第3章高等工程热力学-热力学第二定律课件.ppt

1、1热力学第二定律热力学第二定律The second law of thermodynamics23一、自发过程的方向性一、自发过程的方向性自发过程：自发过程：不需要任何外界作用不需要任何外界作用 而自动进而自动进行的过程。行的过程。l 热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体l 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l 电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势4归纳：归纳：1）自发过程有）自发过程有方向性方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有要有附加条件附加条件；3）并非所有不违

2、反第一定律的过程均可进行。）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的实质是能量转换方向性的实质是能质能质有差异有差异,能质降低能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程补偿过程5二、第二定律的两种典型表述二、第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述克劳修斯叙述热量不可能热量不可能自发地不花代价地自发地不花代价地从低温从低温 物体传向高温物体。物体传向高温物体。2.开尔文开尔文-普朗克叙述普朗克叙述不可能制造不可能制造循环循环热机，只从热机，只从一一 个热源个热源吸热，将之吸热，将之全部全部转化为功，而转化为功，而 不在外界留下任何影响不在外界留

3、下任何影响。1851年年 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度6证明证明1 1、违反、违反克表述克表述导致违反导致违反开表述开表述 WA=Q1-Q2反证法：反证法：假定假定违反违反克表述克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源热量无偿从冷源送到热源假定热机假定热机A从热源吸热从热源吸热Q1 冷源无变化冷源无变化 从热源吸收从热源吸收Q1-Q2全变成功全变成功WA 违反违反开表述开表述 T1 热源热源A冷源冷源 T2 T1 Q2Q2WAQ1Q2对外作功对外作功W WA A对冷源放热对冷源放热Q Q2 27证

4、明证明2 2、违反、违反开表述开表述导致违反导致违反克表述克表述 Q1=WA+Q2反证法：反证法：假定假定违反违反开表述开表述 热机热机A从单热源吸热全部作功从单热源吸热全部作功Q1=WA 用热机用热机A带动可逆制冷机带动可逆制冷机B 取绝对值取绝对值 WA=Q1 Q1-Q1=Q2 违反违反克表述克表述 T1 热源热源AB冷源冷源 T2 B A R 反证法反证法,假定：假定：IR=R 令令 Q1=Q1 则则 WIR=WR 工质循环、冷热源均恢复原状，工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾与原假定矛盾。Q1-Q1=Q2 -Q2=0 WR17卡诺

5、定理的意义卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环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。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对热力学第二定律的建立具有重大意义。重大意义。18熵熵一、克劳修斯积分一、克劳修斯积分等式等式将循环用无数组将循环用无数组 s 线细线细分，分，abfga近似可看成卡近似可看成卡诺循环诺循环 任意的任意的可逆可逆循环循环112211221212121211TqTqTqTqTTqqTTqqc19特性具有状态函数全微分的可逆过

6、程的TqTqTqTqTqTqreBA0)(00221211212211rereTqsdsTqds)(0)(21令克劳修斯等式克劳修斯等式20二、克劳修斯积分二、克劳修斯积分不等式不等式将循环用无数组将循环用无数组 s 线细分，线细分，则必存在则必存在某个微元循环是不某个微元循环是不可逆的可逆的 任意的任意的不可逆不可逆循环循环000)(01122111212dsTqTqTqTqTqTTqqirrt克劳修斯克劳修斯不等式不等式热源热源温度温度21的特性不具有状态函数全微分不可逆过程的TqTqdsTqTqdsTqsTqs02121任意过程则不可逆系统的熵变在可逆时等系统的熵变在可逆时等于克劳修斯积

7、分，不可于克劳修斯积分，不可逆时大于克劳修斯积分逆时大于克劳修斯积分热二律表达式热二律表达式22可逆可逆:可逆过程中对工质加入的热量可逆过程中对工质加入的热量 工质的温度工质的温度(热源温度热源温度)不可逆不可逆:不可逆过程中对工质加入的热量不可逆过程中对工质加入的热量 热源温度热源温度23三、熵的物理意义三、熵的物理意义定义：定义：熵熵reQdST热源温度热源温度=工质温度工质温度比熵比熵reqdsT0dS 0Q0dS 0Q0dS 可逆时可逆时0Q熵变表示熵变表示可逆可逆过程中热交换过程中热交换的方向和大小的方向和大小熵的物理意义熵的物理意义可逆可逆24熵是状态量熵是状态量可逆循环可逆循环0

8、dS 0QT pv12ab1 22 10abQQTT2 11 2bbQQTT1 21 2abQQTT1 21 2abSS 熵变与路径无关熵变与路径无关,只与初终态有关只与初终态有关0dSdS不可逆可逆2121SS 可逆不可逆25不可逆过程不可逆过程 S与传热量与传热量的关系的关系1 22 10abQQTT任意不可逆循环任意不可逆循环0QT 2 11 2bbQQTTpv12ab211212abQQSTT 12212112QSSST1226除了传热除了传热,还有其它因素影响熵还有其它因素影响熵不可逆因素会引起熵变化不可逆因素会引起熵变化总是熵增总是熵增四、不可逆绝热过程中熵变的分析四、不可逆绝热过

9、程中熵变的分析：1、可逆绝热过程：逆绝热过程：00dsqTqds定熵过程定熵过程2 2、不可逆绝热过程、不可逆绝热过程：00dsqTqds两两过程在过程在T-ST-S图上的表示图上的表示27五、不可逆过程中熵的产生（熵产）：五、不可逆过程中熵的产生（熵产）：气缸中工质进行一微元的气缸中工质进行一微元的不可逆不可逆过程，过程，向外界吸热向外界吸热QQ,对外作功对外作功WW,内能变化内能变化dUdU,熵的变化熵的变化dSdS :Q=Q=dUdU+W+W 为了计算熵变为了计算熵变dSdS,可安排一微元可安排一微元可逆过可逆过程程,初、终状态相同，工质温度为初、终状态相同，工质温度为T T，则：则：d

10、UdU、dSdS、QQR R、WWR R RRWdUQTdSQR28RWdUTdSRWWQTdS)(TWWQdSR)(TWWTQdSRTWTQdSL熵产熵产熵流熵流29定义定义fQdST熵产：纯焠由不可逆因素引起熵产：纯焠由不可逆因素引起gfdSdSdS结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量熵产是过程不可逆性大小的度量熵流：熵流：永远永远fgSSS 热二律表达式之一热二律表达式之一,可作为熵的一般定义式可作为熵的一般定义式由传热而引起由传热而引起g0dS 30孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理孤立系统孤立系统0fdS无质量交换无质量交换0giso dSdS结论：结论：孤立系统的熵只能增大，或者

11、不变，孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小绝不能减小，这一规律称为这一规律称为孤立系统孤立系统 熵增原理熵增原理。无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一31孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(1)传热：两恒温热源之间传热：两恒温热源之间QT2T1用克劳修斯不等式用克劳修斯不等式 0rQT QST 用用用用fgSSS 用用iso0S没有循环没有循环不好用不好用不知道不知道32孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(1)QT2T112isoTT122111QQSSSQTTTT 取热源取热源T1和和T2为孤立系：为

12、孤立系：假设假设1向向2传热传热当当T1T2可自发传热可自发传热iso0S当当T1T2不能传热不能传热iso0S当当T1=T2可逆传热可逆传热iso0S33孤立系熵增原理举例孤立系熵增原理举例(1)QT2T1isoSSTT1T234对孤立系熵增原理的理解：对孤立系熵增原理的理解：是对孤立系统而言是对孤立系统而言 实际过程总是向着使孤立系统熵增加实际过程总是向着使孤立系统熵增加的方向进行的方向进行方向方向 如果过程进行的结果，使孤立系统熵如果过程进行的结果，使孤立系统熵增加，则它可以自发进行；如果过程增加，则它可以自发进行；如果过程进行的结果，使孤立系统熵减少，则进行的结果，使孤立系统熵减少，则

13、它不可以自发进行，需补偿熵增过程它不可以自发进行，需补偿熵增过程 条件条件 孤立系统由不平衡过渡到平衡，熵不孤立系统由不平衡过渡到平衡，熵不断增大，直到熵达到某一最大值断增大，直到熵达到某一最大值限度限度 又称为能量贬值原理又称为能量贬值原理35熵方程熵方程闭口系闭口系21fgSSS 开口系开口系out(2)in(1)ScvQWcvfgi,ini,ini,outi,out11nniidSdSdSmsms稳定流动稳定流动cv0dSinoutmmmfginout0()dSdSssm21fgdSdSdS21fgSSS 订正：订正：121236能量的可用性能量的可用性3738无限：如机械能和电能，全部

14、是有限：温度不等于环境的物质的热力学能和热源传递的热量，一部分 ，一部分非转换能：环境介质的热力学能，全部为火无火无火无火无39火无火无火无火无火无火无火无火无火无火无火无火无40火无火无4142火无火无43评价发电厂热经济性的方法主要有两种评价发电厂热经济性的方法主要有两种 热量法（效率法、热平衡法）：以热力学第一定律为基础热量法（效率法、热平衡法）：以热力学第一定律为基础 热量法是从能量转换的数量来评价其效果的，即以热效热量法是从能量转换的数量来评价其效果的，即以热效率或热损失的大小对发电厂或热力设备的热经济性进行评价，率或热损失的大小对发电厂或热力设备的热经济性进行评价，一般用于发电厂热

15、经济性的定量分析。一般用于发电厂热经济性的定量分析。作功能力分析法（熵方法作功能力分析法（熵方法 火火用方法）：以热力学第一定律用方法）：以热力学第一定律和第二定律为基础和第二定律为基础 熵分析法或熵分析法或火火用分析法是以燃料化学能的做功能力被利用分析法是以燃料化学能的做功能力被利用的程度来评价发电厂的热经济性，一般用于发电厂热经济用的程度来评价发电厂的热经济性，一般用于发电厂热经济性定性分析，以便从本质上指导技术改进方向。性定性分析，以便从本质上指导技术改进方向。4445火无火无46冷量冷量低于环境温度传递的热量。低于环境温度传递的热量。01aTqqT01 acTqqT2011 acTqqT01caTqqT201ccqTqTcaqsTq120整理整理47火无火无火无火无48u,10dddquwwquwqupv 49tqhw 50焓火用焓火用在在T-s图上表示图上表示x,10010HehhTss,100111p fqTssaomnf 面积