工程熱力學(xué)教學(xué)課件5教學(xué)課件

1、第五章 熱力學(xué)第二定律本章知識(shí)點(diǎn)理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，卡諾循環(huán)，卡諾定理，孤立系統(tǒng)熵增原理，深刻理解熵的定義式及其物理意義。熟練應(yīng)用熵方程，計(jì)算任意過程熵的變化，以及作功能力損失的計(jì)算，了解火用、火無 的概念。本章重點(diǎn)（1）l深入理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，它的必要性。它揭示的是什么樣的規(guī)律；它的作用。2深入理解熵參數(shù)。為什么要引入熵。是在什么基礎(chǔ)上引出的。怎樣引出的。它有什么特點(diǎn)。3系統(tǒng)熵變的構(gòu)成，熵產(chǎn)的意義，熟練地掌握熵變的計(jì)算方法。本章重點(diǎn)（2）4深入理解熵增原理,并掌握其應(yīng)用。5深入理解能量的可用性，掌握作功能力損失的計(jì)算方法能量之間數(shù)量的關(guān)系熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律所有滿足

2、能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的過程是否都能自發(fā)進(jìn)行自發(fā)過程的方向性自發(fā)過程：不需要任何外界作用而自動(dòng)進(jìn) 行的過程。自然界自發(fā)過程都具有方向性 熱量由高溫物體傳向低溫物體 摩擦生熱 水自動(dòng)地由高處向低處流動(dòng) 電流自動(dòng)地由高電勢(shì)流向低電勢(shì)自發(fā)過程的方向性功量自發(fā)過程具有方向性、條件、限度摩擦生熱熱量100%熱量發(fā)電廠功量40%放熱 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)能不能找出共同的規(guī)律性?能不能找到一個(gè)判據(jù)? 自然界過程的方向性表現(xiàn)在不同的方面熱力學(xué)第二定律5-1 第二定律的表述與實(shí)質(zhì) 熱功轉(zhuǎn)換 傳 熱 熱二律的表述有 60-70 種 1851年 開爾文普朗克表述 熱功轉(zhuǎn)換的角度 1850年 克勞修斯表述 熱量傳遞的角度

3、開爾文普朗克表述 不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。 熱機(jī)不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而必須將某一部分傳給冷源。理想氣體 T 過程 q = w冷熱源:容量無限大，取、放熱其溫度不變 理想氣體 T 過程q = wT s p v 1 2 熱機(jī)：連續(xù)作功 構(gòu)成循環(huán)1 2 有吸熱，有放熱但違反了熱力學(xué)第二定律熱二律與第二類永動(dòng)機(jī)第二類永動(dòng)機(jī)：設(shè)想的從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)。這類永動(dòng)機(jī)并不違反熱力 學(xué)第一定律第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的環(huán)境是個(gè)大熱源第二類永動(dòng)機(jī)? 如果三峽水電站用降溫法發(fā)電，使水溫降低5C，發(fā)電能力可提高11.7倍。設(shè)水位差為18

4、0米重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能：mkg水降低5C放熱：克勞修斯表述 不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。 熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。空調(diào),制冷代價(jià)：耗功兩種表述的關(guān)系開爾文普朗克表述 完全等效!克勞修斯表述：違反一種表述,必違反另一種表述!5-2 卡諾循環(huán)與卡諾定理法國(guó)工程師卡諾 (S. Carnot)，1824年提出卡諾循環(huán)既然t =100不可能熱機(jī)能達(dá)到的最高效率有多少？熱二律奠基人效率最高S. 卡諾 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法國(guó)卡諾循環(huán)和卡諾定理,熱二律奠基人卡諾循環(huán) 理想可逆熱機(jī)循環(huán)卡諾循環(huán)示意圖4-1

5、絕熱壓縮過程，對(duì)內(nèi)作功1-2定溫吸熱過程， q1 = T1(s2-s1)2-3絕熱膨脹過程，對(duì)外作功3-4定溫放熱過程， q2 = T2(s2-s1)卡諾循環(huán)熱機(jī)效率卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rcq1q2w t,c只取決于恒溫?zé)嵩碩1和T2 而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)；卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的說明 T1 t,c , T2 c ，溫差越大，t,c越高 當(dāng)T1=T2， t,c = 0, 單熱源熱機(jī)不可能 T1 = K, T2 = 0 K, t,c tR2 tR2 tR1 WR2 只有： tR1 = tR2 tR1 = tR2= tC與工質(zhì)無關(guān)卡諾定理表達(dá)二 在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g的任何不可逆循環(huán)，其熱效率總小

6、于這兩個(gè)熱源間的可逆循環(huán)的效率。T1T2IRRQ1Q1Q2Q2W0 已證： tIR tR 只要證明 tIR = tR 反證法,假定：tIR = tR W0 = Q1 - Q2 = Q1 - Q2 工質(zhì)循環(huán)、冷熱源均恢復(fù)原狀，外界無痕跡，只有可逆才行，與原假定矛盾。 Q1- Q1 = Q2 - Q2= 0 WRW0 W0 / Q1 = W0 / Q1 卡諾定理小結(jié)1、在兩個(gè)不同 T 的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切 可逆熱機(jī) tR = tC 2、不可逆熱機(jī)tIR 同熱源間工作可逆熱機(jī)tR tIR tR= tC 在給定的溫度界限間工作的一切熱機(jī)， tC最高 熱機(jī)極限 卡諾定理的意義 從理論上確定了通過熱機(jī)循

7、環(huán)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的條件，指出了提高熱機(jī)熱效率的方向，是研究熱機(jī)性能不可缺少的準(zhǔn)繩。 對(duì)熱力學(xué)第二定律的建立具有重大意義?？ㄖZ定理舉例 A 熱機(jī)是否能實(shí)現(xiàn)1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能 如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能500 kJ5-3 狀態(tài)參數(shù)熵及熵方程熱二律推論之一 卡諾定理給出熱機(jī)的最高理想熱二律推論之二 克勞修斯不等式反映方向性 定義熵?zé)岫赏普撝?熵反映方向性克勞修斯不等式克勞修斯不等式的研究對(duì)象是循環(huán) 方向性的判據(jù)正循環(huán)逆循環(huán)可逆循環(huán)不可逆循環(huán) 克勞修斯不等式的推導(dǎo)微元可逆循環(huán)：熵的導(dǎo)出定義：熵于19世紀(jì)中葉克勞修斯(R.Cl

8、ausius)首先引入，式中S從1865年起稱為entropy，由清華劉仙洲教授譯成為“熵”。小知識(shí)克勞修斯不等式可逆過程， ， 代表某一狀態(tài)函數(shù)。=0 ,可逆循環(huán) 不可逆S與傳熱量的關(guān)系= 可逆不可逆：不可逆過程定義熵產(chǎn)：純粹由不可逆因素引起結(jié)論：熵產(chǎn)是過程不可逆性大小的度量。熵流：永遠(yuǎn)熱二律表達(dá)式之一熵流、熵產(chǎn)和熵變?nèi)我獠豢赡孢^程可逆過程不可逆絕熱過程可逆絕熱過程不易求熵變的計(jì)算方法理想氣體僅可逆過程適用Ts1234任何過程 5-4 孤立系統(tǒng)熵增原理與做功能力損失孤立系統(tǒng)無質(zhì)量交換結(jié)論：孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變， 絕不能減小，這一規(guī)律稱為孤立系統(tǒng) 熵增原理。無熱量交換無功量交換=：可逆過程：不可逆過程熱二律表達(dá)式之一閉口系開口系out(2)in(1)ScvQW穩(wěn)定流動(dòng)為什么用孤立系統(tǒng)？孤立系統(tǒng) = 非孤立系統(tǒng) + 相關(guān)外界=：可逆過程：不可逆過程最常用的熱二律表達(dá)式作功