工程熱力學(xué)教學(xué)課件：熱力學(xué)第二定律

1、工程熱力學(xué) Engineering Thermodynamics熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述卡諾循環(huán)與卡諾定理狀態(tài)參數(shù)熵及熵方程孤立系統(tǒng)熵增原理及做功能力損失 與 分析與 方程回顧熱力學(xué)第一定律“熱是能的一種，機(jī)械能變熱能，或熱能變機(jī)械能的時候，它們間的比值是一定的?！睙崃W(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)化定律闡述了能量之間的數(shù)量關(guān)系第一類永動機(jī)是不可能制成的。Perpetual-motion machine of the first kind問題：第二類永動機(jī)能否實現(xiàn)？perpetual-motion machine of the second kind這類永動機(jī)并不違反熱力學(xué)第一定律，但

2、是否能夠?qū)崿F(xiàn)？設(shè)想的從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)。單熱源熱機(jī)第二類永動機(jī)：熱力學(xué)第二定律可回答此問題如果：第二類永動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)海洋太陽Q第二類永動機(jī)WQW=Q不會出現(xiàn)能源危機(jī)，不需要節(jié)能。如能實現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的表述傳 熱熱功轉(zhuǎn)換 熱二律的表述有 60-70 種 1851年 開爾文普朗克表述 熱功轉(zhuǎn)換的角度 1850年 克勞修斯表述 熱量傳遞的角度開爾文普朗克的表述 Kelvin-Planck Statement不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而不產(chǎn)生其它影響。It is impossible for any device that operates on a cycle

3、to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work.克勞休斯表述Clausius statement不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body.

4、熱力過程的方向性自發(fā)過程：不需要任何附加條件就可以自然地進(jìn)行的過程，稱為自發(fā)過程。其反向過程不可能自發(fā)地進(jìn)行，稱為非自發(fā)過程。非自發(fā)過程必須有另一自發(fā)過程作補(bǔ)償條件才能實現(xiàn)。自發(fā)過程：熱量自高溫物體傳遞給低溫物體，摩擦生熱，高壓氣體膨脹為低壓氣體，不同種類氣體混合等。非自發(fā)過程：熱力循環(huán)，熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需向冷源放熱制冷或熱泵循環(huán)，熱量從低溫物體傳遞至高溫物體，需耗功兩種表述的關(guān)系克勞休斯表述開爾文-浦朗克表述完全等效!違反一種表述,必違反另一種表述!違反開描述導(dǎo)致違反克描述 Q1 = WA + Q2反證法：假定違反開表述 熱機(jī)A從單熱源吸熱全部作功Q1 = WA 用熱機(jī)A帶動可逆制冷機(jī)B

5、取絕對值 Q1 -Q2= WA = Q1 Q1 -Q1 = Q2 違反克表述 T1 熱源AB冷源 T2 T1 Q2Q1WAQ1違反克描述導(dǎo)致違反開描述WA = Q1 - Q2反證法：假定違反克表述 Q2熱量無償從冷源送到熱源假定熱機(jī)A從熱源吸熱Q1冷源無變化從熱源吸收Q1-Q2全變成功WA違反開表述 T1 熱源A冷源 T2 100不可能熱二律否定第二類永動機(jī)t =100不可能卡諾循環(huán)與卡諾定理法國工程師卡諾 (S. Carnot)，根據(jù)蒸氣機(jī)熱力循環(huán)，于1824年提出卡諾循環(huán)熱二律奠基人效率最高熱機(jī)的熱效率最大能達(dá)到多少？又與哪些因素有關(guān)？解決了卡諾生平1796年6月1日，卡諾在巴黎出生 18

6、12年，卡諾考入巴黎理工學(xué)院1819年，卡諾考入巴黎總參謀軍團(tuán)1824年6月12日，發(fā)表論火的動力1832年8月24日，死于疾病卓越貢獻(xiàn)提出了可逆過程的概念，提出了卡諾循環(huán)、卡諾熱機(jī)和卡諾定理，為提高熱機(jī)效率指明了方向，為熱力學(xué)第二定律的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)時代背景工業(yè)革命的興起蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用熱質(zhì)說盛行熱質(zhì)說與熱動說卡諾循環(huán)Carnot cycle4-1絕熱壓縮過程，對內(nèi)作功1-2定溫吸熱過程， q1 = T1(s2-s1)2-3絕熱膨脹過程，對外作功3-4定溫放熱過程， q2 = T2(s2-s1)卡諾循環(huán)熱機(jī)效率Carnot efficiency卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rcq1q2w

7、T1 K, T2 0 K, t,c tR WIR- WR = Q2 - Q2 0T1無變化從T2吸熱Q2-Q2違反開描述，單熱源熱機(jī)假定Q1= Q1 要證明T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIRWR把R逆轉(zhuǎn)WIR=Q1-Q2WR=Q1-Q2 對外作功WIR-WR 克勞休斯的證明假定：WIR=WR若 tIR tR Q1 0從T2吸熱Q2-Q2向T1放熱Q1-Q1不付代價違反克描述 要證明 Q1-Q2= Q1-Q2 T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WR把R逆轉(zhuǎn)卡諾定理推論一在兩個不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，具有相同的熱效率，且與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 求證： tR1 = tR2 由卡諾定理tR1

8、 tR2 tR2 tR1 T1T2R1R2Q1Q1Q2Q2WR1WR2只有： tR1 = tR2 tR1 = tR2= tC與工質(zhì)無關(guān)卡諾定理推論二在兩個不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的任何不可逆熱機(jī)，其熱效率總小于這兩個熱源間工作的可逆熱機(jī)的效率。 已證： tIR tR 證明tIR = tR 反證法,假定：tIR = tR 令 Q1 = Q1 則 WIR = WR 工質(zhì)循環(huán)、冷熱源均恢復(fù)原狀，外界無痕跡，只有可逆才行，與原假定矛盾。 Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0 T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIR卡諾定理小結(jié)1、在兩個不同 T 的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)tR = tC 2、不可逆熱

9、機(jī)tIR 同熱源間工作可逆熱機(jī)tRtIR ：不可逆過程結(jié)論：孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變， 絕不能減小，這一規(guī)律稱為孤立系統(tǒng)熵增原理。孤立系統(tǒng)熵增原理孤立系統(tǒng)熵增原理： 孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變，絕不能減小。Increase of entropy principle： The entropy of an isolated system during a process always increase or, in the limiting case of a reversible process, remains constant.熵增原理的意義可通過孤立系統(tǒng)熵增原理判斷過程的方向。熵

10、增原理可作為系統(tǒng)平衡的判據(jù)：當(dāng)孤立系統(tǒng)的熵達(dá)到最大值時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。熵增原理與過程的不可逆損失密切相關(guān)，不可逆程度越大，熵增也越大，由此可定量評價過程的熱力學(xué)性能的完善性。舉例：判斷過程的方向取熱源T1和T2為孤立系當(dāng)T1T2可自發(fā)傳熱當(dāng)T1 tIR 作功能力:以環(huán)境為基準(zhǔn),系統(tǒng)可能作出的最大功假定 Q1=Q1 ， WR WIR 作功能力損失作功能力損失假定 Q1=Q1 ， W R WIR 作功能力損失熱力循環(huán)可逆循環(huán)作功能力損失EX與AN熱力學(xué)第二定律揭示了能量在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中的方向性和能質(zhì)不守恒的客觀規(guī)律。如何將能量的“量”和“質(zhì)”結(jié)合起來評價能量的價值？如何表述能量的“質(zhì)”如何表

11、述能量的價值 熱量能否正確的表述能量的價值？如何表述能量的價值h1 = h2w1 w2焓能否正確的表述能量的價值？如何表述能量的價值u1 = u2w1 w2熱力學(xué)能能否正確的表述能量的價值？三種不同品質(zhì)的能量 1、無限轉(zhuǎn)換能如：機(jī)械能、電能、水能、風(fēng)能理論上可以完全轉(zhuǎn)換為功的能量高級能量 2、不可轉(zhuǎn)換能理論上不能轉(zhuǎn)換為功的能量 如：環(huán)境（大氣、海洋） 3、有限轉(zhuǎn)換能理論上不能完全轉(zhuǎn)換為功的能量低級能量 如：熱能、焓、內(nèi)能（Ex）（An）（Ex+An）Exergy與Anergy Ex的定義當(dāng)系統(tǒng)由一任意狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，理論上可以無限轉(zhuǎn)換為任何其它能量形式的那部分能量，稱

12、為Ex 100%相互轉(zhuǎn)換 功 能量中除了 Ex 的部分，就是 An Ex作功能力 EnExAn Ex（火用）作功能力 環(huán)境一定，能量中最大可能轉(zhuǎn)換為功的部分熱一律和熱二律中Ex的含義 一切過程， Ex+An總量恒定熱一律： 熱二律：在可逆過程中，Ex保持不變 在不可逆過程中， 部分Ex轉(zhuǎn)換為An Ex損失、作功能力損失、能量貶值任何一孤立系， Ex只能不變或減少，不能增加。 孤立系Ex減原理 由An轉(zhuǎn)換為Ex不可能 Degradation of energy熱量Ex 1、恒溫?zé)嵩?T 下的 Q ExQ: Q中最大可能轉(zhuǎn)換為功的部分 卡諾循環(huán)的功 熱量Ex 2、變溫?zé)嵩聪碌?Q 微元卡諾循環(huán)的功

13、 冷量Ex T T0 的冷量Q2 卡諾循環(huán)的功 熱力學(xué)能Ex 設(shè)一閉口系統(tǒng)（1kg），狀態(tài)為 u1, s1, T1, p1, v1經(jīng)某可逆過程，與環(huán)境達(dá)到平衡，狀態(tài)為u0, s0, T0, p0, v0，過程中放熱 ,對外作功為w 假定 通過可逆熱機(jī)作功 wexu = w = w + w 熱力學(xué)能Ex 熱一律： 熱二律：熱力學(xué)能Ex熱力學(xué)能ex：(有用功) 克服環(huán)境壓力焓Ex經(jīng)穩(wěn)定可逆流動，與環(huán)境達(dá)到平衡，狀態(tài)為h0, s0, c0, z0，過程中放熱為 ，對外作功為ws假定 通過可逆熱機(jī)作功ws exh= ws = ws+ ws 焓Ex 熱一律： 熱二律： 能量分析與Ex分析能量分析法Ex分析法依據(jù)平衡式效率熱一律熱一律、熱二律1.能量分析是不同質(zhì)能