第五部分热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics.ppt
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1、第五章 热力学第二定律 The second law of thermodynamics 5-1 热力学第二定律 5-2 卡诺循环和卡诺定理 53 熵和热力学第二定律的数学表达式 54 熵方程与孤立系统熵增原理 5-5 系统的作功能力(火用)及熵产与作功能力损失 5-6 火用平衡方程及火用损失 1 51 热热力学第二定律 一、自发过程的方向性 只要Q不大于Q,并不违反第一定律 Q Q ? 2 重物下落,水温升高; 水温下降,重物升高? 只要重物位能增加小于等于水降内能 减少,不违反第一定律。 电流通过电阻,产生热量 对电阻加热,电阻内产生反向 电流? 只要电能不大于加入热能,不 违反第一定律。
2、 3 归纳:1)自发过程有方向性; 2)自发过程的反方向过程并非不可进行,而是 要有附加条件; 3)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 实质是能质有差异 无限可转换能机械能,电能 部分可转换能热能 不可转换能环境介质的热力学能 4 能质降低的过程可自发进行,反之需一定条件补偿过 程,其总效果是总体能质降低。 代价 代价 5 二、第二定律的两种典型表述 1.克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述不可能制造循环热机,只从一 个热源吸热,将之全部转化为功,而 不在外界留下任何影响。 3.第二定律各种表述的等效性 T1 失去Q1
3、Q2 T2 无得失 热机净输出功Wnet= Q1 Q2 6 三.关于第二类永动机 理想气体可逆等温膨胀 环境一个热源?吸收热量全部转变成功? 例 例A344155 7 52 卡诺循环和卡诺定理 一、卡诺循环及其热效率 1. 卡诺循环 是两个热源的可逆循环 8 2. 卡诺循环热效率 ? ? 9 10 讨论: 2) 3) 第二类永动机不可能制成。 4)实际循环不可能实现卡诺循环,原因: a)一切过程不可逆; b)气体实施等温吸热,等温放热困难; c)气体卡诺循环wnet太小,若考虑摩擦, 输出净功极微。 5)卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的方向。 1) 即循环净功小于吸热量,必有放热q2。 1
4、1 二、逆向卡诺循环 制冷系数: Tc T-Tc 12 供暖系数: TR TR-T0 13 三、概括性卡诺循环 1. 回热和极限回热 2. 概括性卡诺循环及其热效率 14 四、卡诺定理 定理1:在相同温度的高温热源和相同的低温热源 之间工作的一切可逆循环,其热效率都相 等,与可逆循环的种类无关,与采用哪种 工质也无关。 定理2:在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源 间工作的一切不可逆循环,其热效率必小 于可逆循环热效率。 理论意义: 1)提高热机效率的途径:可逆、提高T1,降低T2; 2)提高热机效率的极限。 例A440155 15 五、多热源可逆循环 1. 平均吸(放)热温度 注意:1)
5、Tm 仅在可逆过程中有意义 2. 多热源可逆循环 2) 16 循环热效率归纳: 讨论:热效率 适用于一切工质,任意循环 适用于多热源可逆循环,任意工质 适用于卡诺循环,概括性卡诺循环,任意工质 17 53 熵和热力学第二定律的数学表达式 一、熵是状态参数 1. 证明:任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程组成的 过程替代。 如图,1-2可用1-a,a-b-c及c-2代替。 需证明: 1-a及1-a-b-c-2的功和热量 分别相等。 令面积 18 又 所以 19 2. 熵参数的导出 令分割循环的可逆绝热线无穷大,且任意两线间距离0 则 20 讨论: 1)因证明中仅利用卡诺循环
6、,故与工质性质无关; 2)因s是状态参数,故s12=s2-s1与过程无关; 克劳修斯积分等式, (Tr热源温度) s是状态参数 令 3) 21 二、克劳修斯积分不等式 用一组等熵线分割循环 可逆小循环 不可逆小循环 可逆小循环部分: 不可逆小循环部分: 22 可逆部分+不可逆部分 可逆 “=” 不可逆“s2(可逆达 终态),如: q=0 3) 并不意味着 因为: 26 3)由克氏不等式 与第二定律表达式相反!? 27 四、不可逆过程熵差计算 即设计一组或一个初、终态与 不可逆过程相同的可逆过程,计 算该组可逆过程的熵差即可。 28 54 熵方程与孤立系统熵增原理 一、熵方程 1. 熵流和熵产
7、其中 吸热 “+” 放热 “” 系统与外界 换热造成系 统熵的变化。 (热)熵流 29 sg熵产,非负 不可逆 “+” 可逆 “0” 系统进行不可逆过程 造成系统熵的增加 例: 若TA = TB,可逆,取A为系统 30 取B为系统 若TATB,不可逆,取A为系统 31 所以,单纯传热,若可逆,系统熵变等于熵流;若不可逆系统 熵变大于熵流,差额部分由不可逆熵产提供。 2. 熵方程 考虑系统与外界发生质量交换,系统熵变除(热) 熵流,熵产外,还应有质量迁移引起的质熵流,所以 熵方程应为: 流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增 其中 流入 流出 热迁移 质迁移 造成的 热 质 熵流 例A42214
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