工程热力学课件：第5章 热力学第二定律2

第五章热力学第二定律The second law of thermodynamics 循环热效率的几点结论：在两个热源间工作的一切可逆循环，它们的热效率都相同，与工质的性质无关，只决定于热源和冷源的温度，热效率3不可逆循环的热效率必然低于同样条件下的可逆循环。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。循环能否实现是否可逆 §5–3熵和热力学第二定律的数学表达式一.熵是状态参数于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中S从1865年起称为entropy，由清华刘仙洲教授译成为“熵”。小知识 41.熵参数的导出 令分割循环的可逆绝热线无穷大，且任意两线间距离0则 讨论：1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；2）因s是状态参数，故Δs12=s2-s1与过程无关；--克劳修斯积分等式，（Tr–热源温度） 二.克劳修斯积分不等式用一组等熵线分割循环可逆小循环不可逆小循环可逆小循环部分： 不可逆小循环部分： 可逆部分+不可逆部分可逆“=”不可逆“<”注意：1）Tr是热源温度2）工质循环，故q的符号以工质考虑。3）判断循环过程是否可逆的热力学第二定律表达式结合克氏等式，有 例：某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，如图，试判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?解： 不可能设为制冷循环：符合克氏不等式，所以是不可逆制冷循环方法1：设为热机循环 方法2：设为热机循环设为制冷循环 注意：1）任何循环（可逆，不可逆；正向，反向）第一定律都适用。故判断过程方向时仅有第一定律是不够的；2）热量、功的“+”、“-”均基于系统，故取系统不同可有正负差别； 三.不可逆过程熵的变化判断微元过程是否可逆的热力学第二定律表达式 **所以可逆“=”不可逆，不等号第二定律数学表达式讨论：1)违反上述任一表达式就可导出违反第二定律2）热力学第二定律数学表达式给出了热过程的方向判据微元过程是否可逆热力过程是否可逆循环过程是否可逆 四.不可逆过程熵差计算即设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。 五闭口系熵方程其中吸热“+”放热“–”系统与外界换热造成系统熵的变化。 18sg—熵产，非负不可逆“+”可逆 “0”系统进行不可逆过程造成系统熵的增加例：若TA=TB，可逆，取A为系统 取B为系统， 若TA>TB，不可逆，取A为系统所以，单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。 例：气缸内储有1kg空气，分别经可逆等温及不可逆等温，由初态P1=0.1MPa，t1=27℃压缩到P2=0.2MPa，若不可逆等温压缩过程中耗功为可逆压缩的120%，确定两种过程中空气的熵增及过程的熵流及熵产。（空气取定比热，t0=27℃）解：可逆等温压缩 不可逆等温压缩：由于初终态与可逆等温压缩相同 例：1kgp=0.1MPa，t1=20°c的水定压加热到90℃，若热源R温度Tr恒为500K，环境温度T0=293K，求：1）水的熵变2）分别以水和热源R为系统求此加热过程的熵流和熵产解：1）定压加热 2）取水为系统—取热源R为系统—闭口系闭口系 所以，传热过程的熵产可任取吸、放热物体为系统计算。 试判断下列各情况的熵变是：a）正；b）负；c）可正可负；d）其他1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变。“-”2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变。“-”or”+” 可逆，“=”不可逆“>”孤立系统熵增原理：孤立系统的熵可以增加（不可逆）或保持不变（可逆），但不可能减少。***§5–4孤立系统熵增原理与做功能力损失闭口绝热系过程 讨论：1）孤立系统熵增原理ΔSiso=Sg≥0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判判别过程进行的方向，总是朝着使系统总熵增大的方向进行； 6）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是ΔSiso>0。例4）热过程进行的限度：孤立系统的总熵达到最大值，平衡状态5）热过程进行的条件：如果某一个过程的进行会导致孤立系统中各个物体的熵同时减小，或虽然各有增减但其总和使系统的熵减小，则这种过程不能单独进行，除非有熵增大的过程作为补偿，使孤立系的总熵增大，至少保持不变。 R “=”IR”>”所以，不可逆使孤立系熵增大造成后果是 机械能（功）减少a)热能机械能 b)R”=“IR”>”若不可逆，TA>TB,，以A为热源B为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大这里也意味这机械能损失。 c)机械功（或电能）转化为热能输入WsQ（=Ws），气体由T1上升到T2，v1=v2工质熵变外界ΔS外=0由于热能不可能100%转变成机械能而不留任何影响，故这里ΔSiso>0还是意味机械能损失。 二、孤立系统的熵产与系统作功能力（火用）损失完全可逆作功能力最大孤立系不可逆过程体系作功能力降低（火用损失）孤立系不可逆过程熵增大 环境温度T0一定时，孤立系统的火用损失（作功能力损失）与其熵增成正比G-S公式孤立系开口系统闭口系统* 例：利用孤立系统熵增原理证明下述循环发动机是不可能制成的:它从167℃的热源吸热1000kJ向7℃的冷源放热568kJ，输出循环净功432kJ。证明：取热机、热源、冷源组成闭口绝热系所以该热机是不可能制成的 可逆“=”不可逆，不等号第二定律数学表达式微元过程是否可逆热力过程是否可逆循环过程是否可逆孤立系统熵增原理卡诺定理判断循环 例：1000kg0°c的冰在20℃的大气中融化成0℃的水，求过程中作功能力损失。（已知冰的融化热γ=335kJ/kg）解：方法一取冰、大气为系统—孤立系统 方法二.取冰为系统—闭口系 例：一刚性绝热容器用隔板分成两部分，V右=3V左。左侧有1kg空气，p1=1MPa，T1=330K，右侧为真空。抽去隔板，系统恢复平衡后，求过程作功能力损失。（T0=293K，p0=0.1MPa）解：