工程热力学热力学第二定律.ppt

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1、第四章 热力学第二定律,第一篇 工程热力学,2,遵循热力学第一定律的过程是否一定都能够发生呢？,第二类永动机：从单一热源吸热并连续不断地全部转变为功的机器。,无数实践证明，第二类永动机是不可能制造成功的。,热力学第二定律的任务：揭示热力过程进行的方向性、条件和限度等问题。,3,4-1 热力循环,热力循环的定义：工质从某一状态出发，经过一系列的状态变化后又回到初态的热力过程。 （在参数坐标图上可用闭合曲线表示热力循环）,循环分类：,（2）按循环产生的效果分正向循环：实现热能转换为机械能的循环，如电厂的蒸汽动力循环等。逆向循环：消耗机械能转换为热能的循环，如制冷循环等。,（1）按循环的组成过程特点

2、分可逆循环：如果组成循环的全部热力过程都是可逆过程。不可逆循环：如果组成循环的热力过程包含有不可逆过程。,4,一、正向循环,1.正向循环概念：正向循环的效果是将热能转变为机械能，也称为热机循环或动力循环。,循环净功：W0=W1a2-W2b10=在P-V图中面积1a2341-面积2b1432,循环净热量：Q0=Q1-Q20=在T-S图中面积1a2341-面积2b1432,对循环1a2b1，由热力学第一定律可得： Q0=Q1-Q2=W0,5,2.循环热效率：正向循环中热能转变为机械能的有效程度，用t表示。（经济性指标）,热机循环,6,二、逆向循环 逆向循环的效果不是产生功而是消耗外界的功，将热量由

3、低温物体传向高温物体。,7,8,制冷机,制冷系数：,供热系数：,热泵,W0,W0,9,4-2 热力学第二定律,一、自然过程的方向性,1.自发过程：不需任何外界作用而可以自动进行的过程。2.非自发过程：没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。,热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热（功热） 水自动地由高处流向低处 电流自动地由高电势流向低电势,10,功量,摩擦生热,热量,100%,热量,火电厂,功量,40%,放热,结论：自然界的一切过程总是朝着一个方向自发进行而不能自发地反向进行。这就是过程的方向性。 非自发过程可以进行，但其发生必须以一定的补偿条件作为代价。,以热功转换为例：,11,二、热力学第

4、二定律的实质及表述,2.表述： “热二律”有各种各样的说法，最常见的两种是：1）克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其它任何变化。（从热量传递的角度来描述的）2）开尔文说法（1851）：不可能从单一热源吸热，并使之全部变为有用功，而不引起其它任何变化。（从热功转换的角度来描述的）,1.实质：阐明与热现象有关的各种过程所进行的方向性、条件及限度等问题，其中方向性是根本内容。,12,三、热过程的方向性和能量品质的变化,能量不仅有数量特性，也有质量特性；不同形式的能量具有不同的品位。能量的品位：反映能量的转换能力大小。,13,热力学第二定律的工程指导意义：,1、电能生产

5、要遵守热力学第二定律。锅炉、汽轮机、凝汽器缺一不可，是条件。2、能量有质的好坏，即品位的高低。如：（1）机械能和电能可自发地全部转化为其它形式的能量（如热能），为高品位能；（2）热能不能连续地全部转化为机械能，为低品位能。3、热力学第二定律是指导合理用能的重要理论。,14,S. 卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理，热二律奠基人,15,4-3 卡诺循环与卡诺定理,一、卡诺循环及其热效率,1.卡诺循环组成： 工作于两个热源间的，由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的理想可逆循环。,1-2：定温吸热过程， q1=T1(s2

6、-s1)2-3：定熵膨胀过程，对外作功3-4：定温放热过程， q2=T2(s2-s1)4-1：定熵压缩过程，消耗外功,T1工质的吸热温度（即热源温度）T2工质的放热温度（即冷源温度）,16,2.卡诺循环的热效率：,（1）t,c只取决于恒温热源T1和T2 ，而与工质的性质无关；,（2）T1， t,c；T2，t,c；即温差越大，t,c越高；（热变功方向）,（3）T1，T20K, t,c t,c，故此设计指标不能实现。,21,热能转换为机械能的最大能力为多大？受什么限制？,热量中的可用能和不可用能 在两热源间工作的热机，其循环热效率的最大值等于卡诺循环的热效率。在一定的环境中，低温热源可达到的最低温

7、度为环境温度T0 ，因此当供热热源温度为T1，从该热源吸热的热机循环的最高热效率为：,当吸热量为Q 时，通过热机循环而转换为功的最大限额，即热量转变为功的能力为：,4-4 热量的做功能力（热能的可用性）,22,按照转变为功的可能性，可以把能分为可用能和不可用能。所谓可用能，就是可以连续地全部转变为功的能；反之，不可能转变为功的能就是不可用能。 电能、机械能可用能； 大气、海洋等环境物体的热力学能不可用能。,即热量可分为可用能和不可用能两部分。在一定的环境温度下，提供该热量的热源温度越高，则热量中的可用能就越多，而不可用能就越少。,4-4 热量的做功能力（热能的可用性）,23,能量贬值现象,当系统内发生一不可逆过程时，尽管能量遵循热力学第一定律在数量上并没有损失（如在摩擦过程中使功变为热，摩擦产生的热仍留在系统内并未消失；又如热从高温物体传向低温物体，热量在数量上并未消失），但造成了功的耗散和热能的质量贬值。,能量的贬值能量在数量上并没有变化，而做功的可能性减少的现象。（即做功能力的损失）,24,本章小结,热力循环的概念及热机循环的热效率计算热力学第二定律的实质及文字表述卡诺循环的组成及热效率计算，卡诺定理的结论及应用,25,课堂作业,教材P63.习题2-1(1)、(2)2-9、2-11,