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1、第五章 热力学第二定律,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒与转换定律,所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行,自发过程的方向性,自发过程：不需要任何外界作用而自动进 行的过程。,自然界自发过程都具有方向性,热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势,自发过程的方向性,功量,自发过程具有方向性、条件、限度,摩擦生热,热量,100%,热量,发电厂,功量,40%,放热,5-1热力学第二律的表述与实质,热功转换 传 热,热二律的表述有 60-70 种,1851年 开尔文普朗克表述 热功转换的角度,1850年 克劳修斯表述 热量传递的
2、角度,开尔文普朗克表述,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。,热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。,冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变,但违反了热力学第二定律,热力学第二律与第二类永动机,第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。,这类永动机并不违反热力 学第一定律,第二类永动机是不可能制造成功的,环境是个大热源,克劳修斯表述,不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。,空调,制冷,代价：耗功,两种表述的关系,开尔文普朗克表述,完全等效!,克劳修斯表述
3、：,违反一种表述,必违反另一种表述!,热二律的实质,自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 若想逆向进行，必付出代价,热一律否定第一类永动机,热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,?,热一律与热二律,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t=100不可能,5-2循环及热效率,热力循环,要实现连续作功，必须构成循环,定义：热力系统经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环。,不可逆循环,分类：,可逆,过程,不可逆,循环,可逆循环,正循环,p,V,T,S,净效应：对外作功,净效应：吸热,正循环：顺时针方向,2,1,1,2,逆循环,p,V,T,S,净效应
4、：对内作功,净效应：放热,逆循环：逆时针方向,2,1,1,2,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,过热器,发电厂蒸汽动力循环及p-v图,1,2,3,4,1,4,2,3,v,p,做功,加热,放热,升压,热机工作原理及p-v图,1-,Al,q1-q2,q1,q1,q1,q2,制冷机工作原理及逆向循环p-v图,工质,AL,低温物体 T2,高温物体 T1,T1,q2,q1 q2 AL,1,v,p,4,2,3,Al,制冷系数,制热系数,热 量 与 熵,1、热量定义：热力系通过边界与外界的交换的能量中，除了功的部分（不确切）。,另一定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序
5、运动方式传递的能量。,5-3 熵和温熵图（TS图）,热 量 如 何 表 达？,热量是否可以用类似于功的式子表示？,？,引入“熵”,热量与容积变化功,能量传递方式 容积变化功 传热量,性质 过程量 过程量,推动力 压力 p 温度 T,标志 dV,dv dS,ds,公式,条件 准静态或可逆 可逆,2、熵（Entropy）的定义,reversible,熵的简单引入,比参数 kJ/kg.K,ds:可逆过程 qrev除以传热时的T所得的商,广延量 kJ/K,SS1S2Cvln,熵的说明,1、熵是状态参数,3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程 传热的大小与方向,2、符号规定,系统吸热时为正 Q 0 dS 0
6、系统放热时为负 Q 0 dS 0,4、用途：判断热量方向 计算可逆过程的传热量,3、示功图与示热图,p,V,W,T,S,Q,示功图,温熵(示热)图,1,2,1,2,+q,-q,任意过程的温熵图,T,S,等温,绝热,定压,定容,A,气体的四种热力过程在T-S图上的表示,54可逆循环分析及其热效率,法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环,热二律奠基人,一、卡诺循环,卡诺循环 理想可逆热机循环,卡诺循环示意图,4-1绝热压缩过程，对内作功,1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1),2-3绝热膨胀过程，对外作功,3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1),q1,q2,Al,卡
7、诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,q1,q2,w,t,c只取决于恒温热源T1和T2 而与工质的性质无关；,卡诺循环热机效率的说明,T1 t,c,T2 c，温差越大，t,c越高,当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能,T1=K,T2=0 K,t,c 100%，热二律,（理想气体）,T0 c,1.卡诺逆循环卡诺制冷循环,T0,T2,制冷,q1,q2,w,T2 c,二、逆卡诺循环,T1,2.卡诺逆循环卡诺制热循环,T0,T1,制热,q1,q2,w,s2,s1,T0,三种卡诺循环,T0,T2,T1,制冷,制热,T,s,T1,T2,动力,三种不同品质的能量,1、可无限转换的能量,如：机械能、电能、水
8、能、风能,理论上可以完全转换为功的能量 高级能量,2、不能转换的能量,理论上不能转换为功的能量,如：环境（大气、海洋）,3、可有限转换的能量,理论上不能完全转换为功的能量 低级能量,如：热能、焓、内能,（Ex）,（An）,（Ex+An）,有一卡诺热机,从T1热源吸热Q1,向T0环境放热Q2,对外作功W带动另一卡诺逆循环,从T2冷源吸热Q2,向T0放热Q1,例 题,Q2,W,Q1,Q2,Q1,试证:当T1T0 则,例 题,Q2,W,Q1,Q2,Q1,试证:当T1T0,解：,例 题,Q2,W,Q1,Q2,Q1,试证:当T1T0,解：,0,卡诺定理的意义,从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械
9、能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。,卡诺定理举例,A 热机是否能实现,1000 K,300 K,A,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,实际循环与卡诺循环,内燃机 t1=2000oC，t2=300oC,tC=74.7%实际t=3040%,火力发电 t1=600oC，t2=25oC,tC=65.9%实际t=40%,回热和联合循环t 可达50%,不可逆绝热过程,不可逆因素会引起熵变化,总是熵增,热力学第二定律讨论,热力学第二定律表述(思考题1)“功可
10、以全部转换为热,而热不能全部转换为功”,温度界限相同的一切可逆机的效率都相等?,一切不可逆机的效率都小于可逆机的效率?,理想 T(1)体积膨胀,对外界有影响(2)不能连续不断地转换为功,熵的性质和计算,不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之间任选一可逆过程进行计算。,熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；,熵的变化只与初、终态有关，与过程的路 径无关,熵是广延量,第五章 完,习题五1、某热机工作循环完成时，气体得到10kcal的热量，并在这时产生3200kgm的功，试问该循环的热效率等于多少？2、1kg空气从压力30ata、温度527膨胀到压力15ata，温度为427.，试计算空气的熵的变化
11、。（空气的定压比热Cp0.24kcalkg）3、有一热机工作于600的高温热源及25的低温热源之间，试求该热机的卡诺循环效率？如高温热源放出热量200kal，试问产生循环功是多少？4、冬天用一热泵对房屋供暖。室外空气温度为10，房间的热损失为50000kcalh，问要使室外保持20，则带动该热泵所需要的最小功率是多少？5、有一台按逆向卡诺循环工作的热泵，冬季时向房间供暖，夏季向房内供冷，室内要求保持20，冬季时通过房间围护结构的热损失是在室内外温度每相差1 每小时290kcal。试求（1）当冬季室外温度为0 时，该热泵需要多大功率？（2）在夏季仍用上述功率使其按制冷机工作，问室外空气温度在什么极限情况下才能维持室内为20？,
