《《工程热力学》(第四版)教学课件：05热力学第二定律》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《工程热力学》(第四版)教学课件：05热力学第二定律（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2024年7月27日第五章 热力学第二定律1第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律5-1 热机循环和制冷循环热机循环和制冷循环5-2 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述5-3 卡诺循环卡诺循环5-4 卡诺定理卡诺定理5-5 克劳修斯不等式克劳修斯不等式5-6 状态参数熵及孤立系统熵增原理状态参数熵及孤立系统熵增原理2024年7月27日第五章 热力学第二定律2 热机循环：将燃料燃烧放出的热能转变为机械功，实现热功转热机循环：将燃料燃烧放出的热能转变为机械功，实现热功转换的热力循环。换的热力循环。 吸热吸热 放热放热循环净功循环净功 热机循环热效率热机循环热效率 实实践证明：企图不向温度
2、较低的环境放热而把高温物体的热能践证明：企图不向温度较低的环境放热而把高温物体的热能连续地完全转换为机械能是不可能的。连续地完全转换为机械能是不可能的。 热机循环分析：热机循环分析： 5-1 热机循环和制冷循环热机循环和制冷循环2024年7月27日第五章 热力学第二定律3 制冷循环：消耗一定的机械功，实现热量由低温物体向高温物制冷循环：消耗一定的机械功，实现热量由低温物体向高温物体传递的循环。体传递的循环。吸热吸热放热放热耗功耗功制冷系数制冷系数 实践证明，企图不消耗机械功而实现由低温物体向高温物体传实践证明，企图不消耗机械功而实现由低温物体向高温物体传递热量是不可能的。递热量是不可能的。 制
3、冷循环的分析：制冷循环的分析： 2024年7月27日第五章 热力学第二定律45-2 热力学第二定律热力学第二定律的表述的表述 开尔文开尔文- -普朗克说法普朗克说法： “不不可可能能建建造造一一种种循循环环工工作作的的机机器器，其其作作用用只只是是从从单单一一热热源源吸吸热并全部转变为功热并全部转变为功”。 “第二类永动机是不可能制成的第二类永动机是不可能制成的” “热机的热效率不可能达到热机的热效率不可能达到100% %” 即热机工作时除了有高温热源提供热量外，同时还必须有低温即热机工作时除了有高温热源提供热量外，同时还必须有低温热源，把一部分来自高温热源的热量排给低温热源，作为实现把高热源
4、，把一部分来自高温热源的热量排给低温热源，作为实现把高温热源提供的热量转换为机械功的必要补偿温热源提供的热量转换为机械功的必要补偿 。 克劳修斯说法克劳修斯说法：“不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其他的变化不引起其他的变化”。 即当利用制冷机实现由低温物体向高温物体传递热量时，还必即当利用制冷机实现由低温物体向高温物体传递热量时，还必须消耗一定的机械功，并把这些机械功转变为热量放出，以此作为须消耗一定的机械功，并把这些机械功转变为热量放出，以此作为由低温物体向高温物体传递热量的补偿。由低温物体向高温物体传递热量的补偿。 2024年7月27日第五
5、章 热力学第二定律5 假设机器假设机器A违反开尔文违反开尔文- -普朗克说法能从高温普朗克说法能从高温热源取得热量热源取得热量 而把它全部转变为机械功而把它全部转变为机械功w0，即即 ，则可利用这些功来带动制冷机则可利用这些功来带动制冷机B，由低由低温热源取得热量温热源取得热量q2而向高温热源放出热量而向高温热源放出热量q1。即即 A机机：B机机：由于由于有有 即低温热源给出热量即低温热源给出热量q2，而高温热源得到了热量而高温热源得到了热量q2，此外没有此外没有其它的变化。这显然违反了克劳修斯说法。其它的变化。这显然违反了克劳修斯说法。 热力学第二定律的各种说法是一致的，若假设热力学第二定律
6、的各种说法是一致的，若假设能违反一种表述能违反一种表述, ,则可证明必然也违反另一种表述。则可证明必然也违反另一种表述。2024年7月27日第五章 热力学第二定律6 经经验验表表明明，非非自自发发过过程程不不能能自自发发地地实实现现，即即使使利利用用热热机机、制制冷冷机机或或者者其其他他任任何何办办法法，使使非非自自发发过过程程得得以以实实现现，但但同同时时总总是是需需要要另另一种自发过程伴随进行，以作为实现非自发过程的一种补偿。一种自发过程伴随进行，以作为实现非自发过程的一种补偿。 自发过程自发过程：自发地实现的过程。：自发地实现的过程。 非自发过程非自发过程：自发过程的逆向过程。：自发过程
7、的逆向过程。因此，热力学第二定律可概括为：因此，热力学第二定律可概括为： 一切自发地实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。一切自发地实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。 只要系统进行了一个自发过程，不论用何种复杂的办法，都不只要系统进行了一个自发过程，不论用何种复杂的办法，都不可能使系统和外界都恢复原状而不留下任何变化。在此意义上，自可能使系统和外界都恢复原状而不留下任何变化。在此意义上，自发过程所产生的效果是无法消除的，或者说是不可逆复的。发过程所产生的效果是无法消除的，或者说是不可逆复的。2024年7月27日第五章 热力学第二定律75-3 卡诺循环卡诺循环 卡诺循环热效率卡诺循环热效率： 卡
8、诺循环：卡诺循环：利用两个热源，由两个利用两个热源，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热组成的热可逆定温过程和两个可逆绝热组成的热机循环。机循环。吸热：吸热：放热：放热：按绝热过程按绝热过程b-c及及d-a参数变化关系：参数变化关系：有有由此可得由此可得2024年7月27日第五章 热力学第二定律8卡诺循环热效率的指导意义卡诺循环热效率的指导意义 (1)卡诺循环的热效率仅决定于高温热源温度卡诺循环的热效率仅决定于高温热源温度Tr1及低温热源及低温热源的温度的温度Tr2，而而与工质的种类无关。与工质的种类无关。 (2)提高提高Tr1及降低及降低Tr2可可以提高卡诺循环的热效率。以提高卡诺循环的热效率。
9、 (3)由于由于Tr1不可能为无限大，不可能为无限大，Tr2不可能为零，所以卡诺循环不可能为零，所以卡诺循环的热效率不可能达到的热效率不可能达到100%。 (4)当当Tr1和和Tr2相相等等时时，卡卡诺诺循循环环的的热热效效率率为为零零，这这就就意意味味着着利用单一热源吸热而循利用单一热源吸热而循环作功是不可能的。环作功是不可能的。2024年7月27日第五章 热力学第二定律9 等效卡诺循环等效卡诺循环: : 任意循环任意循环a-b-c-d-a等效卡诺循环等效卡诺循环A-B-C-D-A。平均吸热温度平均吸热温度： 任意循环的等效卡诺循环热效率：任意循环的等效卡诺循环热效率：平均放热温度平均放热温
10、度：2024年7月27日第五章 热力学第二定律105-4 卡诺定理卡诺定理 卡诺定理卡诺定理：在两个给定的热源之间工作的所有热机，：在两个给定的热源之间工作的所有热机，不可能具不可能具有比可逆热机更高的热效率。有比可逆热机更高的热效率。 如如：A为任意热机任意热机，B为可逆热机，则有为可逆热机，则有 证明证明：令：令A、B机联合工作，因机联合工作，因B为可逆机，令其作为可逆机，令其作制冷循环。有制冷循环。有即即如果如果，则有，则有，即，即代入上式，有代入上式，有结果：热量从低温传至高温，而未引起其他变化。这是不可能的结果：热量从低温传至高温，而未引起其他变化。这是不可能的。2024年7月27日
11、第五章 热力学第二定律11 推论推论1：在两个给定的热源之间工作的所有可逆热机的热效率在两个给定的热源之间工作的所有可逆热机的热效率都相同。即都相同。即 推论推论2：在两个给定的热源之间工作的不可逆热机，其热效率：在两个给定的热源之间工作的不可逆热机，其热效率必然小于必然小于在相同两热源间工作的可逆热机的热效率在相同两热源间工作的可逆热机的热效率。综合上述结论，有综合上述结论，有2024年7月27日第五章 热力学第二定律125-5 克劳修斯不等式克劳修斯不等式 对两热源循环对两热源循环，由卡诺定理及其推论有，由卡诺定理及其推论有即即用代数式表示，有用代数式表示，有2024年7月27日第五章 热
12、力学第二定律13 对于可逆的微元循环，有对于可逆的微元循环，有 多热源循环多热源循环，在循环内作无数条可逆绝热过程曲线，与循环曲，在循环内作无数条可逆绝热过程曲线，与循环曲线相交，得无数个微元循环。线相交，得无数个微元循环。 任意可逆循环中吸热和放热过程的热量与相应热源温度之比的任意可逆循环中吸热和放热过程的热量与相应热源温度之比的积分等于零。上述积分式称为积分等于零。上述积分式称为克劳修斯积分等式克劳修斯积分等式。 2024年7月27日第五章 热力学第二定律14 对于不可逆循环，其中部分微元循环是可逆的，即对于不可逆循环，其中部分微元循环是可逆的，即部分微元循环是不可逆的，即部分微元循环是不
13、可逆的，即对整个循环有对整个循环有即即综合上述讨论结果，有综合上述讨论结果，有克劳修斯不等式克劳修斯不等式2024年7月27日第五章 热力学第二定律155-6 状态参数熵及孤立系统熵增原理状态参数熵及孤立系统熵增原理 熵为状态参数的证明：熵为状态参数的证明： 可逆过程系统与热源有相同的温度，即可逆过程系统与热源有相同的温度，即Tr=T，所以有所以有对图示的循环，分为两个可逆过程，则有对图示的循环，分为两个可逆过程，则有由上二式知，由上二式知， 应应等于某个参数的全微分，它就是状态参数熵的等于某个参数的全微分，它就是状态参数熵的微分，即在可逆过程中有微分，即在可逆过程中有2024年7月27日第五
14、章 热力学第二定律16结合前三式，有结合前三式，有即熵的变化和过程无关，而仅决定于初态及终态，从而说明熵是一即熵的变化和过程无关，而仅决定于初态及终态，从而说明熵是一个普遍存在的状态参数。个普遍存在的状态参数。 因此熵可以表示成任意两个独立状态参数的函数，如因此熵可以表示成任意两个独立状态参数的函数，如 熵的微分是全微分，可以表示为熵的微分是全微分，可以表示为通常，在热力学计算中只计算熵变。通常，在热力学计算中只计算熵变。，2024年7月27日第五章 热力学第二定律17两个基本的热力学普遍关系式：两个基本的热力学普遍关系式： 由熵的定义式和热力学第一定律的能量方程式，可得到由熵的定义式和热力学
15、第一定律的能量方程式，可得到 这两个公式反映了各状态参数之间的基本关系，与进行的过程这两个公式反映了各状态参数之间的基本关系，与进行的过程是否可逆无关。是否可逆无关。 2024年7月27日第五章 热力学第二定律18熵流和熵产熵流和熵产由于由于 ，所以，所以两空间气体的熵变分别为两空间气体的熵变分别为 不可逆过不可逆过程程熵流和熵产：熵流和熵产：可逆过可逆过程中，系统与外界的换热是引程中，系统与外界的换热是引起系统熵变的唯一原因。不可逆过程中，不可逆因素也会引起系统起系统熵变的唯一原因。不可逆过程中，不可逆因素也会引起系统的熵变。的熵变。 温差传热引起的熵产：温差传热引起的熵产： A、B两空间气
16、体所组成的系统，两空间气体所组成的系统，TATB。 可表示为可表示为因此有因此有即温差传热过程中产生了熵，称为即温差传热过程中产生了熵，称为熵产熵产 。由热力学第一定律有由热力学第一定律有，2024年7月27日第五章 热力学第二定律19摩擦、扰动引起的熵产摩擦、扰动引起的熵产 设一微元过程，系统吸热设一微元过程，系统吸热 ，作功作功 ，比热力学能变化比热力学能变化du，比体积变化比体积变化dv。其系统的熵变为其系统的熵变为该过程的能量转换关系为该过程的能量转换关系为将其代入前式，即有将其代入前式，即有可见可见即不可逆过程系统熵变等于熵流和熵产的代数和。熵流和热量具有即不可逆过程系统熵变等于熵流
17、和熵产的代数和。熵流和热量具有相同的符号；熵产则不同，它永远为正值，并随着不可逆程度的增相同的符号；熵产则不同，它永远为正值，并随着不可逆程度的增加而增大。加而增大。 熵产熵产2024年7月27日第五章 热力学第二定律20利用熵变的性质判断过程的不可逆性：利用熵变的性质判断过程的不可逆性： 设任意不可逆过程设任意不可逆过程a-b-c和任意可逆过程和任意可逆过程c-d-a组成一热力循环组成一热力循环。 按克劳修斯不等式有按克劳修斯不等式有 c-d-a为可逆过程，因此有为可逆过程，因此有T=Tr，所以上式可写为所以上式可写为因此有因此有 ，微元，微元不可逆过程不可逆过程有有对对可逆过程可逆过程，T
18、=Tr，因此有因此有综合上面两种情况，可得综合上面两种情况，可得2024年7月27日第五章 热力学第二定律21绝热过程的不可逆性的判断：绝热过程的不可逆性的判断： 绝热过程中，系统和外界不发生任何热交换，即绝热过程中，系统和外界不发生任何热交换，即 ，因而因而按照上式有按照上式有对于有限过程，对于有限过程，有有 不可逆绝热过程在不可逆绝热过程在T-s图上表示图上表示： 不可逆绝热过程的熵变大于零。不可逆绝热过程的熵变大于零。 不不可逆绝热过程线下面的面积不代表过程热量。可逆绝热过程线下面的面积不代表过程热量。ds002024年7月27日第五章 热力学第二定律22孤立系统熵增原理：孤立系统熵增原
19、理： 把系统和有关周围物质一起作为一个孤立系统，同时考虑系统把系统和有关周围物质一起作为一个孤立系统，同时考虑系统和周围物质的熵变，则可更好地说明过程的方向性，从而突出地反和周围物质的熵变，则可更好地说明过程的方向性，从而突出地反映热力学第二定律的实质。映热力学第二定律的实质。 当系统和温度为当系统和温度为T0的周围物质交换热量时的周围物质交换热量时, ,按照任意过程中系统按照任意过程中系统熵变化的关系式，有熵变化的关系式，有 而周围物质的熵的变化为而周围物质的熵的变化为 综合上面二式，有综合上面二式，有 或表示为或表示为 即孤立系统的熵变不可能减小，不可逆过程中即孤立系统的熵变不可能减小，不可逆过程中孤立系统的熵孤立系统的熵总是不总是不断增大，可逆过程中断增大，可逆过程中孤立系统的熵孤立系统的熵保持不变。上述原理称保持不变。上述原理称为为孤立系孤立系统熵增原理统熵增原理。 dSiso00
