热工基础A第四章(热力学第二定律)西南交大载运课件.ppt

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1、第四章热力学第二定律一、本章要点热力学第二定律的实质；循环的经济性指标；卡诺循环、卡诺定理及其意义；熵流和熵产的概念；熵方程；孤立系统熵增原理；做功能力和做功能力损失的概念及其计算。二、学习目标深刻理解热力学第二定律的实质，认识能量不仅有“数量”的多少，而且还有“品质”的高低；掌握不同循环经济性指标的定义及特点；理解卡诺循环、卡诺定理的意义，了解提高循环经济性的方法；掌握熵流、熵产和熵的定义、计算和应用；掌握孤立系统和绝热系统熵增的计算；了解做功能力和做功能力损失的概念，掌握利用熵产计算做功能力损失的方法。第一节热力学第二定

2、律的实质及表述热力学第一定律的实质是能量在转换过程中数量守恒。没有涉及能量的品位和在转换过程中的方向、条件、限度问题.实际上:1、能量有品质的高低◆电能、机械能，几乎可100%地转换成任何其它形式的能量，称为无限可转换能；◆高于环境的势能（热能、重力势能、压力势能等）只能部分地转换为机械能，而且势能所处的势越高，可转换的份额就越大，这部分势能称为有限可转换能；◆与环境同势的能为不可转换能。一、热力学第二定律的实质2.能量转换过程中“质”不守恒自发过程：无需任何外力作用就可自动进行的过程。自发过程只能朝着能量品质不变或降低的方

3、向进行，而绝不能朝着能量品质升高的方向进行。例如：电能或机械能转变为热能（耗散效应）；高温物体向低温物体传热（势差损失）；自由膨胀、重物下落（势差损失）；浓度扩散（浓度势差）等都是自发过程。非自发过程:使能量品质升高，不能自发进行的过程.包括:所有自发过程的逆过程∴一切自发过程都是不可逆的。3.非自发过程的进行需要一定的条件非自发过程必须以某种补偿过程为条件才能进行，该补偿过程是使能量品质降低的自发过程，从而保证整个过程中能量的品质不会升高。例如：热能变为机械能(热力发动机)必须损失一部分热能(高温向低温传热)的自发过程作为

4、补偿；低温物体向高温物体传热（制冷机）必须消耗外功(功变热)的自发过程作为补偿。补偿量越少，越经济。∴研究减少补偿量是本课的宗旨而可逆过程所需的补偿量是最小补偿量。因此,我们的任务就是要想尽一切办法减少热力过程中的不可逆因素.综上所述,热力学第二定律说明在热过程中不仅要考虑能量的数量，而且还要考虑能量的品质。只有同时遵循热力学第一、第二定律的过程才有可能发生和进行。热力学第二定律的实质：从能量品质的角度说明了热力过程进行的方向、条件以及进行的限度（最高极限）。热力学第二定律的表述有很多种，各种表述虽形式不同，但本质相同,是等

5、效的。而且是可以相互证明的.两种常见的表述：1.克劳修斯说法：热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体（代价就是要消耗外功---用热变功的自发过程补偿）。二、热力学第二定律的表述2.开尔文－普朗克说法：不可能从单一热源吸热，并使之连续不断地全部转化为有用功,而不留下任何变化（“变化”就是动力循环需向环境放热---用高温向低温传热的自发过程补偿）。实质：揭示传热和热转换为功过程的不可逆性。一、热力循环封闭的热力过程称为循环,循环分正循环和逆循环。1.正循环（动力循环）——沿顺时针方向进行第二节卡诺循环和卡诺定理由

6、热力学第一定律：（q1、q2均取绝对值）循环有效性指标（所得／代价）：热效率:＜1此式适用于任意过程2.逆循环（制冷或热泵循环）——沿逆时针方向进行由热Ⅰ：w0=q2－q1（q2为吸热量，q1为放热量均取绝对值）∵q1＞q2∴w0的值为负，说明循环消耗外功。循环有效性指标（适用于任意循环）：制冷系数(制冷机)供热系数(热泵)w1w2=w1-w21.卡诺循环二、卡诺循环与卡诺定理⑴研究目的:回答限度,找↑循环有效性的途径⑵条件:两个恒温热源间⑶组成:两个可逆等温+两个可逆绝热过程(工质与热源温度相等,实现无温差传热)⑷唯一性:

7、为消除一切不可逆因素----传热就不能有温差(等温)有温差就不能传热(绝热)⑹卡诺逆循环的有效性指标供热系数:⑸卡诺循环的有效性指标热效率：制冷系数:⑺讨论：①只取决于T1、T2.T1↑或T2↓→↑，但T1受材料和燃烧效率的限制，T2受环境条件的限制；④与工质的性质无关。②∵T1<，T2>0，∴；③T2＝T1时，；故热不能全部变为功,吸入热量分为两部分:有用部分----(1-T2/T1)q称为热量的作功能力(热量火用)无用部分----(T2/T1)q称为无用能(热量火无)T1↑,热量品位↑,有用能↑,无用能↓说明单一热源不

8、能连续作功⑤要作功必须排给冷源q2,说明必须有自发过程作补偿2.卡诺定理定理一：在两个恒温热源T1、T2间工作的所有可逆热机，则有:……定理二：在两个恒温热源T1、T2间工作的所有可逆热机，若A为任何热机（可逆或不可逆），B为可逆热机，则有≯定理二证明思路：利用反证法证明。(参考p65)3