熱力學(xué)第二定律PPT.ppt

1、第四章 熱力學(xué)第二定律,學(xué)習(xí)導(dǎo)引,熱力學(xué)第二定律揭示了能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行的方 向、條件和限度。熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律是熱力 學(xué)的兩個最基本定律，共同組成了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)。 本章主要講述了熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)和表述，闡述了 熱力循環(huán)、卡諾循環(huán)、卡諾定律、熵的基本概念及熵增原理 等有關(guān)知識。,學(xué)習(xí)要求,1. 了解熱力循環(huán)、正向循環(huán)、逆向循環(huán)的概念，掌握評 價循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)：熱效率t、制冷系數(shù)、制熱系數(shù)。 2.理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)和表述；明確熱力學(xué)第二 定律在判斷熱力過程方向上的重要作用。 3.掌握卡諾循環(huán)、逆卡諾循環(huán)、卡諾定律及其對工程實(shí) 際的指導(dǎo)意義。 4.了解熵的基本概念和

2、熵增原理。,本章難點(diǎn),熱力學(xué)第二定律比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中應(yīng)將抽象 的表述與日常生活及工程實(shí)際中的實(shí)例聯(lián)系起來進(jìn)行思 考就會容易理解一些。 熵的概念和熵增原理比較抽象，較難理解。學(xué)習(xí)中應(yīng)結(jié) 合不可逆因素進(jìn)行思考就會容易理解一些。,第一節(jié) 熱力循環(huán),什么是熱力循環(huán)?,可逆循環(huán),不可逆循環(huán),工質(zhì)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后，又回復(fù)到原來狀態(tài)的全部過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。,熱力循環(huán)分類,全部由可逆過程組成的循環(huán),組成循環(huán)的全部過程不均為可逆過程,正向循環(huán),逆向循環(huán),根據(jù)熱力循環(huán)所產(chǎn)生的不同效果,可逆循環(huán)可以表示在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖 上，且為一條封閉的曲線。,熱力循環(huán),一、正向循環(huán)和熱效率,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)

3、械能的循環(huán)稱為正向循環(huán),也稱為動力循環(huán)或熱機(jī)循環(huán) 。,1. 正向循環(huán),一切熱力發(fā)動機(jī)都是按正向循環(huán)工作的。,正向循環(huán)在p-v圖上按順時針方向進(jìn)行。,設(shè)1kg工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行一個正向循環(huán)1234l,1-2-3: 膨脹過程,作膨脹功123v3v11,3-4-1: 壓縮過程，作壓縮功341v1v33,工質(zhì)從高溫?zé)嵩碩1吸熱q1，向T2放熱q2, 循環(huán)凈功w0,在正向循環(huán)中，所獲得的機(jī)械能與所付出的熱量的比值稱為熱效率。,2. 熱效率t,正向循環(huán),循環(huán)熱效率t用來評價正向循環(huán)的 熱經(jīng)濟(jì)性。,顯然， t 1。,適用于 任何循環(huán),二、逆向循環(huán)和工作系數(shù),消耗機(jī)械能（或其它能量），將熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫

4、熱源的循環(huán), 如制冷裝置和熱泵循環(huán)。,1. 逆向循環(huán),消耗功是完成逆向循環(huán)的必要條件。,逆向循環(huán)在p-v圖上按逆時針方向進(jìn)行。,設(shè)1kg工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行一個逆向循環(huán)14321,1-4-3: 膨脹過程,作膨脹功143v3v11,3-2-1: 壓縮過程，作壓縮功321v1v33,工質(zhì)從低溫?zé)嵩碩2吸熱q2，向T1放熱q1,或, 消耗凈功w0,逆向循環(huán)中向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?，來自于從低溫?zé)嵩吹奈鼰崃亢拖牡难h(huán)凈功,工作系數(shù)是所獲得的收益與所花費(fèi)的代價之比值，用以衡量逆向循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性 。,2. 工作系數(shù),逆向循環(huán),制冷系數(shù) 制冷裝置的工作系數(shù),制熱系數(shù) 熱泵裝置的工作系數(shù),可能大于、等于或小于1，

5、而 總是大于1。,適用于 任何循環(huán),適用于 任何循環(huán),第二節(jié) 熱力學(xué)第二定律,一、過程的方向性與不可逆性,自然界中的一切熱力過程均有方向性和不可逆性。,自發(fā)過程,自發(fā)過程都具有方向性, 且都為不可逆過程。,非自發(fā)過程的進(jìn)行需要一定的條件，付出一定的代價。,不需要任何外界作用而可以自動進(jìn)行的過程。否則為非自發(fā)過程。,如熱量傳遞、水的流動、氣體的混合等,二、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)和表述,熱力學(xué)第二定律指出了能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中 有關(guān)傳遞方向、轉(zhuǎn)化的條件和限度等問題。,針對不同的熱現(xiàn)象熱力學(xué)第二定律有不同的表述， 但其實(shí)質(zhì)等效。,1. 克勞修斯（Clausius）表述 不可能把熱量從低溫物體傳向高溫

6、物體而不引起其它 變化。,它是從熱量傳遞過程來表達(dá)熱力學(xué)第二定律的。,如制冷機(jī)或熱泵裝置的工作需消耗能量進(jìn)行補(bǔ)償,熱力學(xué)第二定律,2.開爾文普朗克（KelvinPlank）表述,不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn) 生其它影響。,它是從熱功轉(zhuǎn)換過程來表述熱力學(xué)第二定律的。,如熱機(jī)的工作,“第二類永動機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)”。,熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是能量貶值原理。,第三節(jié) 卡諾循環(huán)與卡諾定律,一、卡諾循環(huán)及熱效率,卡諾循環(huán)是法國工程師卡諾（Carnot）于1824年提出的一種理想熱機(jī)循環(huán)。它是工作于兩個恒溫?zé)嵩撮g的，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程所組成的可逆正向循環(huán)。,卡諾循環(huán)解決了在確定

7、的工作條件下熱機(jī) 的工作效率可能達(dá)到的極限問題。,卡諾循環(huán),卡諾循環(huán)在p-v圖和T-s圖上的表示:,a-b: 定溫可逆吸熱膨脹過程, 工質(zhì)從T1吸熱q1, 在T1下由a 膨脹至b,并對外界作膨功；,對1kg工質(zhì):,b-c: 絕熱可逆膨脹過程, 工質(zhì)由b膨脹至c,由T1 降至T2，并對外界作膨脹功；,c-d: 定溫可逆放熱壓縮過程, 工質(zhì)由c在T2下向T2 放熱q2被壓縮為d，外界對工質(zhì)作壓縮功；,d-a: 絕熱可逆壓縮過程，工質(zhì)由d經(jīng)可逆絕熱壓縮 回到a，由T2升至T1，外界對工質(zhì)作壓縮功。,恒溫?zé)嵩?恒溫?zé)嵩?卡諾循環(huán)熱效率,由T-s圖,由正向循環(huán)熱效率,過程b-c、d-a為定熵過程，故,結(jié)

8、論：,（1）卡諾循環(huán)的熱效率只取決于高溫?zé)嵩吹臏囟萒1 與低溫?zé)嵩吹臏囟萒2，而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。提高高溫?zé)?源的溫度T1，或降低低溫?zé)嵩吹臏囟萒2，都可以提高熱效 率。,（2）因?yàn)門20，所以熱效率總小于1。,（3）若T1T2，則，,卡諾循環(huán)熱效率,只有單一熱源提供熱量進(jìn)行循環(huán)作功是不可能的。,即:,二、逆卡諾循環(huán),卡諾循環(huán)沿相反方向進(jìn)行，即為逆卡諾循環(huán)。,逆卡諾循環(huán)的效果與卡諾循環(huán)的效果正好相反， 工質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰醧2，向高溫?zé)嵩捶艧醧1，并接受外界作功w0。,制冷系數(shù),供熱系數(shù),逆卡諾循環(huán)在p-v圖和T-s圖上的表示,供熱系數(shù)：,逆卡諾循環(huán),逆卡諾循環(huán)是制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)的理想循環(huán)。,

9、制冷系數(shù):,逆卡諾循環(huán),結(jié)論：,（1）逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)只取決于高溫?zé)嵩礈囟萒1和低溫?zé)嵩礈囟萒2。且隨高溫?zé)嵩礈囟萒1的降低或低溫?zé)嵩礈囟萒2的提高而增大。,（2）逆卡諾循環(huán)的制熱系數(shù)總是大于1，而其制冷系 數(shù)可以大于l、等于1或小于l。在一般情況下，由于T2（T1-T2），所以制冷系數(shù)也是大于1的。,三、卡諾定律,卡諾定律可表述為： （1）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的 一切熱機(jī)，可逆熱機(jī)的熱效率最高。 （2）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的 一切可逆熱機(jī)，其熱效率相等。,卡諾循環(huán)與卡諾定理在熱力學(xué)研究中的重要意義: 它解決了熱機(jī)熱效率的極限問題，指出了提高熱

10、效率 的途徑。雖然卡諾循環(huán)在實(shí)際工程中無法實(shí)現(xiàn)，但它給實(shí) 際熱機(jī)的循環(huán)提供了改進(jìn)方法和比較標(biāo)準(zhǔn)。,例4-1 某熱機(jī)在高溫?zé)嵩?000K和低溫?zé)嵩?00K之間工作。問能否實(shí)現(xiàn)對外作功1000kJ，向低溫?zé)嵩捶艧?00kJ。,解：計算該熱機(jī)從高溫?zé)嵩次鼰崃?Q1Q2W020010001200（kJ） 該熱機(jī)的熱效率 在相同條件下工作的可逆熱機(jī)的熱效率 ，顯然這一結(jié)果違反了卡諾定理，因此不能實(shí)現(xiàn)。,例4-2 利用以逆卡諾循環(huán)工作的熱泵作為一住宅的采暖設(shè)備。已知室外環(huán)境溫度為-10，為使住宅內(nèi)溫度保持20，每小時需供給105kJ的熱量。試求（1）該熱泵每小時從室外吸取的熱量；（2）熱泵所需功率；（3）

11、若直接用電爐取暖，電爐的功率應(yīng)為多少？,解:（1）該熱泵的制熱系數(shù)為 又由于 故熱泵每小時從室外的吸熱量為 （2）熱泵所需功率為 P=Q1-Q2=（105-89765）=10235（kJ/h）=2.84kW （3）電爐采暖所需功率為 P1=Q1=105（kJ/h）=27.78 kW,第四節(jié) 熵與熵增原理,一、熵的基本概念,熵S是由熱力學(xué)第二定律推導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)。,熵的微分定義式為,適用于任何熱力系的任何熱力過程,可逆過程中1、2兩平衡態(tài)的熵差為,關(guān)于熵的幾點(diǎn)說明：,（1）熵是狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)熱力系平衡態(tài)確定后，熵就完全確定了， 與通過什么路徑（過程）到達(dá)這一平衡態(tài)無關(guān)。 （2）無論過程是否可逆,

12、計算兩個狀態(tài)的熵差時，可選任一連接兩 狀態(tài)的可逆過程進(jìn)行計算。 （3）熵具有可加性, 熱力系的熵等于熱力系內(nèi)各個部分熵的總和。 （4）從微觀上看，熵與熱力系內(nèi)部分子運(yùn)動的混亂程度有關(guān)。熵 是熱力系內(nèi)部分子混亂程度的量度。熵值較小的狀態(tài)對應(yīng)于較為有序 的狀態(tài)，熵值較大的狀態(tài)，對應(yīng)于較為無序的狀態(tài)。,熵,例如，隨著物質(zhì)固液氣的相變過程進(jìn)行，熵是遞增的，物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動的混亂程度同樣也是遞增的。,二、熵增原理,對孤立系統(tǒng)的可逆過程Q=0，則,熱溫比的積分值，恒小于熱力系終、初態(tài)的熵差,對孤立系統(tǒng)的不可逆過程,對于孤立系統(tǒng)，有,上式為普遍的熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式, 也是用熵概念表述的熱力學(xué)第二定律。,若為絕熱過程，則有,由于Q=0,S=0,表明:,熱力系從一平衡態(tài)經(jīng)絕熱過程到達(dá)另一平衡態(tài)，它的 熵永不減少。若過程是可逆的，則熵不變；如果過程是不 可逆的，則熵值增加。這就是熵增原理。,熵增原理,不可逆絕熱過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行的，可逆 絕熱過程則是沿著等熵