PPT《第五章 热力学第二定律》

第五章 热力学第二定律 热力学第一定律―能量守恒何转换定律.

不违背第一定律的过程是否都能自发地实现?一杯热水 热量: 水→空气 (自发过程) 将散失到空气中的热量自发地聚集起来,使水加热?运动的机械 摩擦生热,功量→为热量(自发过程) 将散失到空气中的热量自发地聚集起来,使机械重新运动?高压容器中的气体 高压→低压(自发过程) 让泄露到大气中的气体自发地重入容器,使容器恢复高压?功量→热量(无条件,100%),热量→功量(≠100%过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的.热力学第二定律的任务:判断进行的方向、条件、限度. Sorry, no copy! 5-1 热机循环和制冷循环 热机循环:总有一部分热量不能转换为机械能,而以废热的形式放给温度较低的环境.实践证明: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. 热机吸热 热机放热 循环净功 热机循环热效率 制冷机―实现热量由低温物体向高温物体的传递.但制冷机工作,必须消耗一定的机械功来压缩工质.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. 制冷机吸热 制冷机放热 制冷机耗功 制冷机性能系数 热泵性能系数 5-2 热力学第二定律 热力学第二定律的表述都是针对某中能量转换过程的必要条件的,所以有很多说法. 常见的说法如下:开尔文普朗克说法: 不可能建造一种循环工作的机器,其作用只是从单一热源吸热并全部转变为功 . 第二类永动机是不可能制成的 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: 不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其它的变化 .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. 热力学第二定律的各种说法是一致的,若假设能违反一种表述,则可证明必然也违反另一种表述. 假设机器A违反开尔文-普朗克说法能从高温热源取得热量q'

1而把它全部转变为机械功w0,即w0 =q'

1,则可利用这些功来带动制冷机B,由低温热源取得热量q2而向高温热源放出热量q1 .即 A机: B机: 由于 有 即低温热源给出热量q2,而高温热源得到了热量q2,此外没有其它的变化.这显然违反了克劳修斯说法. 5-3 可逆过程和不可逆过程 可逆过程:系统进行一个热力过程后,能够沿原路径逆向回复到初态,而不引起别的变化的热力过程. 可逆过程进行的条件:内部可逆+外部可逆(无耗散的准静态过程). 不可逆因素:摩擦、温差传热. 不可逆过程:存在自发的变化,从而产生不可复逆影响的过程.(如:摩擦、温差传热的影响.) 不可逆过程意味着作功能力的损失. 准静态过程 5-4 卡诺循环 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机循环. 卡诺循环热效率: 可见: q1=Tr1(sa-sb)q2=Tr2(sd-sc) 卡诺循环的有关结论对工程时间有着非常重要的指导意义!! 等效卡诺循环任意循环a-b-c-d-a→等效卡诺循环A-B-C-D-A. 平均吸热温度: 任意循环的等效卡诺循环热效率: 平均放热温度: 5-5 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,不可能具有比可逆热机更高的热效率. 即,如:A为任意热机,B为可逆热机,有: ≯ 证明:如图,将A、B机组合在一起,因B为可逆机,令其作制冷循环.有: 即: 如果: 则有 即: 代入上式,有: 热量从低温传至高温,而未引起其他变化,这是不可能的. 卡诺定理推论1:在两个给定的热源之间工作的所有可逆热机的热效率都相同.即: 卡诺定理推论2:在两个给定的热源之间工作的不可逆热机,其热效率必然小于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: 小于号适用于不可逆循环,等于号使用于可逆循环. (证明方法同上) (证明方法同上) 5-6 克劳修斯不等式 对两热源循环,由卡诺定理及其推论有: 即: 用代数式表示,有: 对多热源循环,可在循环内作无数条可逆绝热线曲线,与循环曲线相交,得无数各微元循环. 此时,如果原循环是可逆的,得到微元循环也是可逆的;

如果原循环是不可逆的,则得到微元循环也都是不可逆的;

而如果原循环是由部分可逆,部分不可逆过程组成的,则微元循环也是部分可逆,部分不可逆. 因此,对于可逆的微元循环,有: 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: 对整个循环有: 即: 综合上述讨论结果,有: (克劳修斯不等式)―(5-6) 5-7 状态参数及孤立系统墒增原理 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Tr=T,所以有: 对图示的循环,分为两个可逆过程,则有 由上二式知,δq/T应等于某个参数的全微分.按

第一章的定义,它就是状态参数熵的微分,即在可逆过程中有: 将熵的定义式代入前二式,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 熵的微分是全微分,可以表示为 通常,在热力学计算中只需计算熵的变化值. 两个基本的热力学普遍关系式 由熵的定义式:δq=Tds和热力学第一定律的能量方程式 δq=du+pdv δq=dh-vdp可得到以下两个基本的热力学普遍关系式: 这两个公式反映了各状态参数之间的基本关系.当需要确定两状态间各状态参数的变化时,可以在两状态间假设一个可逆过程,沿此过程积分上面任何一式,即可得到所需关系,而与该两状态间原来进行的过程是否可逆无关. 热熵流和熵产 在可逆过程中,引起系统熵变的唯一因素是系统与外界的换热.而不可逆过程中系统熵的变化,除了由于换热外,还由于不可逆因素的影响而产生熵.举例说明. 温差传热引起的熵产 A、B两空间气体所组成的系统,TA0为不可逆过程;

=0为可逆过程. 绝热过程的不可逆性的判断 在绝热过程中,系统和外界不发生任何热交换,即δq=0,因而按照上式有: 对于有限过程,有: >

0为不可逆过程;

=0为可逆过程. 不可逆绝热过程在T-s图上表示: 可见不可逆绝热过程的熵变大于零.另外,不可逆绝热过程线下面的面积不代表过程热量: 孤立系统墒增原理 如果把系统和有关的周围物质一起作为一个孤立系统,同时考虑系统和有关的周围物质熵的变化,则可以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.当系统和温度为T0的周围物质交换热量时,按照任意过程中系统熵变化的关系式,可以得到 而周围物质的熵的变化为 综合上面二式,有=―可逆过程;

>

― 不可逆过程. 或表示为 即孤立系统的熵不可能减小. 系统 环境 孤立系统 5-8 热能的可用性及火用参数 热能转换机械能的最大能力为多大?受什么限制? 热能中的可用能和不可用能 在两热源间工作的热机,其循环热效率的最大值等于卡诺循环的热效率.在一定的环境中,低温热源可达到的最低温度为环境温度T0 ,因此当供热热源温度为Tr,从该热源吸热的热机循环的最高热效率为: 当吸热量为δQ时,通过热机循环而转换为功的最大限额,即热量转变为功的能力为 按照转变为功的可能性,可以把能分为可用能和不可用能.所谓可用能,就是可以连续地全部转变为功的能;

反之,不可能转变为功的能就是不可用能.电能、机械能―可用能;

大气、海洋等环境物体的热力学能―不可用能. 热能 不可用能 可用能 即,热量可分为可用能和不可用能两部分.在一定的环境温度下,提供该热量的热源温度越高,则热量中的可用能就越多,而不可用能就越少. 系统的作功能力(可逆功) 可逆过程中无不可逆因素造成的可用能的损失,系统可以作出最多的功.考虑到系统从外界吸收热量中包含了可用能,因而系统所作的功减去所得热量的可用能才是系统本身输出的机械能.它就是在一定周围环境条件下系统状态变化所能输出的最大的功,故称为系统的作功能力或可逆功: 将一定律表达式 和熵变定义式 代入上式,有: 因此,由状态1变化到状态2时系统的作功能力为: 系统作功能力的损失与熵变之间的关系 不可逆过程中,不可逆因素必然造成可用能的损失,即系统作功能力的损失. 设一微元不可逆过程,其热力学第一定律表达式为: 过程中系统和周围环境换热,环境的熵变为dS0,故δQ=T0(-dS0).代入上式可以得到 : 作功能力的损失,即系统的作功能力与不可逆过程中系统所作功之差为 : 即,当周围环境的条件一定时,不可逆过程中系统作功能力的损失,正比于系统和周围物质两者熵总和的增加 闭口系统火用参数 火用参数(可用度参数)―描述系统最大有效功能力的参数 由可逆功的概念可知,当系统从某个给定的状态变化到和周围环境相平衡的状态时,其作功能力就是给定状态下系统的最大作功能力.即: 可逆功 作功能力→能否全部被利用? 如图示,当闭口系统体积膨胀对外作功时,必因推动压力为p0的周围物质发生位移而消耗功,故实际上可利用的有效作功能力为 综合以上二式,有: 这是在一定环境条件下,给定状态时系统作出有效功的最大能力,称为最大有用功.在环境确定的条件下,系统最大有用功的数值仅决定于给定的初始状态,即在确定环境条件下,最大有效功相当于一个状态参数,称为闭口系统能量的可用度参数或闭口系统的火用参数.1kg工质的火用称为比火用: 其含义为:在确定的环境条件下,给定状态的闭口系统通过容积变化作出有用功的最大能力,故也称为最大有用功参数. 当系统由状态1变化到状态2时,系统容积变化作出有用功的能力可表示为火用参数的关系 开口系统火用参数 稳定流动的开口系统,其进口出口状态确定时,微元过程中系统的作功能力可表示为 其中,系统微元过程的轴功为 因此有: 其中的δQu=?如何用状态参数表示? 不可用能 开口系统从热源所吸热量........