热工基础 第7章 热力学第二定律new

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1、2013/5/3第7章热力学第二定律本章重点与难点Á热力学第二定律的表述与实质；7.1热力学第二定律的实质和表述Á卡诺循环及其热效率；7.2卡诺循环与卡诺定理Á卡诺定理及其推论；Á克劳修斯不等式；7.3孤立系统熵增原理Á孤立系统熵增原理；Á熵流与熵产。7.1热力学第二定律的实质和表述Á热力学第一定律—能量守恒转换定律。不违背第一定律的过程是否都能自发地实现？？一、热力过程的方向性1、自发过程ò如对一杯热水热量：水→空气（自发过程）——不需要任何外界作用而自动进行的过程。将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使水加热吗？？•如运动的机械

2、摩擦生热:功量→热量（自发过程）如：ò热量由高温物体传向低温物体；将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使机械重新运动吗？？ò摩擦生热（功热）；功量→热量（无条件，100%），热量→功量（≠100%）ò水自动地由高处向低处流动；•所以：过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的。ò电流自动地由高电势流向低电势；•热力学第二定律的任务：判断进行的方向、条件、限度。上述逆过程不能无代价自动进行，自发过程都具有方向性。2、自发过程的方向性3、自发过程的不可逆性摩擦生热¾逆过程无法自发进行，便是其不可逆性。功量热量100%¾如果进行逆过程，必须

3、付出一定代价才能使该逆发电厂过程进行下去。功量热量40%放热自发过程具有方向性、条件、限度12013/5/3二、热力学第二定律的表述热二律的表述有60~70种热功转换传热1851年1850年开尔文、普朗克表述克劳修斯表述-WilliamThomson,MaxKarlErnst-RudolfJuliusKelvin,PlanckClausius1stBaronKelvinLudwigPlanckEmanuelClausius热功转换的角度热量传递的角度1824-19071858-19471822-18881、开尔文－普朗克表述（热功转

4、换）三、热力学第二定律的实质——不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。如：火电厂动力循环，效率小于50%。•自发过程都是具有方向性的2、克劳修斯表述（传热）•表述之间等价不是偶然，说明共同本质——不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。如：空调制冷代价：耗功。•若想逆向进行，必付出代价3、两种表述的等效性——违反一种表述，必违反另一种表述！如何证明？关于第二类永动机？热一律与热二律Á第二类永动机：从单一热源吸热并全部变为功的热机。即热效热一律否定第一类永动机率为100%的热机。Á无数实践证明，这类永

5、动机是不能实现的，反映能量数量特性ηt>100％不可能Á热力学第二定律也可表述为“第二类永动机是不可能制成的”。水面热二律否定第二类永动机耗功但违反了热蒸汽发电机这类永动机力学第二定律反映能量质量特性ηt=100％不可能制冷系统并不违反热力水学第一定律单热源热机22013/5/37.2卡诺循环与卡诺定理一、卡诺循环及其热效率既然ηt=100％不可能1、卡诺循环组成那么热机能达到的最高效率有多少？——工作于两个热源间的，由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的理想可逆循环。法国工程师卡诺(()S.Carnot)，1824年提出卡

6、卡循环诺循环¾1-2可逆定温吸热过程¾2-3可逆绝热膨胀过程1热二律奠基人¾3-4可逆定温放热过程2效率最高43¾4-1可逆绝热压缩过程TT〉122、卡诺循环的热效率T循环净功和净热为：1w=q=q−q=(T−T)(s−s)¾1-2可逆定温吸热过程：00121221q1q1=T1(s2-s1)循环热效率为：Rc¾2-3可逆绝热膨胀过程，对外作功w0wq−q(T−T)(s−s)T01212122qη====1−2¾3-4可逆定温放热过程：t,c()qqTs−sT111121q2=T2(s2-s1)T2¾4-1可逆绝热压缩过程，对内作功

7、T1为高温热源的温度，T2为低温热源（冷源）的温度。•卡诺循环的热效率只与两热源温度有关，而与工质性质无关。T0二、卡诺逆循环——卡诺制冷循环q1Tqq22Rc2ε==wη=−1Ct,Cwqq−T12q12Tss()−T2212==•T1ηt,c，T2ηc——温差越大，ηt,c越高TssTss()()−−−TT−T202122102T•T1=∝K,T2=0K——ηt,c<100%，热二律1=TT00−1Tε制冷•当T1=T2时，ηt,c=0——单热源热机不可能T0c2T2T2εcss1s232013/5/3T1三、卡诺逆循环——卡诺

8、制热循环说明：q1'qq11Rcε==w©制冷系数和供热系数只取决于高温热源和低温热源的温度，wqq−12q与工质无关。2Tss()−T==1211©提高T2，降低T1，可以使制冷系数和供热系数提高。TssTss()()−−−TT−T