工程热力学 课件 第五章 热力学第二定律

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1、第五章热力学第二定律5-1热力学第二定律自然过程的方向性功热转化：功可以自动转化为热，热不可能全部无条件地转化为功有限温差传热：热量总是自动地从高温物体传向低温物体自由膨胀：气体能够自动进行无阻膨胀混合过程：所有的混合过程都是不可逆过程，使混合物中各组分分离要花代价：耗功或耗热耗散效应和有限势差作用下的非准平衡变化是造成过程不可逆的两大因素自发过程：自然过程中凡是能够独立地、无条件自动进行的过程称为自发过程非自发过程：不能独立地自动进行而需要外界帮助作为补充条件的过程称为非自发过程不可逆是自发过程的重要

2、特征和属性热力学第二定律的表述热力学第二定律是阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律热力学第二定律的克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体热力学第二定律的开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机热力学第二定律还可以表述为：第二类永动机是不存在的5-2可逆循环分析及其热效率卡诺循环卡诺循环是工作于温度分别为T1和T2的两个热源之间的正向循环，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成循环热效率为对理想气体可逆定温过程a-

3、b、c-d得，d-a为绝热压缩；a-b为定温吸热；b-c为绝热膨胀；c-d为定温放热对于绝热过程b-c、d-a可写出，故整理得卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度T1、T2，提高T1降低T2，可以提高热效率卡诺循环的热效率只能小于1，不可能等于1或大于1。循环发动机即使在理想情况下也不可能将热能全部转化为机械能当T1=T2时，循环热效率ηc=0。热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，借助单一热源连续作功的机器是制造不出的卡诺循环及其热效率公式奠定了热力学第二定律的理论基础，为提高各种热动

4、力机热效率指出了方向选用以气体为工质的卡诺循环的困难在于受设备限制及气体定温过程不易实现概括性卡诺循环概括性卡诺循环是工作于两个恒温热源间的极限回热循环，由两个可逆定温过程和两个同类型的其它可逆过程组成概括性卡诺循环的热效率与卡诺循环相同回热：利用工质排出的部分热量来加热工质本身的方法称为回热，是提高热效率的有效方法逆向卡诺循环逆向卡诺循环：按与卡诺循环相同的路线而循反方向进行的循环即逆向卡诺循环逆向卡诺制冷循环的制冷系数为逆向卡诺热泵循环的供暖系数为对于制冷循环，环境温度T1低，冷库温度T2高，则制冷

5、系数大；对于热泵循环，环境温度T2高，室内温度T1低，则供暖系数大，且ε'总大于1多热源的可逆循环热源多于两个的可逆循环，其热效率低于同温限间工作的卡诺循环工作在T1=Th、T2=Tl下的多热源可逆循环的热效率卡诺循环的热效率由于q1'q2，所以ηt<ηc引入平均温度概念也可得到相同结论T-s图上的热量以当量矩形面积代替时的矩形高度即平均温度由于，，所以ηt<ηc工作于两个热源间的一切可逆循环（包括卡诺循环）的热效率高于相同温限间多热源的可逆循环5-3卡诺定理定理一在相同温度的高温热源和

6、相同温度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，与采用哪一种工质也无关证明过程：设有两台可逆机A和B，在相同的高温热源T1和低温热源T2间工作，吸热量同为Q1，循环净功分别为，热效率分别为，若假定ηA>ηB，令B反向运行，可得循环总效果相当于取出低温热源的热量(Q2B-Q2A)转化为功(WA-WB)，违反热力学第二定律的开尔文说法若假定ηB>ηA，也可得类似结论因此定理二在温度同为T1的热源和温度同为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证明过程：设A为

7、不可逆机，B是可逆机，令A正向循环带动B逆向循环若ηA'>ηB，得出的结论违反热力学第二定律若ηA'=ηB，得出的结论与A是不可逆机的假设矛盾因此，ηA'<ηB有关热效率的重要结论在两个热源间工作的一切可逆循环热效率都相同，与工质性质无关，只决定于热源和冷源的温度，热效率温度界限相同，但具有两个以上热源的可逆循环，其热效率低于卡诺循环不可逆循环的热效率必定小于同样条件下的可逆循环5-4熵参数、热过程方向的判据状态参数熵的导出克劳修斯积分等式用一组可逆绝热线将一个任意工质进行的任意可逆循环分割成无穷多个微

8、元循环，每个小循环都是微元卡诺循环，热效率为即采用代数值得对全部微元卡诺循环积分求和得改写为即或任意工质经任一可逆循环，微小量沿循环的积分为零状态参数熵δQrev为可逆过程的换热量，Tr为热源温度，由于过程可逆，Tr也等于工质温度T1kg工质的比熵变由于所以故热力学第二定律的数学表达式克劳修斯积分不等式用一组可逆绝热线将一个不可逆循环分割成无穷多个微元循环，其中部分为微元卡诺循环，部分为微元不可逆循环，不可逆循环的热效率故可推得工质经过任意