高等工程热力学第3章.ppt

第三章 热力学第二定律 可用能 第一节 热力学第二定律 热力学第二定律的实质是热能利用的方向性、不可逆性和有限性。 热力学第二定律的三种不同的表述法： 克劳修斯叙述：热能不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，即热从低温物体传给高温物体不能自发进行。 热传递具有方向性。 能量的数量关系 第一定律将不同形式的能量在数量上联系了起来，指出不同形式的能量可以互相转换，而且在转换中数量不变。 比如：电能—→动能、势能、热能；热能—→机械能、电能等。 能量的品质关系 但在长期的生产实践中，人们发现满足第一定律的过程不一定能够实现。 也就是说，热过程是有方向性的，比如，电可以很方便地转化为热，而热要变成电就困难得多，低温物体的热量不会自动地传至高温物体。揭示热过程方向性的是第二定律。 热力学第二定律揭示：能量不但有数量之分，还有方向之别，品质之别。 电—→热（100％） 但热—/→电（100％） 1000℃的热能比100℃的热能更有用，更有价值。 能量的品质不能自动升高，只能自动降低，理想情况是不变。 2.1 热力过程的方向性 热过程是有方向性的，是不可逆的，下面举例说明并分类。 ① 不等温传热过程是不可逆的 两个物体Ａ、Ｂ，设ＴＡ＞ＴＢ，那么Ａ、Ｂ接触，就有ＱＡ从Ａ中传出，Ｂ就有ＱＢ流入。 第一定律指出：ＱＡ＝ＱＢ 但相反的过程，即Ｂ放热ＱＢ，Ａ吸热ＱＡ，即使满足ＱＡ＝ＱＢ，也不会发生。 即低温物体热量不会自动流入高温物体，否则将会出现很多怪现象。 ② 自由膨胀过程是不可逆的 第一定律指出：膨胀前与后必须满足：Ｕ１＝Ｕ２ 但相反过程，即使仍满足 Ｕ１＝Ｕ２，也不可能发生， 没有谁见过气体能自动恢复一半真空的。 ③ 功热转换过程是不可逆的 功可以自动地转换为热（注意：自发、自动） 焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动，通过摩擦使功自发变为热。相反的过程不可能发生。 总之：有摩擦、电阻、磁阻、非弹性形变等耗散效应存在的过程都是不可逆的。 混合过程是不可逆的，任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的。 虽然，实际过程是不可逆的，但减小不可逆因素，过程的不可逆性就会相应减少，减少到可以忽略，过程就趋于可逆过程。 可逆过程的共同特征： a．它必须是准平衡过程。（力、热、化学平衡） b．过程中不包括有摩擦、磁电阻等耗散效应。 上述不可逆过程，我们强调了不能“自动”发生，不是说不能发生，不然盐、真空、冷饮从何来？ 如果要发生，外界必须提供能量、某种补偿，制冷过程就必须消耗机械作为补偿。 第三章 热力学第二定律 可用能 开尔文叙述：不可能从单一热源取得热使之完全变为功，而不产生其它影响。 热功转换具有方向性； 第二类永动机不可能制成。 喇嘛氏叙述：在物系中给定任意平衡态附近，总有这样的状态存在，使给定状态不可能沿绝热过程到达已知的平衡态。 它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影响。 如果这种设想能成立，就可利用环境中无限的热能做功。 所以：第二类永动机是造不成的。 热力学不可逆性不是孤立的 一切不可逆过程是相互联系的，各种表述是等效的，它反映的是热力过程的不可逆性。 第二定律是经验定律，但没有违反之例，只有同时遵守一、二定律的过程才能发生。 第三章 热力学第二定律 可用能 第二节 熵 熵方程 一、熵的导出 3-1 任何可逆循环 第三章 热力学第二定律 可用能 导出熵参数有多种不同的方法，这里只介绍一种经典方法，即是1865年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环时提出来的。图3-1表示一任意可逆循环。 假设用许多定熵线分割该循环，并相应地配合上定温线，从而构成一系列微元卡诺循环。取其中一个微元卡诺循环（如图中斜影线所示），则有 第三章 热力学第二定律 可用能 考虑到 为负值，即得 对于整个可逆循环 （3-1） 式（3-1）称为克劳修斯等式。式中被积函数 的循环积分为零，表明该函数与积分路径无关，是一个状态函数。 第三章 热力学第二定律 可用能 令 式中s三系对单位质量工质而言，称为比熵。 对任意过程