04-热力学第二定律演示图108

1第四章第四章过程的方向性过程的方向性——热力学第二定律热力学第二定律44--11自然过程的方向性自然过程的方向性44--22热力学第二定律热力学第二定律──孤立系的熵增原理孤立系的熵增原理44--33卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理44--55有效能及有效能分析有效能及有效能分析44--44克劳修斯不等式克劳修斯不等式１、热１、热——功转换的方向性功转换的方向性热功转换模拟图第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--11热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务----自然过程的方向性自然过程的方向性232.2.热量传递的方向性热量传递的方向性热量传递的方向性图A物体B物体AQBQABTT第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--11自然过程的方向性自然过程的方向性ABQQ=4真空3.3.压力传播的方向性压力传播的方向性自由膨胀过程模拟图第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--11自然过程的方向性自然过程的方向性——热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务4.4.混合混合((扩散扩散))与分离过程的方向性与分离过程的方向性第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--11自然过程的方向性自然过程的方向性--热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务5自然过程的方向性第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--11自然过程的方向性自然过程的方向性--热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务上述诸现象说明自然过程具有上述诸现象说明自然过程具有方向性方向性，，即只能自发地向一定的方向进行，如果要逆即只能自发地向一定的方向进行，如果要逆向进行，就必须付出代价，或者说具备一定向进行，就必须付出代价，或者说具备一定的补充条件，即自然过程是不可逆的。的补充条件，即自然过程是不可逆的。机械能机械能热能热能自发过程自发过程①①能量转换能量转换高温物体热能高温物体热能低温物体热能低温物体热能自发过程自发过程②②热量传递热量传递…自然过程的方向性第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--11自然过程的方向性自然过程的方向性--热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务机械能机械能热能热能自发过程自发过程①①能量转换能量转换高温物体高温物体低温物体低温物体自发过程自发过程②②热量传递热量传递非自发过程非自发过程研究能量传递和转换的方向、条件和限度。研究能量传递和转换的方向、条件和限度。非自发过程非自发过程热力学第二定律的任务热力学第二定律的任务6循循环环——工质从某一状态出发经一系工质从某一状态出发经一系列状态变化又回到初始状态列状态变化又回到初始状态称工质经历了一个循环。称工质经历了一个循环。循环的分类循环的分类{正向循环正向循环————热机循环热机循环逆向循环逆向循环————制冷循环制冷循环复复习习第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律正向循环正向循环11--aa--22--bb--11逆向循环逆向循环11--bb--22--aa--11正向循环净功正向循环净功==面积面积11aa22dcdc11——面积面积11bb22dcdc1010逆向循环净功逆向循环净功==面积面积22aa11cdcd22——面积面积11bb22dcdc1010vpvp12abcd+12abcd—第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律7pvpv1212abab可逆循环不可逆循环cdcd可逆循环及不可逆循环在p-v图上的表示第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律蒸汽动力循环装置流程简图热机冷却水80W高温热源T1低温热源T2热机1Q2Q1Q2Q0W能量方程能量方程120QQW=+012WQQ=−应用于热机的能量方程应用于热机的能量方程应用于热机的能量平衡模拟图和能量方程第三节第三节热力学第二定律热力学第二定律能量方程能量方程120QQW=+012WQQ=−评价热机循环的经济性能指标评价热机循环的经济性能指标————循环热效率循环热效率循环热效率循环热效率==循环吸热量循环吸热量循环净功循环净功01221111tWQQQQQQη−===−01221111twqqqqqqη−===−或或热效率定义式热效率定义式表达式表达式循环热效率定义式第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律944--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式1.1.热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述开尔文表述：不可能从单一热源取热，使之完全开尔文表述：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不引起其它变化。变为有用功而不引起其它变化。克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传至高克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。温物体而不引起其它变化。热力学第二定律的表述第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律2.2.热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式──熵方程熵方程１１))熵熵的的计算计算①①工质总熵与比熵之间的关系工质总熵与比熵之间的关系Sms=②②任何物系的熵变量任何物系的熵变量物系物系定温吸热定温吸热;QST∆=QSTδ∆=∫物系定温放热物系定温放热QST∆=−例：第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式③③复合系统的熵变量复合系统的熵变量1niiSS=∆=∆∑10第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律２２))熵的组成熵的组成rrrqduwTdsduwδδδ=+→→=+qduwduqwδδδδ=+→=−可可逆逆过过程程不可逆过程不可逆过程()rrrTdsduwqwwqwwδδδδδδδ=+=−+=+−()lrfgwqwwqdsssTTTδδδδδδδ+−==+=+称称fqsTδδ=lgwsTδδ=为熵为熵流，熵流可正可负；流，熵流可正可负；为熵为熵产，熵产永为正。产，熵产永为正。44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式强调强调::TT是热源的温度是热源的温度说明：说明：lfgwqdsssTTδδδδ=+=+工质熵的变化量由两部分组成，工质从外界吸热或向工质熵的变化量由两部分组成，工质从外界吸热或向外界放热将引起熵流的产生，熵流可正可负，绝热时外界放热将引起熵流的产生，熵流可正可负，绝热时熵流为零；过程的不可逆性将引起熵产，熵产总是正熵流为零；过程的不可逆性将引起熵产，熵产总是正的，极限时为零。由此可知，可逆的绝热过程是定熵的，极限时为零。由此可知，可逆的绝热过程是定熵过程。即过程。即::绝绝热热时时0,lfgwsdssTδδδ===可逆绝热时可逆绝热时0,0,0fgssdsδδ==→→=续30第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式强调强调:T:T是是热源的温度热源的温度113.3.熵方程熵方程fSδgSδsysdS11smδ22smδ任意系统的熵方程任意系统的熵方程1122fgsyssmsssmdsδδδδ++−=第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式1)1)闭口系统的熵方程闭口系统的熵方程表明闭口系统内工质熵的变化由两部分组成：①系统与外界有热量交换引起的熵流Sf；②过程的不可逆性引起的熵产Sg。fSδgSδsysdSfgsysssdsδδ+=或或fgsyssss+=∆闭口系统的熵方程第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式122)2)开口系稳定流动的熵方程开口系稳定流动的熵方程fSδgSδ0sysdS=120fgsmsssmδδδδ++−=11smδ22smδ120fgsmSSsm++−=21fgSSSS−=+表明工质流经开口系统时引起熵的变化的原因有两个：表明工质流经开口系统时引起熵的变化的原因有两个：①①系统与外界有热量交换引起的熵流系统与外界有热量交换引起的熵流SSff；；②②过程的不可逆性引起的熵产过程的不可逆性引起的熵产SSgg。。开口系稳定流动的熵方程第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式4.4.熵增原理熵增原理isosysgdSdSSδ==而熵δSg产总是正的，则0isodS≥或0isoS∆≥gSδsysdS对于孤立系对于孤立系0isodS≥称为孤立系统的熵增原理。有熵方程或0isoS∆≥孤立系统内部进行的一切实际过程都是朝着熵增加的方向进行，极限情况维持不变。任何使孤立系统熵减小的过程都是不可能实现的。第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式130isoS∆=0isoS∆表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。0isoS∆使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的。使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的。0isodS≥或或0isoS∆≥孤立系统的熵增原理。孤立系统的熵增原理。续35第四章第四章热力学第二定律热力学第二定律44--22热力学第二定律热力学第二定律──热力学第二定律表达式热力学第二定律表达式例例11用熵增原理证明：热量不可能自动地不付代价地从低用熵增原理证明：热量不可能自动地不付代价地从低温物体传向高温物体。温物体传向高温物体。证明证明假定热量能够自动地、不付代价地从低温物体传假定热量能够自动地、不付代价地从低温物体传向高温物体，如图所示。向高温物体，如图所示。TT11TT22QQ由两热源组成的孤立系统，其熵变量为由两热源组成的孤立系统，其熵变量为1212isoQQSSSTT−∆=∆+∆=+1221120isoTTQQSQTTTT⎛⎞−∆=−−=−⎜⎟⎝⎠12TT0isoS∆违背熵增原理，表明原假定是错误的。违背熵增原理，表明原假定是错误的。例题Ⅰ热量传递的自然方向只能是从高温物体传向低温物体14解解热源的熵变量热源的熵变量600020kJ/K300ryQST−∆===−由热源和闭口系统组成一孤立系，此孤立系统的熵变量由热源和闭口系统组成一孤立系，此孤立系统的熵变量25(20)5kJ/K0isomrySSS∆=∆+∆=+−=表明此过程是一不可逆过程。表明此过程是一不可逆过程。例题Ⅲ由于过程的不可逆性引起的熵产是多少由于过程的不可逆性引起的熵产是多少??600020kJ/K300fQST===熵流熵流因工质的熵变量因工质的熵变量fgSSS∆=+所以熵产所以熵产25205kJ/KgfSSS=∆−=−=例例33闭系中某一过程，其熵变化量为闭系中某一过程，其熵变化量为25kJ/K25kJ/K，，此过程中系统此过程中系统从热源（从热源（300K300K））得到热量得到热量6000kJ,6000kJ,问此过程是可逆、不可问此过程是可逆、不可逆或不可能？逆或不可能？凉水凉水20kg20kg、、2020℃℃312HHH=+例题Ⅲ例例44--11热水热水20kg20kg、、8080℃℃电电加热加热凉水凉水40kg40kg、、2020℃℃混合水混合水60kg60kg、、tt℃℃求求::混合后的温度和熵产混合后的温度和熵产解解11）混合后的温度）混合后的温度由能量方程由能量方程()121122pppmmctmctmct+=+得得11221220804020402040mtmttmm+×+×===++℃℃22）混合过程造成的熵产）混合过程造成的熵产（见（见P84P84））(P84)(P84)15例例44--22见见P85P85空气空气t1=200℃℃,,p1=0.12MPa0.12MPat2=80℃℃,,p2=0.11MPa0.11MPa空气空气t1'=15℃℃,,p1'=0.21MPa0.21MPa水