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1、1,熱力學(xué)第二定律 The second law of thermodynamics,,,2,,,3,一、自發(fā)過程的方向性,,,,,,自發(fā)過程：不需要任何外界作用 而自動進(jìn)行的過程。,熱量由高溫物體傳向低溫物體 摩擦生熱 水自動地由高處向低處流動 電流自動地由高電勢流向低電勢,4,歸納：1）自發(fā)過程有方向性； 2）自發(fā)過程的反方向過程并非不可進(jìn)行，而是 要有附加條件； 3）并非所有不違反第一定律的過程均可進(jìn)行。,能量轉(zhuǎn)換方向性的實(shí)質(zhì)是能質(zhì)有差異,能質(zhì)降低的過程可自發(fā)進(jìn)行，反之需一定條件補(bǔ)償過程,,,,,5,二、第二定律的兩種典型表述,1.克勞修斯敘述熱量不可能自發(fā)地不花代
2、價(jià)地從低溫 物體傳向高溫物體。 2.開爾文-普朗克敘述不可能制造循環(huán)熱機(jī)，只從一 個(gè)熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而 不在外界留下任何影響。,,,,,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,6,證明1、違反克表述導(dǎo)致違反開表述,WA = Q1 - Q2,反證法：假定違反克表述 Q2熱量無償從冷源送到熱源,假定熱機(jī)A從熱源吸熱Q1,冷源無變化,從熱源吸收Q1-Q2全變成功WA,違反開表述,A,,,Q2,Q2,WA,Q1,,,,Q2,,對外作功WA,對冷源放熱Q2,7,證明2、違反開表述導(dǎo)致違反克
3、表述,Q1 = WA + Q2,反證法：假定違反開表述 熱機(jī)A從單熱源吸熱全部作功,Q1 = WA,用熱機(jī)A帶動可逆制冷機(jī)B,取絕對值,WA = Q1,Q1 -Q1 = Q2,違反克表述,A,,,B,,,,,Q2,Q1,WA,Q1,,8,熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì), 自發(fā)過程都具有方向性 若想逆向進(jìn)行，必付出代價(jià)，須補(bǔ)償自 發(fā)過程 表述之間等價(jià)不是偶然，說明共同本質(zhì) 可以用能量貶值原理把兩種表述統(tǒng)一起來：所有自發(fā)過程都是程度不同的不可逆過程，都伴有能量的降級,9,,卡諾循環(huán)和卡諾定理,一、卡諾循環(huán)及其熱效率 1. 卡諾循環(huán),是兩個(gè)熱源的可逆循環(huán),,,,,,10,卡諾循環(huán)熱機(jī)效率,卡諾循環(huán)
4、熱機(jī)效率,Rc,,,,,q1,q2,w,11,討論：,2）,3）,第二類永動機(jī)不可能制成。,4）實(shí)際循環(huán)不可能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因： a）一切過程不可逆； b）氣體實(shí)施等溫吸熱，等溫放熱困難； c）氣體卡諾循環(huán)wnet太小，若考慮摩擦， 輸出凈功極微。,5）卡諾循環(huán)指明了一切熱機(jī)提高熱 效率的方向。,1）,即,循環(huán)凈功小于吸熱量，必有放熱q2。,,,,,12,二、逆向卡諾循環(huán),制冷系數(shù)：,Tc,T-Tc ,,,,,,,13,供暖系數(shù)：,TR,TR-T0 ,,,,,,,14,三、卡諾定理 定理1：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩?/p>
5、 之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相 等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪種 工質(zhì)也無關(guān)。 定理2：在同為溫度T1的熱源和同為溫度T2的冷源 間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小 于可逆循環(huán)熱效率。 理論意義： 1）提高熱機(jī)效率的途徑：可逆、提高T1，降低T2； 2）提高熱機(jī)效率的極限。,,,,,15,卡諾定理1證明 反證法：,設(shè)有任意的可逆熱機(jī)A和可逆熱機(jī)B,A=WA/Q1,B= WB/Q1,把B逆轉(zhuǎn),Q2B,假設(shè)A大于B：則WA大于WB,違反開表述，單熱源熱機(jī),16,卡諾定理2證明：,,,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,,,,
6、,WR,,,,,,,17,卡諾定理的意義,從理論上確定了通過熱機(jī)循環(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。 對熱力學(xué)第二定律的建立具有 重大意義。,18,熵一、克勞修斯積分等式,任意的可逆循環(huán),19,,克勞修斯等式,20,二、克勞修斯積分不等式,將循環(huán)用無數(shù)組 s 線細(xì)分，則必存在某個(gè)微元循環(huán)是不可逆的,,任意的不可逆循環(huán),,熱源溫度,21,,系統(tǒng)的熵變在可逆時(shí)等于克勞修斯積分，不可逆時(shí)大于克勞修斯積分,熱二律表達(dá)式,22,可逆: 可逆過程中對工質(zhì)加入的熱量 工質(zhì)的溫度(熱源溫度),不可逆: 不可逆過程中對工質(zhì)加入的熱量 熱源溫
7、度,23,三、熵的物理意義,定義：熵,熱源溫度=工質(zhì)溫度,比熵,,,,,,熵變表示可逆過程中熱交換的方向和大小,熵的物理意義,,可逆,24,熵是狀態(tài)量,可逆循環(huán),熵變與路徑無關(guān),只與初終態(tài)有關(guān),25,不可逆過程S與傳熱量的關(guān)系,任意不可逆循環(huán),12,12,26,除了傳熱,還有其它因素影響熵,不可逆因素會引起熵變化,總是熵增,四、不可逆絕熱過程中熵變的分析：1、可逆絕熱過程：,定熵過程,2、不可逆絕熱過程：,兩過程在T-S圖上的表示,27,五、不可逆過程中熵的產(chǎn)生（熵產(chǎn)）： 氣缸中工質(zhì)進(jìn)行一微元的不可逆過程，向外界吸熱Q,對外作功W,內(nèi)能變化dU,熵的變化dS : Q = dU + W,為了
8、計(jì)算熵變dS,可安排一微元可逆過程,初、終狀態(tài)相同，工質(zhì)溫度為T，則： dU、 dS、 QR、 WR,28,熵產(chǎn),熵流,29,定義,熵產(chǎn)：純焠由不可逆因素引起,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,可作為熵的一般定義式,由傳熱而引起,,30,孤立系統(tǒng)熵增原理,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)式之一,31,孤立系熵增原理舉例(1),傳熱：兩恒溫?zé)嵩粗g,Q,,用克勞修斯不等式,用,用,用,沒有循環(huán),不好用,不知道,,
9、32,孤立系熵增原理舉例(1),Q,,取熱源T1和T2為孤立系：假設(shè)1向2傳熱,,當(dāng)T1T2,可自發(fā)傳熱,當(dāng)T1
10、,36,能量的可用性,,37,,,38,,無限：如機(jī)械能和電能，全部是 有限：溫度不等于環(huán)境的物質(zhì)的熱力學(xué)能和熱源傳遞的熱量，一部分 ，一部分 非轉(zhuǎn)換能：環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能，全部為,火無,火無,39,,火無,火無,火無,火無,火無,火無,40,,,火無,41,,,42,,火無,43,評價(jià)發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性的方法主要有兩種,熱量法（效率法、熱平衡法）：以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ) 熱量法是從能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量來評價(jià)其效果的，即以熱效率或熱損失的大小對發(fā)電廠或熱力設(shè)備的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價(jià)，一般用于發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性的定量分析。 作功能力分析法（熵方法 火用方法）：以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ) 熵分析法或火用分析法是以燃料化學(xué)能的做功能力被利用的程度來評價(jià)發(fā)電廠的熱經(jīng)濟(jì)性，一般用于發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性定性分析，以便從本質(zhì)上指導(dǎo)技術(shù)改進(jìn)方向。,44,,45,,火無,46,冷量低于環(huán)境溫度傳遞的熱量。,整理,,,,,47,火無,火無,48,,49,50,焓火用在T-s圖上表示,,,,,
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