华北电力大学（北京）工程热力学课件（第五章）.ppt

工程热力学课件,华北电力大学（北京）动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月,第五章热力学第二定律,Thesecondlawofthermodynamics,5–1热力学第二定律,一、自发过程的方向性,只要Q不大于Q，B向A传热并不违反第一定律,Q,,Q,,,,4,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。,,,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,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。,,,热二律的表述与实质,热功转换传热,热二律的表述有60-70种,1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度,1850年克劳修斯表述热量传递的角度,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,证明1、违反开表述导致违反克表述,Q1’WAQ2’,反证法假定违反开表述热机A从单热源吸热全部作功,Q1WA,用热机A带动可逆制冷机B,取绝对值,Q1’-Q2’WAQ1,Q1’-Q1Q2’,违反克表述,,,,,Q2’,Q1’,WA,Q1,,证明2、违反克表述导致违反开表述,WAQ1-Q2,反证法假定违反克表述Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机A从热源吸热Q1,冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开表述,,Q2,Q2,WA,Q1,,,,Q2,,对外作功WA,对冷源放热Q2,,,两种表述的关系,开尔文－普朗克表述,完全等效,克劳修斯表述,违反一种表述,必违反另一种表述,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少又与哪些因素有关,热一律与热二律,,t100％不可能,热二律否定第二类永动机,,t100％不可能,三.关于第二类永动机,试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。,证明设等熵线S与同一条等温线T有两个交点A和B。,令工质从A经等温线到B，再经等熵过程返回A，完成循环。此循环中工质在等温过程中从单一热源吸热，并将之转换为循环净功输出。这是违反热力学第二定律的，故原假设不可能成立。,5-2卡诺循环与卡诺定理,法国工程师卡诺S.Carnot，1824年提出卡诺循环,热机能达到的最高效率有多少,,热二律奠基人,效率最高,,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,,卡诺循环热机效率,2.卡诺循环热机效率,,,,q1,q2,w,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）,二.逆向卡诺循环,制冷系数,供暖系数,,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,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。,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。,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。,卡诺定理举例,A热机是否能实现,,,,,,,1000K,300K,A,,,,2000kJ,800kJ,1200kJ,可能,,如果W1500kJ,1500kJ,不可能,,500kJ,例某项专利申请书上提出一种热机，它从167℃的热源接受热量，向7℃冷源排热，热机每接受1000kJ热量，能发出0.12kwh的电力。请判定专利局是否应受理其申请，为什么,解从申请是否违反自然界普遍规律着手,故不违反第一定律,根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间工作的热机，以可逆机效率最高,违反第二定律，所以不可能,实际循环与卡诺循环,内燃机t12000oC，t2300oC,tC74.7实际t40,火力发电t1600oC，t225oC,tC65.9实际t40,回热t可达50,五.多热源可逆循环1.平均吸（放）热温度,注意1）Tm仅在可逆过程中有意义,2.多热源可逆循环,循环热效率归纳,5–3熵和热力学第二定律的数学表达式,一.熵是状态参数,于19世纪中叶首先克劳修斯R.Clausius引入，式中S从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。,小知识,28,1.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,讨论,1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；,2）因s是状态参数，故Δs12s2-s1与过程无关；,--克劳修斯积分等式，（Tr–热源温度）,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,可逆部分不可逆部分,,可逆“”,,不可逆“TB，不可逆，取A为系统,42,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。,例气缸内储有1kg空气，分别经可逆等温及不可逆等温，由初态P10.1MPa，t127℃压缩到P20.2MPa，若不可逆等温压缩过程中耗功为可逆压缩的120，确定两种过程中空气的熵增及过程的熵流及熵产。（空气取定比热，t027℃）,解可逆等温压缩,不可逆等温压缩,,由于初终态与可逆等温压缩相同,例1kgp0.1MPa，t120c的水定压加热到90℃，若热源R温度Tr恒为500K，环境温度T0293K，求1）水的熵变2）分别以水和热源R为系统求此加热过程的熵流和熵产,解1）定压加热,2）取水为系统,取热源R为系统,闭口系,闭口系,所以，传热过程的熵产可任取吸、放热物体为系统计算。,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,,熵方程核心熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），因此熵是不守恒的，熵产是熵方程的核心。,闭口系熵方程,闭口绝热系,,可逆“”不可逆“”,闭口系,绝热稳流开系,稳定流动开口系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）,稳流开系,,,（本例类似于教材例5-10）,试判断下列各情况的熵变是a）正；b）负；c）可正可负；d）其他,1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变。,“-”,2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变。,“-”or””,3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程,装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。,“”or”-”,4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆过程，装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。,“-”,5）流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变化，系统对外作功10kJ，此开口系统的熵变。,不变,二.孤立系统熵增原理由熵方程,因为是孤立系,,可逆，“”不可逆“”,孤立系统熵增原理孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限一切过程均可逆时系统熵保持不变,,3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；,讨论1）孤立系统熵增原理ΔSisoSg≥0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；,2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；,4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是ΔSiso0，所以熵可反映某种物质的共同属性。例,,,,R“”,IR””,所以，不可逆使孤立系熵增大造成后果是机械能（功）减少,a热能,,机械能,b,,,,R”“IR””,,若不可逆，TATB,，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这里也意味这机械能损失。,,c机械功（或电能）转化为热能,输入WsQ（Ws），气体由T1上升到T2，v1v2,工质熵变,外界ΔS外0,由于热能不可能100转变成机械能而不留任何影响，故这里ΔSiso0还是意味机械能损失。,d有压差的膨胀（如自由膨胀）,,,,,孤立系熵增意味机械能损失,例利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可能制成的它从167℃的热源吸热1000kJ向7℃的冷源放热568kJ，输出循环净功432kJ。,证明取热机、热源、冷源组成闭口绝热系,所以该热机是不可能制成的,引言1哪个参数才能正确评价能的价值,热量,,,,,,,500K,293K,,,,100kJ,,,,,,,,,,,,1000K,100kJ,293K,,,引言2哪个参数才能正确评价能的价值,焓,h1h2,p1,,,,p2,,,,,,,,,,,,,,,,,,w1,w2,w1w2,引言3哪个参数才能正确评价能的价值,内能,u1u2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,w1,w2,w1w2,三种不同品质的能量,1、可无限转换的能量,如机械能、电能、水能、风能,理论上可以完全转换为功的能量高级能量,,2、不能转换的能量,理论上不能转换为功的能量,,如环境（大气、海洋）,3、可有限转换的能量,理论上不能完全转换为功的能量低级能量,如热能、焓、内能,（Ex）,（An）,（ExAn）,64,5–5系统的作功能力（火用）rgy及熵产与作功能力损失,系统与外界有不平衡存在，即具备作功能力，作功能力也可称为有效能，可用能等。,一.热源热量的可用能热源传出的热量中理论上可转化为最大有用功的能量。,因T0基本恒定，故qunΔs12,65,讨论1）qa是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高分额，称为热量火用；2）qun是理想状况下热量中仍不能转变为功的部分，是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除减少称为热量火无；3）与环境有温差的热源传出的热量具备作功能力，但循环中排向低温热源的热量未必是废热，而环境介质中的内热能全部是废热。,4）qa与热源放热过程特征有关，因此qa从严格意义上讲不是状态参数。,二、冷量的Ex与An,TT0的冷量Q2,有没有Ex,卡诺循环的功,,,,,Q1,Wmax,Q2,冷量的Ex与An的说明,实际上，只要系统状态与环境的状态有差别，就有可能对外作功，就有Ex,,T,ExQ2,Q2,冷量Ex可理解为TT0,肯定是对其作功才形成的，而这个功（就是Ex）就储存在冷量里了。,68,3）热（冷）量可用能与T的关系。,三.定质量物系的作功能力工质的作功能力工质因其状态不同于环境而具备的作功能力。通常是指系统只与环境交换热量可逆过渡到与环境平衡状态作出的最大理论有用功。,气体从初态（p，T）（p0，T0）据,微卡诺机,讨论1）相对于p0，T0，wu,max是状态参数，称之为热力学能火用，用Ex,U（ex,U）表示。,2）从状态1状态2，闭口系的最大有用功。,3）pp0,TT0时物系的作功能力,4）因为是最大有用功，所以必须一切过程可逆；最终向环境排热。,如真空系统作功能力p0V,四.稳流工质的作功能力,2）从状态12，稳流工质可作出的最大有用功,3）若考虑动能，则称之为物流火用，用Ex（ex）表示,讨论1）对于p0、T0，wu,max仅取决于状态，称之为焓火用，用Ex,H（ex,H）表示。,4）焓火用在T-s图上表示,5）焓在h-s图上表示*,五.熵产与系统作功能力（火用）损失1.两个特例,1不可逆传热据第一定律面积1211091面积348103,qAa面积16721qAun面积691076T0s1–s2qBa面积45734qBun面积581075T0s4–s3,2不可逆绝热膨胀循环12341比循环12341少输出的净功即为不可逆绝热膨胀过程2-3造成的作功能力损失。,2.闭口系作功能力（火用）损失,可逆微元过程中,不可逆微元过程中,3.稳流开系作功能力（火用）损失,微元不可逆过程,归纳,微元可逆过程,注意,,可逆等温,不可逆绝热,,,,例1000kg0c的冰在20℃的大气中融化成0℃的水，求过程中作功能力损失。（已知冰的融化热γ335kJ/kg）,解方法一取冰、大气为系统孤立系统,方法二.取冰为系统闭口系,方法三,方法四在大气与冰块之间设一可逆卡诺机，利用卡诺机排热化冰。,例一刚性绝热容器用隔板分成两部分，V右3V左。左侧有1kg空气，p11MPa，T1330K，右侧为真空。抽去隔板，系统恢复平衡后，求过程作功能力损失。（T0293K，p00.1MPa）,解,自由膨胀中没有输出功，为什么,,,例某人提出了一个利用温度为600℃，压力为0.1MPa的废气资源发电的方案，方案称若废气流量为每小时200kg，可发电14.59kW，问此方案是否可行（设p00.1MPa，t020℃，废气定压比热容cp1.01kJ/kgK）,解分析为充分利用废气的热能，设废气定压放热到环境温度。在废气和环境大气之间放置可逆热机，其可能的最佳循环为图示。1到2为热机可逆等压吸热废气放热为2到1，3到1为热机等温放热。,废气热量,因实际过程必存在不可逆性，所以此方案不可能实现,方法1循环1231是多热源循环，先求,取废气和大气为系统，则,表明废气最充分利用仅有14.59kW，若机器全部可逆方案可实现，但由于必存在不可逆性，因此方案不可实现,方法2,方法3根据焓佣的概念废气的焓佣即为可以从废气得到的最大有用功。,由于存在不可逆性实际机器W不可逆过程,相同初态s1相同,判断题（3）,若工质从同一初态出发，一个可逆绝热过程与一个不可逆绝热过程，能否达到相同终点,,可逆绝热,不可逆绝热,,,p1,p2,,1,,,2,2’,判断题（4）,理想气体绝热自由膨胀，熵变,典型的不可逆过程,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,真空,,例有三个热容cm相同的刚性物体组成一个系统，其温度分别为TA300K,TB350K,TC400K,若要使其中一个物体温度升高，另外两个物体达到相同温度，问该物体能上升的最高温度并说明使三个物体中任何一个物体温度上升，其最高温度相同。,解设C上升最高温度为Tmax,A和B温度下降到T’,热一律，热平衡,热二律,取孤立系,热一律,热二律,,例设有一个能同时产生冷空气和热空气的装置，参数如图所示，判断此装置是否可能如果不可能，在维持各处原摩尔数和t0不变的情况下，改变哪一个参数就能实现。,,,,,a,2kmol1atm,25℃,b,1kmol1atm,1kmol1atm,-15℃,60℃,c,热二律,,,,,a,2kmol1atm,25℃,b,1kmol1atm,1kmol1atm,-15℃,60℃,c,,,,不可能,,,,,a,2kmol1atm,25℃,b,1kmol1atm,1kmol1atm,-15℃,60℃,c,,热一律,向环境放热,若吸热，无热源，不可能,,,Q,,,,,a,2kmol1atm,25℃,b,1kmol1atm,1kmol1atm,-15℃,60℃,c,,,Q,不可能,注意热一律与热二律同时满足孤立系选取,,,,,a,2kmolpa,b,1kmolpb,1kmolpc,c,,Q,Ta,Tc,Tb,热一律,1当TaTbTc不变,,,真空不易实现,√,1当papbpc不变,TbTc不变,Ta,,1.026atm,√,