会增加，不会减少 孤立系熵增原理,不等号对不可逆过程而言； 等号对可逆过程而言,对稳定流动开口系来说，由于在d 的时间内流 进和流出热力系的质量相等（ ）， 而这种开

11、口系的总熵又不随时间而变化 （dS = 0） 如果取一段时间，在这段时间内恰好有1kg流体流过开口系，则该式又可进一步写为,即 如稳定流动过程绝热 不等号对不可逆绝热稳定流动过程 等号对可逆绝热（定熵）稳定流动过程,4、熵方程的核心是熵产 熵方程中熵产总是必不可少的。熵流可有可无。只是熵方程中的配角，而熵产才是熵方程中的主角和核心，熵产也正是热力学第二定律的实质内容 熵产从何而来？这是由于能量在转移和转换过程中特性引起的,其一 在能量转换中总是会不可避免地有一部分其它形式能量转变成热能：,热功转换中摩擦功损变为热产进而转化为 熵产 电光转换中的焦耳效应也会使一部分电能 转变成热产和熵产 功电转

12、换中发电机发热热产也会引起熵产,其二 热量传递必须有温差，而且热量总是从高温物体传向低温物体，这种不等温传热也会造成熵产,熵与不可逆 有熵产就有不可逆损失，这种损失不是能量数 量的损失而是能量质量的损失 能量作功能力 的损失 各种形式的能量不仅有数量的多少而且有质量 和品位的高低，能量质量的高低具体体现在它 的转换能力上,高级或高品位的能量如机械能、电能等可以全部转换成热能，而低级和低品位的能量如热能只能部分的转换成机械能 低品位的热能由于它所具有的温度不同其转换能力也大不相同,高温热能比低温热能具有较大的作功或转换能力。弄清楚了能量平品位（质）的含义之后，便可以理解为什么实际过程有熵产时就会

13、有能量质量的损失了。 实际过程中能量是守恒的而熵产是不守 恒的，而且熵产还会自发地产生出来，一旦 有了熵产，过程就是不可逆的,热力学第二定律实质 过程的不可逆性问题 实际过程一旦有熵产，能量的品质就要下降，就要退化，就要贬值。这时一个实际过程进行完了再沿原路线返回原状态时，由于熵产造成了能量的贬值，如果不借助外界的力量无法使热力系再返回原状态。,但是，一旦借助了外界的作用而使热力系完全恢复原状态，就必然给外界留下这样或那样的影响。那么这样的过程必然是不可逆的。所以只有熵产才是造成实际过程的方向性、单向性和不可逆性的根源。,熵产、不可逆两个来源 一是推动各种输运（热量传递、质量传 递、动量传递等

14、）得以进行的有限势差 二是伴随各种能量转换（热功转换、功 电转换、电热转换等）过程中不可避免 地耗散效应 势差愈大耗散愈强,何谓耗散？ 说到底，耗散效应是一种非目的转化。任何传递转换过程都是有目的的，通过一个过程要达到的传递转换效果或效率是我们预期目的转化，而与之相伴的、不可避免的非目的转化就是损失就是耗散。 耗散效应是事物之间联系的普通性在能量转换中的反映,3-5 热力学第二定律各种表述的等效性,1、克劳修斯的表述（1850） 不可能将热量由低温物体传送到高温物体而不引起其它变化 2、开尔文-普朗克的表述（1851） 不可能制造出从单一热源吸热而使之全部转变为功的循环发动机；第二类动机是不可

15、能制成的 3、熵增原理的表述： 自然界中的一切实际过程总是自发地、不可逆地朝着使孤立系熵增加地方向进行,孤立系熵增原理和热力学第二定律的克劳修斯表述及开尔文 - 普朗克表述逻辑联系 孤立系熵增原理成立 热力学第二定律的克劳修斯表述及开 尔文 - 普朗克表述成立 反之亦然,假定有一种机器能使热量Q从低温热源（T2）转移到高温物体（T1），而机器并没有消耗功，也没有产生其它变化，那么包括两个恒温热源和机器在内地孤立系的熵的变化为：,但是，孤立系的熵是不可能减少的。所以，“使热量从低温物体转移到高温物体而不产生其它变化是不可能的” 克劳修斯对热力学第二定律的表述,再假定有一种热机（循环发动机），它每完成一个循环就能从温度为T0的单一热源取得热量Q0 并使之转变为功W0。根据热力学第一定律可知： Q0 = W0,当热机完成一个循环，工质回到原状态后，包括热源和热机的整个孤立系的熵