ch4 熱力學(xué)第二定律.ppt

1、1,第四章,熱力學(xué)第二定律,2,4.1 功熱間的轉(zhuǎn)換 （熱力學(xué)第二定律）,一.基本概念,才可進(jìn)行的過程,自發(fā)過程：不消耗功 非自發(fā)過程：消耗功,3,熱力學(xué)第二定律 克勞修斯說法：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體。 開爾文說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?熱力學(xué)第二定律說明過程按照特定方向，而不是按照任意方向進(jìn)行。 自然界中的物理過程能夠自發(fā)地向平衡方向進(jìn)行。,4,水往低處流,5,氣體由高壓向低壓膨脹,6,熱由高溫物體傳向低溫物體,7,我們可以使這些過程按照相反方向進(jìn)行，但是需要消耗功。 第一定律沒有說明過程發(fā)生的方向，它告訴我們能量必須守衡。 第二定律告訴我們

2、過程發(fā)生的方向。,8,自發(fā)、非自發(fā)和可逆、非可逆之間的區(qū)別？,自發(fā)與非自發(fā)過程決定物系的始、終態(tài)與環(huán)境狀態(tài)； 可逆與非可逆過程是（考慮）過程完成的方式，與狀態(tài)沒有關(guān)系。,9,可逆過程： 沒有摩擦，推動力無限小, 過程進(jìn)行無限慢; 體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學(xué)平衡; 對產(chǎn)功的可逆過程，其產(chǎn)功最大，對耗功的可逆過程，其耗功最小; 逆向進(jìn)行時，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境不留下任何痕跡。 （也即沒有功熱得失及狀態(tài)變化） 不可逆過程： 有摩擦，過程進(jìn)行有一定速度; 體系內(nèi)部不均勻（有擾動，渦流等現(xiàn)象）; 逆向進(jìn)行時，體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡; 如果與相同始終態(tài)的可逆過程相比較，產(chǎn)功小于可逆過程，耗功大于可逆過

3、程。,10,二.熱功轉(zhuǎn)換與熱量傳遞的方向和限度,1.熱量傳遞的方向和限度,高溫,低溫,自發(fā),非自發(fā),限度：t=0,2.熱功轉(zhuǎn)化的方向,功,熱,100%非自發(fā),100%自發(fā),熱功轉(zhuǎn)化的限度要由卡諾循環(huán)的熱機效率來解決,11,12,熱機的熱效率,火力發(fā)電廠的熱效率大約為40%,卡諾熱機的效率,13,三.熱與功轉(zhuǎn)化的限度卡諾循環(huán),卡諾循環(huán)： 熱機 高溫?zé)嵩矗ê鉚H） 低溫?zé)嵩矗ê鉚L）,工質(zhì)從高溫?zé)嵩碩H吸收熱量，部分轉(zhuǎn)化為功，其余排至低溫?zé)嵩碩L。,TH,TL,QH,QL,WC,圖形,14,卡諾循環(huán)由四個過程組成。,可逆等溫膨脹 可逆絕熱膨脹 可逆等溫壓縮 可逆絕熱壓縮,15,工質(zhì)吸熱溫度大于工質(zhì)

4、排熱溫度，產(chǎn)功過程,正卡諾循環(huán)的結(jié)果是熱部分地轉(zhuǎn)化為功，用熱效率來評價循環(huán)的經(jīng)濟性,熱效率:,熱效率的物理意義： 工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)化為凈功的比率。,正卡諾循環(huán)：,16, H 為狀態(tài)函數(shù)，工質(zhì)通過一個循環(huán),據(jù)熱力學(xué)第一定律:, H = 0,Q =QH+QL,又,由卡諾循環(huán)知,(5-25),17,注意以下幾點：,若使,或TL=0,實際當(dāng)中是不可能,(1),=f(TH,TC) , 若使，則 TH ,TL 工程上采用高溫高壓，提高吸熱溫度TH，但又受到材質(zhì)影響.,若TH=TL，=0, W=0 這就說明了單一熱源不能轉(zhuǎn)換為功，必須有兩個熱源。,卡諾循環(huán)，可逆最大，相同TH,TL無論經(jīng)過何種過程

5、，可逆是相同的，實際熱機只能接近，不能達(dá)到,18,例4-1 某一熱機工作于1500K 的高溫?zé)嵩磁c293K 的低溫?zé)嵩粗g，若每一循環(huán)中工作介質(zhì)向高溫?zé)嵩次鼰?00kJ 計算（1）此熱量中最多可轉(zhuǎn)換成多少功？ （2）如果工作介質(zhì)在吸熱中，與高溫?zé)嵩吹臏夭钍?0K，與低溫?zé)嵩吹臏夭顬?0K，則該熱量中最多可轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗌俟?？熱效率為多少?（3）如果循環(huán)過程中，不僅存在著溫差傳熱，而且，由于摩擦有使循環(huán)減少40kJ的功，熱效率為多少？,19,解（1）熱機的最高效率為卡諾循環(huán)的熱效率：,此熱可轉(zhuǎn)化為最大功的數(shù)值是：,20,（2）由于溫差傳熱，實際循環(huán)的最高溫度為 T=1500-150=1350K, 實

6、際循環(huán)的最低溫度為293+20313K 如果不考慮其他損失，那么卡諾熱機的效率為：,可轉(zhuǎn)變的功為：,21,（3）若循環(huán)過程中既考慮溫差又考慮摩擦損失，所得功為,153.6-40113.6kJ,熱效率為：,22,例42有人設(shè)計一個熱機，從溫度為400K處汲取25kJ/S的熱量，在溫度為200K處放出12 kJ/S的熱量，并提供15Kw 的機械功，判斷此設(shè)計指標(biāo)能否實現(xiàn)？,23,解：卡諾效率是相同溫度間工作的熱機間的最高效率：,而設(shè)計的熱機的效率：,違背熱力學(xué)第二定律,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,也違背熱力學(xué)第一定律,24,三熵函數(shù)與熵增原理,1.熵函數(shù),通過研究熱機效率推導(dǎo)出熵函數(shù)的定義式,對于可逆熱機

7、有,也即,熵定義,25,對于可逆循環(huán),對于不可逆循環(huán),Clausius不等式,T,S,1,2,A,B,3,則有：,即：,只與始終態(tài)有關(guān),26,對于不可逆循環(huán),T,S,1,2,A,B,3,則有：,若途徑2不可逆,因,27,對不可逆過程：,對可逆過程：,熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：,不可逆 =可逆,28,注意：,熵狀態(tài)函數(shù)。只要初，終態(tài)相同，,對于不可逆過程應(yīng)設(shè)計一個可逆過程，利用可逆過程的熱溫熵積分進(jìn)行熵變計算,29,2. 熵增原理,對于孤立體系（或絕熱體系）,由,熵增原理表達(dá)式。,0 不可能進(jìn)行的過程,0 不可逆過程,=0 可逆過程,30,結(jié)論：,自然界的一切自發(fā)進(jìn)行的過程都是熵增大的過程；,

8、同時滿足熱一律，熱二律的過程，實際當(dāng)中才能實現(xiàn)，違背其中任一定律，其過程就不可能實現(xiàn)。,總熵變?yōu)?自發(fā)進(jìn)行的限度,自發(fā)進(jìn)行的方向,31,四熵變的計算,1.可逆過程的熱溫熵計算,據(jù)熱一律,可逆過程,同除 T 得：,又 ,對理想氣體: dH=nCpdT,32,相變化熵變,相變化的熵變,相變化皆屬于可逆過程，,并且相變化的熱量，據(jù)能量平衡方程知：,.環(huán)境熵變,熱力學(xué)環(huán)境：一般指周圍大自然（可視為恒溫?zé)嵩矗?33,例43,1mol的理想氣體在125時，于氣缸內(nèi)進(jìn)行等溫不可逆壓縮，壓力自102KPa到103KPa，在壓縮時，熱量傳給27度的蓄熱器，實際壓縮所需要的功比進(jìn)行同樣壓縮的可逆過程多20，試計算

9、氣體的熵變，蓄熱器的熵變和總熵變,34,解：對于1mol的理想氣體，進(jìn)行等溫可逆壓縮所需要的功：,實際壓縮需要的功：,氣體的熵變,蓄熱器的熵變,總熵變,35,例44,在一個絕熱容器中，溫度為90度的水5千克和溫度為20度的水10千克相混合，求此過程熵的變化。 并說明為什么混合過程是一個不可逆過程。,36,解：設(shè)水的平均熱熔為4.186kJ/Kg/K,混合后水的溫度為,混合過程中熵的變化,因為絕熱，環(huán)境的熵變?yōu)榱?所以總熵變即為0.326kJ/K,混合過程是一個不可逆過程,37,4 熵平衡和熵產(chǎn)生,熵平衡方程,將容量性質(zhì)衡算通式用于熵，得:,=,-,+,38,T 限制表面上熱流通過處的溫度, T

10、 代表始態(tài)溫度, T 代表終態(tài)溫度,物料 熱量,S 單位質(zhì)量物料的熵；,熵攜帶者,功與熵變化無關(guān)，功不攜帶熵。,物料攜帶的熵 = mS,熱流攜帶的熵 =,式中: m 物料的質(zhì)量；,39,是代數(shù)值， 以體系收入者為正，體系支出者為負(fù),于是:,熵平衡方程為:,將此整理,得:,(5-33),熵平衡方程,注意：,40,2.熵產(chǎn)生,上式中：, 體系總的熵變；, 因物流流進(jìn)，流出限定容積而引起的熵變化；, 因熱流流進(jìn),流出限定容積而引起的熵變化；, 因體系的內(nèi)在原因引起的熵變化，與環(huán)境無關(guān)， 屬于內(nèi)因熵變。,引起熵產(chǎn)生的內(nèi)在原因?qū)嶋H上是由于體系內(nèi)部不可逆性而引起的熵變化。這可以用孤立體系的熵平衡方程來證實

11、。,41,對孤立體系：因與環(huán)境沒有質(zhì)量交換，也沒有能量交換,代入熵平衡方程中,=,=,由熱二律知: 可逆過程,不可逆過程,42,結(jié)論：,熵產(chǎn)生可以用作判斷過程方向的準(zhǔn)則,0 時，體系內(nèi)部的過程不自發(fā)。,0 時，體系內(nèi)部的過程不可逆或自發(fā)；,=0 時，體系內(nèi)部的過程可逆或平衡；,43,3. 熵平衡方程的特殊形式,絕熱過程,可逆過程,=,+,穩(wěn)流過程,=0,+,+,封閉體系,=,+,44,一氣體服從理想氣體定律，它穩(wěn)定流過某一絕熱容器，其入口和出口連接兩根絕熱管，其中入口管的溫度和壓力為：450K, 5*105Pa,出口管壓力和溫度為： 300K, 1*105Pa，求此系統(tǒng)的熵產(chǎn)生。 氣體的Cp為,例4-6,氣體的R,45,解：由穩(wěn)流體系的熵平衡方程：,因管道絕熱，Q=0,46,47,4-2.,如: 有一人聲稱發(fā)明了一臺穩(wěn)流裝置，將1Kg溫度為373K的飽和蒸汽通過此裝置時，能向溫度為450K的高溫?zé)釒燧斔?860KJ的熱量，同時自身冷卻為0.1MPa（1atm），273K的冷凝水。用于冷卻蒸汽的天然水的溫度為273K。問此裝置是否可行?,48,高溫?zé)釒?50K,q1=1860kJ,飽和蒸汽,穩(wěn)流裝置,h1=2680kJ/Kg,冷卻水273K,