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第四章 热力学第二定律. 学习导引. 热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方 向、条件和限度。热力学第二定律与热力学第一定律是热力 学的两个最基本定律,共同组成了热力学的理论基础。 本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述,阐述了 热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理 等有关知识。. 学习要求. 1. 了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念,掌握评 价循环经济性的指标:热效率 t 、制冷系数 、制热系数 。 2. 理解热力学第二定律的实质和表述;明确热力学第二
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学习导引 热力学第二定律揭示了能量传递与转换过程进行的方 向、条件和限度。热力学第二定律与热力学第一定律是热力 学的两个最基本定律,共同组成了热力学的理论基础。 本章主要讲述了热力学第二定律的实质和表述,阐述了 热力循环、卡诺循环、卡诺定律、熵的基本概念及熵增原理 等有关知识。
学习要求 1. 了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念,掌握评 价循环经济性的指标:热效率t、制冷系数、制热系数。 2.理解热力学第二定律的实质和表述;明确热力学第二 定律在判断热力过程方向上的重要作用。 3.掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实 际的指导意义。 4.了解熵的基本概念和熵增原理。
本章难点 • 热力学第二定律比较抽象,较难理解。学习中应将抽象 • 的表述与日常生活及工程实际中的实例联系起来进行思 • 考就会容易理解一些。 • 熵的概念和熵增原理比较抽象,较难理解。学习中应结 • 合不可逆因素进行思考就会容易理解一些。
什么是热力循环? 第一节 热力循环 ——工质经过一系列状态变化后,又回复到原来状态的全部过程称为热力循环,简称循环。 • 热力循环分类 可逆循环 全部由可逆过程组成的循环 不可逆循环 组成循环的全部过程不均为可逆过程 根据热力循环所产生的不同效果 正向循环 逆向循环
热力循环 可逆循环可以表示在状态参数坐标图 上,且为一条封闭的曲线。
1. 正向循环 ——将热能转变为机械能的循环称为正向循环,也称为动力循环或热机循环。 一、正向循环和热效率 • 一切热力发动机都是按正向循环工作的。 • 正向循环在p-v图上按顺时针方向进行。 设1kg工质在热机中进行一个正向循环1234l 1-2-3: 膨胀过程,作膨胀功123v3v11 3-4-1: 压缩过程,作压缩功341v1v33 工质从高温热源T1吸热q1,向T2放热q2 ∵ ∴循环净功w0
高温热源T1 q1 工质 W0=q1-q2 q2 低温热源T2 正向循环 2. 热效率t ——在正向循环中,所获得的机械能与所付出的热量的比值称为热效率。 适用于 任何循环 • 循环热效率t用来评价正向循环的 • 热经济性。 • 显然, t < 1。
1. 逆向循环 ——消耗机械能(或其它能量),将热量从低温热源传递到高温热源的循环, 如制冷装置和热泵循环。 二、逆向循环和工作系数 • 消耗功是完成逆向循环的必要条件。 • 逆向循环在p-v图上按逆时针方向进行。 设1kg工质在热机中进行一个逆向循环14321 1-4-3: 膨胀过程,作膨胀功143v3v11 3-2-1: 压缩过程,作压缩功321v1v33 工质从低温热源T2吸热q2,向T1放热q1 逆向循环中向高温热源放出的热量,来自于从低温热源的吸热量和消耗的循环净功 ∴消耗净功w0 或
高温热源T1 q1 工质 W0=q1-q2 q2 低温热源T2 逆向循环 2. 工作系数 ——工作系数是所获得的收益与所花费的代价之比值,用以衡量逆向循环的热经济性 。 • 制冷系数 制冷装置的工作系数 适用于 任何循环 • 制热系数热泵装置的工作系数 适用于 任何循环 可能大于、等于或小于1,而 总是大于1。
一、过程的方向性与不可逆性 第二节 热力学第二定律 自然界中的一切热力过程均有方向性和不可逆性。 • 自发过程 ——不需要任何外界作用而可以自动进行的过程。否则为非自发过程。 如热量传递、水的流动、气体的混合等 自发过程都具有方向性, 且都为不可逆过程。 非自发过程的进行需要一定的条件,付出一定的代价。
二、热力学第二定律的实质和表述 热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中 有关传递方向、转化的条件和限度等问题。 针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述, 但其实质等效。 1. 克劳修斯(Clausius)表述 不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它 变化。 如制冷机或热泵装置的工作需消耗能量进行补偿 它是从热量传递过程来表达热力学第二定律的。
热力学第二定律 2.开尔文-普朗克(Kelvin-Plank)表述 不可能从单一热源取热,并使之完全转变为功而不产 生其它影响。 如热机的工作 它是从热功转换过程来表述热力学第二定律的。 “第二类永动机不可能实现”。 热力学第二定律的实质是能量贬值原理。
卡诺循环解决了在确定的工作条件下热机 的工作效率可能达到的极限问题。 第三节 卡诺循环与卡诺定律 一、卡诺循环及热效率 卡诺循环是法国工程师卡诺(Carnot)于1824年提出的一种理想热机循环。它是工作于两个恒温热源间的,由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程所组成的可逆正向循环。
卡诺循环 卡诺循环在p-v图和T-s图上的表示: 恒温热源 对1kg工质: a-b: 定温可逆吸热膨胀过程, 工质从T1吸热q1, 在T1下由a膨胀至b,并对外界作膨功; b-c: 绝热可逆膨胀过程, 工质由b膨胀至c,由T1 降至T2,并对外界作膨胀功; 恒温热源 c-d: 定温可逆放热压缩过程, 工质由c在T2下向T2 放热q2被压缩为d,外界对工质作压缩功; d-a: 绝热可逆压缩过程,工质由d经可逆绝热压缩 回到a,由T2升至T1,外界对工质作压缩功。
卡诺循环热效率 由T-s图 由正向循环热效率 过程b-c、d-a为定熵过程,故
卡诺循环热效率 结论: (1)卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度T1 与低温热源的温度T2,而与工质的性质无关。提高高温热 源的温度T1,或降低低温热源的温度T2,都可以提高热效 率。 (2)因为T2>0,所以热效率总小于1。 (3)若T1T2,则, 即: 只有单一热源提供热量进行循环作功是不可能的。
二、逆卡诺循环 卡诺循环沿相反方向进行,即为逆卡诺循环。 逆卡诺循环的效果与卡诺循环的效果正好相反, 工质从低温热源吸热q2,向高温热源放热q1,并接受外界作功w0。 逆卡诺循环在p-v图和T-s图上的表示 • 制冷系数 • 供热系数
逆卡诺循环 逆卡诺循环是制冷循环和热泵循环的理想循环。 • 制冷系数: • 供热系数:
逆卡诺循环 结论: (1)逆卡诺循环的制冷系数和制热系数只取决于高温热源温度T1和低温热源温度T2。且随高温热源温度T1的降低或低温热源温度T2的提高而增大。 (2)逆卡诺循环的制热系数总是大于1,而其制冷系 数可以大于l、等于1或小于l。在一般情况下,由于T2>(T1-T2),所以制冷系数也是大于1的。
三、卡诺定律 • 卡诺定律可表述为: (1)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的 一切热机,可逆热机的热效率最高。 (2)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的 一切可逆热机,其热效率相等。 • 卡诺循环与卡诺定理在热力学研究中的重要意义: • 它解决了热机热效率的极限问题,指出了提高热效率 • 的途径。虽然卡诺循环在实际工程中无法实现,但它给实 • 际热机的循环提供了改进方法和比较标准。
例4-1 某热机在高温热源1000K和低温热源300K之间工作。问能否实现对外作功1000kJ,向低温热源放热200kJ。 解:计算该热机从高温热源吸热量 Q1Q2W020010001200(kJ) 该热机的热效率 在相同条件下工作的可逆热机的热效率 > ,显然这一结果违反了卡诺定理,因此不能实现。
例4-2 利用以逆卡诺循环工作的热泵作为一住宅的采暖设备。已知室外环境温度为-10℃,为使住宅内温度保持20℃,每小时需供给105kJ的热量。试求(1)该热泵每小时从室外吸取的热量;(2)热泵所需功率;(3)若直接用电炉取暖,电炉的功率应为多少? 解:(1)该热泵的制热系数为 又由于 故热泵每小时从室外的吸热量为 (2)热泵所需功率为 P=Q1-Q2=(105-89765)=10235(kJ/h)=2.84kW (3)电炉采暖所需功率为 P1=Q1=105(kJ/h)=27.78 kW
练习题2 • 某制冷机从温度为-73℃的低温热源吸热80KJ,并将200KJ的热量传给27℃的高温热源,问此循环能否实现?
一、熵的基本概念 第四节 熵与熵增原理 熵S是由热力学第二定律推导出的状态参数。 熵的微分定义式为 适用于任何热力系的任何热力过程 可逆过程中1、2两平衡态的熵差为
熵 关于熵的几点说明: (1)熵是状态参数,当热力系平衡态确定后,熵就完全确定了, 与通过什么路径(过程)到达这一平衡态无关。 (2)无论过程是否可逆, 计算两个状态的熵差时,可选任一连接两 状态的可逆过程进行计算。 (3)熵具有可加性, 热力系的熵等于热力系内各个部分熵的总和。 (4)从微观上看,熵与热力系内部分子运动的混乱程度有关。熵 是热力系内部分子混乱程度的量度。熵值较小的状态对应于较为有序 的状态,熵值较大的状态,对应于较为无序的状态。 例如,随着物质固→液→气的相变过程进行,熵是递增的,物质内部分子运动的混乱程度同样也是递增的。
二、熵增原理 S=0 对孤立系统的可逆过程Q=0,则 对孤立系统的不可逆过程 ∴对于孤立系统,有 热温比的积分值,恒小于热力系终、初态的熵差 上式为普遍的热力学第二定律的数学表达式, 也是用熵概念表述的热力学第二定律。 由于Q=0 若为绝热过程,则有
熵增原理 • 表明: 热力系从一平衡态经绝热过程到达另一平衡态,它的 熵永不减少。若过程是可逆的,则熵不变;如果过程是不 可逆的,则熵值增加。这就是熵增原理。 • 根据熵增原理可以作出判断: 不可逆绝热过程总是向着熵增加的方向进行的,可逆 绝热过程则是沿着等熵路径进行的。因此,可以利用熵的 变化来判断自发过程进行的方向(沿着熵增加的方向)和 限度(熵增加到极大值)。
本章小结 • 热力学第二定律的实质及表述; • 热力循环、制冷(热泵)循环的定义及循环经济 性的描述方法; • 卡诺循环的定义及循环经济性的描述方法; • 卡诺定理的内容及实际意义; • 理解熵的基本概念,掌握熵增原理的内容与实际 意义。
作业 P54-9、12 、16