熱能轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律3

1、熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用Fundaments & Applications of Fundaments & Applications of & Heat Transfer & Heat Transfer2 23 3 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律2 22 2 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律21 熱能轉(zhuǎn)換的基本概念熱能轉(zhuǎn)換的基本概念2-3 2-3 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律2-3-1、熱力過程的方向性及第二定律的實質(zhì)、熱力過程的方向性及第二定律的實質(zhì)1.1.任何發(fā)生的過程必須遵從熱力學(xué)第一定律，但滿足熱力學(xué)第任何發(fā)生的過程必須遵從熱力學(xué)第一定律，但滿足熱力學(xué)第一

2、定律的過程未必一定能實現(xiàn)。一定律的過程未必一定能實現(xiàn)。 機械能機械能高溫?zé)岣邷責(zé)釤崮軣崮艿蜏責(zé)岬蜏責(zé)峄瘜W(xué)勢高化學(xué)勢高化學(xué)勢低化學(xué)勢低濃度高濃度高濃度低濃度低自發(fā)自發(fā)非自發(fā)非自發(fā)自發(fā)自發(fā)非自發(fā)非自發(fā)自發(fā)自發(fā)非自發(fā)非自發(fā)自發(fā)自發(fā)非自發(fā)非自發(fā)自由膨脹自由膨脹 AB氣體自由膨脹氣體自由膨脹 21UU12UU q自發(fā)過程有自發(fā)過程有方向性方向性；q并非所有滿足第一定律的過程均可自動發(fā)生。并非所有滿足第一定律的過程均可自動發(fā)生。q自發(fā)過程的逆過程并非不可發(fā)生的，而是不能自動自發(fā)過程的逆過程并非不可發(fā)生的，而是不能自動發(fā)生。若滿足一定的發(fā)生。若滿足一定的附加條件，也是可以進(jìn)行的附加條件，也是可以進(jìn)行的；q非

3、自發(fā)過程的發(fā)生必須付出某種代價作為補償。非自發(fā)過程的發(fā)生必須付出某種代價作為補償。自發(fā)過程自發(fā)過程：可以自動發(fā)生的過程，反之稱為：可以自動發(fā)生的過程，反之稱為非自發(fā)過程非自發(fā)過程 2.如果能量轉(zhuǎn)換過程中無熱能介入，如果能量轉(zhuǎn)換過程中無熱能介入，過程就無所謂方向性。過程就無所謂方向性。只有熱過程才有方向性！只有熱過程才有方向性！3. 為什么有熱能介入時就顯示出過程的方向性？為什么有熱能介入時就顯示出過程的方向性？熱能屬于無序能熱能屬于無序能機械能、電能屬于有序能機械能、電能屬于有序能高品位低品位轉(zhuǎn)換難易程度不一樣！能質(zhì)降低的過程可自發(fā)進(jìn)行，反之需一定條件能質(zhì)降低的過程可自發(fā)進(jìn)行，反之需一定條件補

4、償過程，其總效果是總體能質(zhì)降低。補償過程，其總效果是總體能質(zhì)降低。212netHLQQQWTT 代價2LHnet12QTTWQQ 代價T1 T2 W1Q2Q T1 T21Q2QW能量轉(zhuǎn)換方向性的能量轉(zhuǎn)換方向性的實質(zhì)是能質(zhì)有差異實質(zhì)是能質(zhì)有差異無限可轉(zhuǎn)換能無限可轉(zhuǎn)換能機械能，電能機械能，電能部分可轉(zhuǎn)換能部分可轉(zhuǎn)換能熱能熱能0TT 不可轉(zhuǎn)換能不可轉(zhuǎn)換能環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能4. 能量的品位能量的品位5. 熱力學(xué)第二定律的任務(wù)熱力學(xué)第二定律的任務(wù)研究熱力過程的方向性，以及由此而引起的非自發(fā)過程的補償和補償限度是熱力學(xué)第二定律的任務(wù)。即，找出判斷任何熱過程進(jìn)行的方向、條件和限度的一般判據(jù)

5、，能夠闡明熱過程的方向、條件和限度。研究思路：從經(jīng)驗從經(jīng)驗（感性認(rèn)識）（感性認(rèn)識） 邏輯推理邏輯推理 一般判據(jù)一般判據(jù)（理性）（理性）實際應(yīng)用實際應(yīng)用2-3-2 熱力學(xué)第二定律的表述熱力學(xué)第二定律的表述 熱力學(xué)第二定律應(yīng)用范圍極為廣泛（熱力學(xué)第二定律應(yīng)用范圍極為廣泛（諸如熱量傳遞、熱諸如熱量傳遞、熱功轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)、燃料燃燒、氣體擴散、分離、溶解、結(jié)功轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)、燃料燃燒、氣體擴散、分離、溶解、結(jié)晶、生物化學(xué)、生命現(xiàn)象、低溫物理、氣象等其他領(lǐng)域）晶、生物化學(xué)、生命現(xiàn)象、低溫物理、氣象等其他領(lǐng)域）。針對各類具體問題，熱力學(xué)第二定律有各種形式的表述，這針對各類具體問題，熱力學(xué)第二定律有各種形式

6、的表述，這里只介紹兩種最基本的、表達(dá)形式。里只介紹兩種最基本的、表達(dá)形式?？藙谛菟拐f法（針對傳熱）:不可能把熱從低溫物體傳不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它到高溫物體而不引起其它變化變化。ColdHot開爾文說法（針對功熱轉(zhuǎn)換）: :不可能從單一物體取熱不可能從單一物體取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰怪耆優(yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。起其它變化。一、兩種經(jīng)典說法一、兩種經(jīng)典說法克勞休斯說法（針對傳熱）克勞休斯說法（針對傳熱）: :不可能把熱從低不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。開爾文說法（針對功熱轉(zhuǎn)換）開爾文說法（針對功熱轉(zhuǎn)換）: :不可能從

7、單一不可能從單一物體取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。物體取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓Ｒ陨蟽煞N說法是一致的如果違犯了開爾文說法，以上兩種說法是一致的如果違犯了開爾文說法，必將違犯克勞修斯說法。必將違犯克勞修斯說法。二、兩種說法的等效性二、兩種說法的等效性思路：思路：高溫?zé)嵩矗焊邷責(zé)嵩矗?得到熱量得到熱量QH低溫?zé)嵩矗旱蜏責(zé)嵩矗?失去熱量失去熱量QL外界無變化：失去外界無變化：失去W ,又得又得 到到W也就是：也就是：Kelvin說法不成立，說法不成立，則則Clausius 說法也不成立。說法也不成立。1. 熱力學(xué)第二定律開爾文說法與克勞修斯說法具有等熱力學(xué)第二定律開爾文說法與克勞修斯

8、說法具有等效性效性 。2. 熱力學(xué)第二定律可有多種說法，每一種說法都反映熱力學(xué)第二定律可有多種說法，每一種說法都反映 了自然界過程進(jìn)行的方向性了自然界過程進(jìn)行的方向性 。3. 自發(fā)過程都是具有方向性的自發(fā)過程都是具有方向性的, 若想逆向進(jìn)行，必付出若想逆向進(jìn)行，必付出 代價。代價。熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)過程可逆性與方向性關(guān)系過程可逆性與方向性關(guān)系可逆過程：可逆過程： 不存在方向性不存在方向性不可逆不可逆方向性方向性熱力學(xué)第二定律描述熱力學(xué)第二定律描述熱力學(xué)第二定律說法等效熱力學(xué)第二定律說法等效不可逆過程共同屬性不可逆過程共同屬性不可逆屬性能否用統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)描述？不可逆屬性能否

9、用統(tǒng)一狀態(tài)參數(shù)描述？但違反了熱但違反了熱力學(xué)第二定律力學(xué)第二定律這類永動機這類永動機并不違反熱力并不違反熱力 學(xué)第一定律學(xué)第一定律第二類永動機是不可能制造成功的第二類永動機是不可能制造成功的環(huán)境是個大熱源環(huán)境是個大熱源熱力學(xué)第二定律與第二類永動機熱力學(xué)第二定律與第二類永動機第二類永動機：第二類永動機： 設(shè)想的從設(shè)想的從單一熱源單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C。取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C。既然單一熱源既然單一熱源的熱機不能實的熱機不能實現(xiàn)，那么至少現(xiàn)，那么至少兩個熱源怎樣兩個熱源怎樣呢？最大可能呢？最大可能的轉(zhuǎn)化效率是的轉(zhuǎn)化效率是多少？多少？工作于溫度分別為工作于溫度分別為 T T1 1 和和

10、 T T2 2 的兩個熱源之間的正向循環(huán)，由兩個可逆的兩個熱源之間的正向循環(huán)，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成。定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成。2-3-32-3-3卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾循環(huán)和卡諾定理一、卡諾循環(huán)與概括性卡諾循環(huán)一、卡諾循環(huán)與概括性卡諾循環(huán)1、卡諾循環(huán)、卡諾循環(huán)23 4L34qqqTss放2L2t,c1H1111qTTqTT 11 2H21qqqTss吸4123TSTHTL卡諾循環(huán)的熱效率：net2t,C111wTTq討論：討論：t,c1212,f T TTT（2）t,c211,0,TT （1）t,cnet12wqq即循環(huán)必需有放熱（3）21t,c,0TT若第二類永動機

11、不可能制成第二類永動機不可能制成（4）實際循環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因：）實際循環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因： a）一切過程不可逆；）一切過程不可逆； b）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難；）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難； c）氣體卡諾循環(huán)凈功太小，若考慮摩擦，）氣體卡諾循環(huán)凈功太小，若考慮摩擦， 輸出凈功極微。輸出凈功極微。 （5）卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱）卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱效率的方向。效率的方向。2、逆卡諾循環(huán)、逆卡諾循環(huán)21121112122122 TTTqqqwqTTTqqqwqnetcnetc供暖系數(shù)制冷系數(shù)3、概括性卡諾循環(huán)、概括性卡諾循環(huán)兩熱源間的極限回?zé)嵫h(huán)兩熱源間

12、的極限回?zé)嵫h(huán)圖示循環(huán)圖示循環(huán): :吸熱吸熱和和放熱放熱，定溫，可逆。，定溫，可逆。膨脹膨脹和和壓縮壓縮，非可逆絕熱，非可逆絕熱，必然有吸熱或放熱，而此時工必然有吸熱或放熱，而此時工質(zhì)與熱源溫度不等，不可逆。質(zhì)與熱源溫度不等，不可逆。怎樣才能可逆呢？怎樣才能可逆呢？回?zé)幔号蛎涍^程中放出的熱量，加回?zé)幔号蛎涍^程中放出的熱量，加到壓縮過程上，叫回?zé)?。到壓縮過程上，叫回?zé)帷?(用回?zé)崞鲗崿F(xiàn)用回?zé)崞鲗崿F(xiàn))極限回?zé)幔嚎赡婊責(zé)?，極限回?zé)幔嚎赡婊責(zé)幔琎cd=Qab，要求，要求ab過程和過程和dc過程線過程線“平行平行”。中和不計入回?zé)釋傧到y(tǒng)內(nèi)部換熱，是與熱源換熱。和這里：21211212bcda12tqq

13、qq TT1sTsT1qq1qq1T2abcdTsT1二、卡諾定理二、卡諾定理定理一定理一 在相同溫度的高溫?zé)嵩丛谙嗤瑴囟鹊母邷責(zé)嵩?T1 和相同溫度低溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊蜏責(zé)嵩碩2之間工之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪一種工質(zhì)也無關(guān)。關(guān)，與采用哪一種工質(zhì)也無關(guān)。定理二定理二 在相同溫度的高溫?zé)嵩丛谙嗤瑴囟鹊母邷責(zé)嵩碩1 和相同溫度低溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊蜏責(zé)嵩碩2之間工之間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)的熱效率。作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)的熱效率。定理一證明定理一證明不成立。的開

14、爾文說法，所以從而違犯了第二定律可得到假定BABBABQQWWA22A , 0 ABAB 不成立，最后只能是同樣的方法可證得121TTcBA 由于卡諾循環(huán)是這些可逆循由于卡諾循環(huán)是這些可逆循 環(huán)之一，所以環(huán)之一，所以A、B兩兩 熱機的熱效率可用卡諾熱機的熱率表示熱機的熱效率可用卡諾熱機的熱率表示定理二證明定理二證明不成立。開爾文說法，所以從而違犯了第二定律的可得到為可逆機假定為不可逆機，設(shè)BABBABAQQWWA22 , 0 BABABBABAQQWWA22A , 0 只有為不可機相矛盾，所以這與都恢復(fù)了原來的狀態(tài)，等一個循環(huán)后熱機和熱源可得到假定 4.實際循環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因：實際循

15、環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因： a）一切過程不可逆；）一切過程不可逆； b）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難；）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難； c）氣體卡諾循環(huán)）氣體卡諾循環(huán)wnet太小，若考慮摩擦，輸太小，若考慮摩擦，輸出凈功微。出凈功微。 5.卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱效率的卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱效率的向。向。循環(huán)作功。，即單一熱源吸熱不能時，即循環(huán)必須有放熱。即因為。則有關(guān)，和只與結(jié)論：0T T 3. 0q , 0T,T, 1 2. T , T , 1TT 1. c21221cC1212C21cTT2t,ct,1t,2t,11TT 可逆，可逆，不可逆理論意義：理論意義：提高熱機效率

16、的途徑：提高熱機效率的途徑：提高提高T1，降低降低T2，減少不可逆損失。減少不可逆損失?？捎媚?有用能，火用)同樣數(shù)量的機械能和熱能，機械能的品位要高于熱能同樣數(shù)量的機械能和熱能，機械能的品位要高于熱能同樣數(shù)量的熱能，溫度高的品位要高于溫度低的熱能同樣數(shù)量的熱能，溫度高的品位要高于溫度低的熱能,0,n QQQAQExTT0,(1)x QTEQT T1 T21Q2QW熱量的有效能熱量的有效能火用是定量衡量能量品質(zhì)高低的一個參數(shù)：火用是定量衡量能量品質(zhì)高低的一個參數(shù)：火用（有效能）：可以轉(zhuǎn)化為有用功的能量?；鹩茫ㄓ行埽嚎梢赞D(zhuǎn)化為有用功的能量?；馃o（無效能）：不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。火無（無效能

17、）：不能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。在實際中，應(yīng)充分注意能量的二重性，按質(zhì)用能在實際中，應(yīng)充分注意能量的二重性，按質(zhì)用能. .舉例：舉例：1.1.采暖的方式：煤爐；電爐；熱泵采暖的方式：煤爐；電爐；熱泵2.2.蒸汽動力裝置：蒸汽動力裝置：3.3.家用冰箱節(jié)能分析：家用冰箱節(jié)能分析：三、多熱源可逆循環(huán)三、多熱源可逆循環(huán)吸熱量吸熱量q1=面積面積ehgnme放熱量放熱量q2 =面積面積elgnmeehgnmenmeeqqt面積面積 lg1 112ABnmADCnmDTTqqTTc面積面積機的效率為之間進(jìn)行卡諾熱與而在1 11121221ct定義平均吸和放熱溫度定義平均吸和放熱溫度sTqsTq2211放熱量

18、吸熱量sqTsqT2211平均放熱量溫度平均吸熱量溫度121211TTqqt熱效率net02t1111wwqqqq 適用一切循環(huán)，任意工質(zhì)2t11TT 多熱源可逆循環(huán)，任意工質(zhì)2t11TT 兩熱源間的可逆循環(huán)，任意工質(zhì)一、狀態(tài)參數(shù)熵的導(dǎo)出 從卡諾循環(huán)看：(Carnot heat engine)0qqTT即在卡諾循環(huán)中， 的代數(shù)和為零。12120qqTT則改用代數(shù)符號，12121212 0qqTTqqTT 22t,C1111qTqT 2-3-4 2-3-4 狀態(tài)參數(shù)熵狀態(tài)參數(shù)熵對任意可逆循環(huán)對任意可逆循環(huán)1A2B11A2B1，用絕熱線，用絕熱線a-ga-g、b-fb-f等循環(huán)進(jìn)行分割，當(dāng)兩等循環(huán)

19、進(jìn)行分割，當(dāng)兩條線非常接近時，吸熱和放熱可條線非常接近時，吸熱和放熱可看成定溫微元過程，對于微元卡看成定溫微元過程，對于微元卡諾循環(huán)諾循環(huán)abfgaabfga有有121r2r11QQTTc下標(biāo)下標(biāo)r表示熱源參數(shù)。當(dāng)考慮放熱正負(fù)號時，上式可寫成表示熱源參數(shù)。當(dāng)考慮放熱正負(fù)號時，上式可寫成02r21r1TQTQ積分上式積分上式0122r2211r1BATQTQ統(tǒng)一表示。用是換熱時的熱源溫度統(tǒng)一用熱量都是工質(zhì)與熱源間的換rr2r1rev21, TTTQQQ012rrev21rrevBATQTQrevrevr0 0 (2-49)QQTT或由上式可知由上式可知Qrev/T 環(huán)積分為零，積分與過程無關(guān)，具

20、有狀態(tài)參環(huán)積分為零，積分與過程無關(guān)，具有狀態(tài)參數(shù)的特性，定義為熵。數(shù)的特性，定義為熵。revrevr QQdSTTrevrevr qqdsTTrevrevrev1 22 11 2ABBQQQTTT 熵（熵（Entropy)1. 1. 熵的定義熵的定義2. 2. 熵是狀態(tài)參熵是狀態(tài)參3. 3. 可逆過程的熵變可逆過程的熵變re0qT redd0,0d0,0d0,0qT ssqsqsq則可逆過程中則則redqsT熵是可逆過程系統(tǒng)與外界交換熵是可逆過程系統(tǒng)與外界交換熱量的度量。熱量的度量。熱流通過邊界時引起熵的變化，熱流通過邊界時引起熵的變化，功不引起熵的變化。功不引起熵的變化。2re211 (2-

21、50)qSSSTctTTQQ1r2r1211對于不可逆循環(huán)對于不可逆循環(huán)1A2B1有有考慮放熱正負(fù)號時，上式可寫成考慮放熱正負(fù)號時，上式可寫成02r21r1TQTQr0 252QT （ ）將式將式(249)和式和式(252)結(jié)合，可得結(jié)合，可得r0 253QT （ ）上式稱為上式稱為克勞修斯不等式?？藙谛匏共坏仁?。2-3-5 不可逆過程熵變、熵流及熵產(chǎn)不可逆過程熵變、熵流及熵產(chǎn)1. 克勞修斯不等式克勞修斯不等式克勞修斯不等式的應(yīng)用克勞修斯不等式的應(yīng)用用于判斷循環(huán)是否可行、是否可逆的判別式：用于判斷循環(huán)是否可行、是否可逆的判別式：r0 QT r0 QT r0 QT 循環(huán)可行、且可逆循環(huán)可行、且可

22、逆循環(huán)可行、但不可逆循環(huán)可行、但不可逆循環(huán)不可行循環(huán)不可行克勞修斯不等式是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式之一?？藙谛匏共坏仁绞菬崃W(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式之一。例例 欲設(shè)計一熱機，使之能從溫度為欲設(shè)計一熱機，使之能從溫度為973K的高溫?zé)岬母邷責(zé)嵩次鼰嵩次鼰?000kJ，并向溫度為，并向溫度為303K的冷源放熱的冷源放熱800kJ。 () 問此循環(huán)能否實現(xiàn)？問此循環(huán)能否實現(xiàn)？ () 若把此熱機當(dāng)制冷機用，從冷源吸熱若把此熱機當(dāng)制冷機用，從冷源吸熱800kJ，能否可能只向熱源散熱能否可能只向熱源散熱1200kJ？欲使之從冷源吸熱？欲使之從冷源吸熱800kJ，至少需耗多少功？，至少需耗多少功？方法方法1

23、：利用卡諾定理來判斷循環(huán)是否可行。利用卡諾定理來判斷循環(huán)是否可行。若在若在 和和 之間是一卡諾循環(huán)，則循環(huán)效率為之間是一卡諾循環(huán)，則循環(huán)效率為: : 1T2T2c13031168.9%973TT 而欲設(shè)計循環(huán)的熱效率為而欲設(shè)計循環(huán)的熱效率為: :212t111|1|QQQWQQQ c800160%2000 即欲設(shè)計循環(huán)的熱效率比同溫限間卡諾循環(huán)的低，即欲設(shè)計循環(huán)的熱效率比同溫限間卡諾循環(huán)的低，所以循環(huán)可行。所以循環(huán)可行。解：（）解：（）方法方法2 2：利用克勞修斯積分式來判斷循環(huán)是否可：利用克勞修斯積分式來判斷循環(huán)是否可行。如圖所示：行。如圖所示：12r12|2000800=0.585kJ/K

24、 0; 0; 極限情況（發(fā)生可逆變化）熵保持不變極限情況（發(fā)生可逆變化）熵保持不變, , dSdSisoiso =0; =0;使孤立系熵使孤立系熵減小的過程不可能出現(xiàn)。簡言之，孤立系統(tǒng)的嫡可以增大或保持不變，但不減小的過程不可能出現(xiàn)。簡言之，孤立系統(tǒng)的嫡可以增大或保持不變，但不可能減少。這一結(jié)論即可能減少。這一結(jié)論即孤立系統(tǒng)熵增原理孤立系統(tǒng)熵增原理，簡稱熵增原理。，簡稱熵增原理。 注意注意：熵增原理只適用于孤立系統(tǒng)。至于非孤立系，或者：熵增原理只適用于孤立系統(tǒng)。至于非孤立系，或者孤立系中某個物體，它們在過程中可以吸熱也可以放熱，孤立系中某個物體，它們在過程中可以吸熱也可以放熱，所以它們的熵既可

25、能增大、可能不所以它們的熵既可能增大、可能不變，也可能減小。變，也可能減小。 fisog0QdSTdSdS熵增原理的實質(zhì)熵增原理的實質(zhì)一、熵增原理闡明了過程進(jìn)行的方向，即一、熵增原理闡明了過程進(jìn)行的方向，即dSiso0 。二、二、 熵增原理指出了熱過程進(jìn)行的限度，即熵增原理指出了熱過程進(jìn)行的限度，即dSiso0 。 三、熵增原理揭示了熱過程進(jìn)行的條件（孤立系的熱過程中三、熵增原理揭示了熱過程進(jìn)行的條件（孤立系的熱過程中 有部分物體熵減小，必有部分物體的熵增大的相伴隨）。有部分物體熵減小，必有部分物體的熵增大的相伴隨）。 熵增原理全面地、透徹地揭示了熱過程進(jìn)行的方向、限度熵增原理全面地、透徹地揭

26、示了熱過程進(jìn)行的方向、限度和條件，這些正是熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)。由于熱力學(xué)第二定律和條件，這些正是熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)。由于熱力學(xué)第二定律的各種說法都可以歸結(jié)為熵增原理，又總能將任何系統(tǒng)與相關(guān)物的各種說法都可以歸結(jié)為熵增原理，又總能將任何系統(tǒng)與相關(guān)物體、相關(guān)環(huán)境一起歸入一個孤立系統(tǒng)，所以可以認(rèn)為式體、相關(guān)環(huán)境一起歸入一個孤立系統(tǒng)，所以可以認(rèn)為式(5(5一一20a)20a)，即即 熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的一種最基本的形式熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的一種最基本的形式 0isodS熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式r0 QT 循環(huán)r QdST閉口系ad 0 dS絕熱系閉口系iso0 d

27、S孤立系例例 欲設(shè)計一熱機，使之能從溫度為欲設(shè)計一熱機，使之能從溫度為973K的高溫?zé)岬母邷責(zé)嵩次鼰嵩次鼰?000kJ，并向溫度為，并向溫度為303K的冷源放熱的冷源放熱800kJ。（）問此循環(huán)能否實現(xiàn)？（）問此循環(huán)能否實現(xiàn)？（）若把此熱機當(dāng)制冷機用，從冷源吸熱（）若把此熱機當(dāng)制冷機用，從冷源吸熱800kJ，能否可能向熱源放熱能否可能向熱源放熱1200kJ？欲使之從冷源吸熱？欲使之從冷源吸熱800kJ，至少需耗多少功？，至少需耗多少功？ 解（解（1）方法方法1：利用卡諾定理來判斷循環(huán)是否可行。利用卡諾定理來判斷循環(huán)是否可行。若在若在 和和 之間是一卡諾循環(huán)，則循環(huán)效率為之間是一卡諾循環(huán)，則循環(huán)

28、效率為: : 1T2T2c13031168.9%973TT 而欲設(shè)計循環(huán)的熱效率為而欲設(shè)計循環(huán)的熱效率為: :212t111|1|QQQWQQQ c800160%2000 即欲設(shè)計循環(huán)的熱效率比同溫限間卡諾循環(huán)的低，即欲設(shè)計循環(huán)的熱效率比同溫限間卡諾循環(huán)的低，所以循環(huán)可行。所以循環(huán)可行。 方法方法2 2：利用克勞修斯積分式來判斷循環(huán)是：利用克勞修斯積分式來判斷循環(huán)是否可行。如圖所示：否可行。如圖所示：12r12|2000800=0.585kJ/K 0973303QQQTTT?所以此循環(huán)能實現(xiàn)，且為不可逆循環(huán)。所以此循環(huán)能實現(xiàn)，且為不可逆循環(huán)。1TW1Q2Q2T 方法方法3 3： 利用孤立系統(tǒng)熵

29、增原理來判斷循環(huán)是否可行。利用孤立系統(tǒng)熵增原理來判斷循環(huán)是否可行。isoHLE1212|200080009733032.0552.6400.585kJ/K0SSSSQQTT =ES所以，此循環(huán)能實現(xiàn)。所以，此循環(huán)能實現(xiàn)。1TW1Q2Q2T（2）方法方法1：克勞修斯不等式克勞修斯不等式2121800kJ1200kJ0303K973KQQQTTT 不可行21212221122001QQQTTTQQWTTTwqT 1221973 1800303 1770kJTwqT要使循環(huán)可行，需耗功要使循環(huán)可行，需耗功最小耗功最小耗功12800 17702570kJqqw欲使制冷循環(huán)能從冷源吸熱欲使制冷循環(huán)能從冷

30、源吸熱800kJ，假設(shè)至少耗功假設(shè)至少耗功 minW12isoHLR122min2min12|0|800+8000973303QQSSSSTTQWQWTT min1770kJW1TminW1Q2Q2T（）（）方法方法2 2：孤立系熵增原理判斷是否可行：孤立系熵增原理判斷是否可行 isoHLR1212| 01200800 973303 1.410SSSSQQTT 討論討論（1） 3 種方法的異同。種方法的異同。（2）種方法中，建議重點掌握孤立系熵）種方法中，建議重點掌握孤立系熵增原理方法。增原理方法?？藙谛匏共坏仁绞钦驹诠べ|(zhì)的角度，來確定方程中熱量的正負(fù)克勞修斯不等式是站在工質(zhì)的角度，來確定方程

31、中熱量的正負(fù)號，工質(zhì)吸熱為正，放熱為負(fù)。號，工質(zhì)吸熱為正，放熱為負(fù)。而孤立系統(tǒng)熵增原理是站在個各子系統(tǒng)的角度（熱源系統(tǒng)、冷而孤立系統(tǒng)熵增原理是站在個各子系統(tǒng)的角度（熱源系統(tǒng)、冷源系統(tǒng)、工質(zhì)系統(tǒng)），來確定方程中熱量的正負(fù)號，熱源放出源系統(tǒng)、工質(zhì)系統(tǒng)），來確定方程中熱量的正負(fù)號，熱源放出熱量，故為負(fù)；冷源吸收熱量為正；工質(zhì)通常經(jīng)歷一個整的循熱量，故為負(fù)；冷源吸收熱量為正；工質(zhì)通常經(jīng)歷一個整的循環(huán)，故熵不變。環(huán)，故熵不變。 由于摩擦等耗散效應(yīng)而損失的機械功稱耗散功，以由于摩擦等耗散效應(yīng)而損失的機械功稱耗散功，以Wl表示。當(dāng)孤立系統(tǒng)表示。當(dāng)孤立系統(tǒng)內(nèi)部存在不可逆耗散效應(yīng)時，耗散功轉(zhuǎn)化為熱量，稱為耗散熱

32、，以內(nèi)部存在不可逆耗散效應(yīng)時，耗散功轉(zhuǎn)化為熱量，稱為耗散熱，以Qg表示。表示。這時這時Qg= Wl ,它由孤立系內(nèi)某個它由孤立系內(nèi)某個(或某些或某些)物體吸收，引起物體的熵增大，稱物體吸收，引起物體的熵增大，稱為熵產(chǎn)為熵產(chǎn)Sg?？赡孢^程因無耗散熱，故熵產(chǎn)為零。設(shè)吸熱時物體溫度為?？赡孢^程因無耗散熱，故熵產(chǎn)為零。設(shè)吸熱時物體溫度為T,則則 耗散功轉(zhuǎn)化的熱能，如果全部被一個溫度與環(huán)境溫度耗散功轉(zhuǎn)化的熱能，如果全部被一個溫度與環(huán)境溫度T0相同的物體吸收，相同的物體吸收，它將不再具有作出有用功的能力，或者說作功能力喪失殆盡。作功能力損失它將不再具有作出有用功的能力，或者說作功能力喪失殆盡。作功能力損失

33、以以I表示表示,d IWI。因而，可得出孤立系統(tǒng)的熵增與作功能力損失（亦即后文。因而，可得出孤立系統(tǒng)的熵增與作功能力損失（亦即后文的火用損失）的關(guān)系為的火用損失）的關(guān)系為0W glSTTQdSg)225( )225( g0iso00iso0iso0isoaSTSTITdSITISTIdS或或2-3-7 熵產(chǎn)與作功能力損失熵產(chǎn)與作功能力損失0iso0giTsTs實際過程中的一切不可逆因素引起了作功能力的損失(火用損)引起了孤立系熵的增加一、閉口系熵方程一、閉口系熵方程qsTdgfgddddqssssTfds熵流，由于系統(tǒng)與外界交換熱量引起的熵變熵流，由于系統(tǒng)與外界交換熱量引起的熵變fdor0s

34、gds熵產(chǎn)，由于系統(tǒng)內(nèi)外不可逆因素引起的熵變熵產(chǎn)，由于系統(tǒng)內(nèi)外不可逆因素引起的熵變gd0(entropy generation)s 不可逆過程引起系統(tǒng)熵不可逆過程引起系統(tǒng)熵變的原因有二種變的原因有二種2-3-8 熵方程熵方程二、開口系熵方程二、開口系熵方程不可逆絕熱是一熵增過程；不可逆絕熱是一熵增過程；可逆絕熱是一等熵過程?？赡娼^熱是一等熵過程。CV11f ,g22d( dd+d)dqSsmSSsmCVf,gadgd=ddd=d0qSSSSS絕熱：2211f,gadgdddd+d0dd0qsms mSSSSS絕熱系：CVf,f,gddd+dmqSSSS討論：（1 1） 閉系：閉系：（2 2）穩(wěn)

35、定流動開口系：）穩(wěn)定流動開口系：流入的熵流入的熵熵產(chǎn)熵產(chǎn) 流出的熵流出的熵系統(tǒng)熵的變化系統(tǒng)熵的變化？（3）孤立系熵增的根本原因是不可逆因素引起的。）孤立系熵增的根本原因是不可逆因素引起的。孤立系統(tǒng)熵增原理孤立系統(tǒng)熵增原理dSiso=dSg 0 ，可作為第二定律的，可作為第二定律的又一數(shù)又一數(shù)學(xué)表達(dá)式學(xué)表達(dá)式，而且是更基本的一種表達(dá)式。，而且是更基本的一種表達(dá)式。（4）孤立系統(tǒng)的熵增原理孤立系統(tǒng)的熵增原理可推廣到絕熱系可推廣到絕熱系 dSiso=dSad=dSg 0（5）孤立系的熵增表示不可逆因素的大小，也表示有效能）孤立系的熵增表示不可逆因素的大小，也表示有效能損失的大小。因此，孤立系熵增原理

36、又稱為能量貶值原理。損失的大小。因此，孤立系熵增原理又稱為能量貶值原理。能量貶值原理：孤立系進(jìn)行熱力過程時，有效能只會減少，不會能量貶值原理：孤立系進(jìn)行熱力過程時，有效能只會減少，不會增加，極限情況下保持不變，即增加，極限情況下保持不變，即x,isod0E熱量中能最大可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能（或功）的部分稱熱量中能最大可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能（或功）的部分稱為熱量中的為熱量中的火用火用（有效能、可用能（有效能、可用能）；）； 無論怎樣都不能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠址Q為熱量中無論怎樣都不能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ牟糠址Q為熱量中的的火無火無（無效能、不可用能）。（無效能、不可用能）。 Qx,E Qn,A2-3-8 熱量的可用能（火用）與

37、不可用能（火無）熱量的可用能（火用）與不可用能（火無）1、恒溫?zé)嵩捶懦鰺崃康摹⒑銣責(zé)嵩捶懦鰺崃康幕鹩没鹩肣TTE)1 ( 0Qx,QTTE)1 ( 0Qx,熱量熱量Q中的可用能為中的可用能為熱量熱量Q中的不可用能為中的不可用能為TQTQTTEQA00Qx,Qn, TQTA0Qn, 在在Ts圖上可用面積表法圖上可用面積表法STQE0Qx, STA0Qn, 2、變溫?zé)嵩捶懦鰺崃康?、變溫?zé)嵩捶懦鰺崃康幕鹩没鹩肣TTE)1 ( 0Qx,熱量熱量Q中的可用能為中的可用能為熱量熱量Q中的不可用能為中的不可用能為210Qn, TQTATQTA0Qn, 210Qx,)1 ( QTTESTQE0Qx, STA0

38、Qn, 同樣同樣3、冷量、冷量火用火用 當(dāng)熱源溫度低于環(huán)境溫度當(dāng)熱源溫度低于環(huán)境溫度T0時，時，系統(tǒng)吸入熱量系統(tǒng)吸入熱量Q時作出的最大有用時作出的最大有用功稱為冷量功稱為冷量火用火用，用，用Ex,Q0表示表示QTTE)1 ( 0Qx,0由能量守恒關(guān)系得由能量守恒關(guān)系得0Qx, 0QEQ00 x,Q000 (1)TEQTSQT 從而有從而有冷量冷量火火無為循環(huán)從環(huán)境的吸熱量無為循環(huán)從環(huán)境的吸熱量,即即STA0Qn,0小結(jié)1. 卡諾定律卡諾定律對熱機的指導(dǎo)意義對熱機的指導(dǎo)意義2t,ct,1t,2t,11TT可逆，可逆，不可逆22t,re1111qTqT12TT，t2. 2. 熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表

39、達(dá)式熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式isod0sdqsT0qT fgdddsss3. 3. 熵的定義與意義熵的定義與意義redqsT定義：定義： 熵是狀態(tài)參數(shù)熵是狀態(tài)參數(shù)意義意義：（1）可逆過程與外界熱交換的方向與大小的度量）可逆過程與外界熱交換的方向與大小的度量 （2）dSiso表征了不可逆的程度表征了不可逆的程度（3）dSiso可作為判斷過程方向性的一般判據(jù)可作為判斷過程方向性的一般判據(jù)（4） dSiso表征了有效能損失的大小，表征了有效能損失的大小，iT0Sisorered0,0d0,0sqsq4.4.熵的應(yīng)用熵的應(yīng)用 (1)(1)計算計算可逆過程可逆過程的熱量的熱量redqT s(2)(2)

40、判斷過程的方向性、條件和限度判斷過程的方向性、條件和限度(3)(3)計算有效能的損失計算有效能的損失isod0s0iso0giTsTs(4)(4)熱力學(xué)一般關(guān)系式熱力學(xué)一般關(guān)系式d00,d0,d0,sqsqsq吸熱過程放熱過程=0 絕熱過程dddddq= u+ p vT sup vdddddq= hv pT shv p5.5.熵變的計算熵變的計算 (1)(1)理想氣體理想氣體22g11lnlnpTpscRTp(2)(2)實際氣體實際氣體(3)(3)液體、固體液體、固體21sss 21dlnTqc TscTTT (4)(4)環(huán)境環(huán)境isoiss0qsT (5)(5)熱源熱源rqsT (6)(6)

41、孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)isosurriiSSS1. 1. 判斷過程的方向性求極值判斷過程的方向性求極值 例題例題1 已知、個熱源的溫度分別為已知、個熱源的溫度分別為500K、400K和和300K，有可逆機在這個熱源間工作。若可逆機，有可逆機在這個熱源間工作。若可逆機從熱源凈吸入從熱源凈吸入3000kJ熱量，輸出凈功熱量，輸出凈功400kJ，試求可逆，試求可逆機與、兩熱源的換熱量，并指明其方向。機與、兩熱源的換熱量，并指明其方向。 ABCAW解解 解得解得 即可逆機向熱源放熱即可逆機向熱源放熱3200kJ3200kJ，從熱源吸熱從熱源吸熱600kJ600kJ。ABccABisoABc0QQQWQQQS

42、TTTBccB3000kJ400kJ3000kJ0500K400K300KQQQQBC3200kJ600kJQQ ABCAW例例2 2如圖所示為用于生產(chǎn)冷空氣的設(shè)計方案，如圖所示為用于生產(chǎn)冷空氣的設(shè)計方案，問生產(chǎn)問生產(chǎn)1kg1kg冷空氣至少要給裝置多少熱量。冷空氣至少要給裝置多少熱量?？諝饪梢暈槔硐霘怏w，其比定壓熱容空氣可視為理想氣體，其比定壓熱容c cp p=1kJ/kg=1kJ/kg。 tH=1227生產(chǎn)冷空氣的裝置生產(chǎn)冷空氣的裝置tL=27QH，minQL0.1MPa，400.1MPa，534解：由熱力學(xué)第一定律解：由熱力學(xué)第一定律 由熱力學(xué)第二定律，由熱力學(xué)第二定律，當(dāng)開口系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的過程為可逆過程時，當(dāng)開口系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的過程為可逆過程時，需要的加熱量最小，可得需要的加熱量最小，可得 H3L4PPQmc TQmc TLH34()PQQmc TTisoHLair0SSSS H,minH,min344123H,minH,min()ln01kg 1kJ/(kg K)(313-278)K1500K300K278K1kg 1kJ/(kg K)ln0313KPPQQmcTTTmcTTTQQtH=1227生產(chǎn)冷空氣的裝置生產(chǎn)冷空氣的裝置tL=27QH，minQL0.1MPa，400.1MPa，534 解得生產(chǎn)解得生產(chǎn)1kg1kg冷空氣至少要加給裝置的熱量為冷空氣至少要加給裝置的熱量為H