热力学第二定律的介绍
在第四章和第五章中，我们运用热力学第一定律，或能源节约原则，到闭口和开口系统的过程中。
如在那些章节中一再被指出一样，能量是一种守恒的性质，并且如我们所知的没有过程在发生时违反热力学第一定律。所以，一个过程的发生必须满足热力学第一定律，才认为是合理的。然而,依据这里的解释,只满足热力学第一定律并不能确保这个过程实际上会发生。
这是常见的经验,一杯热咖啡放在一个凉爽的房间最终冷却(图6-1)。这个过程满足热力学第一定律因为咖啡损失的能量等于从周围的空气得到的量。现在让我们考虑相反的过程(TM)°，热咖啡在一个凉爽的房间变得更热是由于从房间的空气中传热。我们都知道这个过程从未发生。然而,这样做不会违反热力学第一定律，只要损失的能量的空气是等于咖啡所获得的量。
作为另一个熟悉的例子,考虑一个房间的加热通过电流通过一个电阻器(图6-2)。再一次,第一定律规定数量的电能量提供给阻力线等于能量的转移到室内空气作为热。现在让我们试图逆转这个过程。它将是意料之中的,一些热量转移到电线不会引起等量的电能中生成电线。
最后,考虑一个明轮机制,由这个秋天的质量(图6-3)。桨轮转动的质量下降,激起一个保温容器内液体。因此,潜在的能源的大规模减少,和内部能量的流体增加根据能量守恒原理。然而,相反的过程,提高质量通过转移热量从流体的桨轮,在自然界中不会产生,尽管这样做不会违反热力学第一定律。
显然,从这些参数,按照一定的direc进程决心,而不是相反的方向(图6-4)。第一定律地方n限制的方向的过程,但令人满意的第一定律并不确保过程实际上可以发生。这不足的第一定律来确定是否发生过程可以是通过引入另一个一般原则补救,热力学第二定律。我们在本章后面展示的反向过程上面所讨论的违反了热力学第二定律。这很容易发现违反的帮助下一个属性,称为熵,定义在第七章。。一个过程不能发生,除非它满足的第一和第二热力学定律(图6-5)
有许多有效的声明热力学第二定律。两个这样的声明将在本章的后面一些有关的工程设备操作周期中呈现和讨论。
利用热力学第二定律是不限于识别过程的方向。然而，第二定律还声称,能源有质量和数量。第一定律是关于数量的能量和能量从一种形式转换到另一个,而没有考虑到它的质量。保存能量的质量是一个重要的问题,工程师,和第二定律提供了必要的手段来确定质量以及程度的能量衰减在一个过程。
在本章后面讨论的,更多的高温能量可以转化成工作,因此它有一个更高的质量比等量的
能源在一个较低的温度。
热力学第二定律是用于确定极限理论的性能的常见的工程系统,如热引擎和冰箱和预测光洁度的化学反应。
热能水库
在热力学第二定律的开发,它是非常方便的,有一个假设的身体与一个相对较大的热能量容量(质量比热),可以供应或吸收有限数量的热无需经过任何温度的变化。这样一个机构叫做热能储集层,或只是一个水库。在实践中,广大的水域如海洋、湖泊和河流以及大气可以精确模拟作为热能水库因为他们的大热能量存储能力或热群众(图6-6)。大气,例如,没有热身由于热损失从住宅在冬季。同样,炮弹浪费能源的大型河流倾倒在由发电厂不会导致任何重大改变水的温度。
一个两阶段的系统可以建模为一个水库也因为它可以吸收和释放大量的热量,同时保持在恒定温度下。
另一个熟悉的例子,一个热能储集层是工业炉。大多数炉的温度都被小心的控制,它们能够提供大量的热能与热在本质上是一个等温的方式。因此,他们可以建模为水库。
一个身体实际上并不需要非常大的被认为是一个水库。任何物理身体的热能容量大的相对的能量供应或吸收可以建模为一个。在一个房间里的空气,例如,可以被视为一个水库在分析热耗散从电视机在房间里,因为数量的传热从电视机到房间空气不够大,有一个显著的影响室内空气温度。
一个水库,供应能量以热的形式被称为源,吸收能量以热的形式被称为一个接收器(图6-7)。热能水库通常被称为热水库因为他们供应或吸收能量以热的形式。
传热从工业资源与环境是最主要的问题,环保主义者以及工程师。不负责任的管理,可显著提高浪费能源的温度环境的部分,导致所谓的热污染。如果不小心控制、热污染会严重破坏海洋生活在湖泊和河流。然而,通过精心的设计和管理,浪费能源扔进大的水域可以用来提高质量的海洋生物通过保持当地气温上升在安全、令人满意的水平。
热机
作为早些时候指出,工作可以很容易地转换为其他形式的能源,但是其他形式的能量转换工作并不容易。机械的工作轴显示在图。6 - 8,例如,是第一converte内部能量的水。这种能量可以离开水是热的。我们的经验告诉我们,任何试图逆转这个过程将失败。即,将热的水不会引起的轴旋转。从这个和其他的观察,我们得出结论,工作可以转化成热能直接和完全,但热量转化工作需要使用一些特殊的设备。这些设备被称为热引擎。
热引擎从彼此差别很大,但都可以具有以下(图6-9)
1、他们收到热从高温源(太阳能、油炉,核反应堆等)。
2、他们把这部分热量工作(通常在一个旋转的轴的形式)。
3、他们拒绝剩下的
废热来低温接收器(大气、河流等)。
4、操作周期。
热引擎和其他循环设备通常涉及液体和热转移,同时接受一个周期。这种液体叫做工作液。
术语热机经常被用在更广泛的意义上,包括工作生产设备,不要操作在一个热力循环。引擎,包括内部燃烧如燃气涡轮机和汽车引擎属于这一类。这些设备的操作在一个机械循环而不是一个热力循环自工作流体(燃烧气体)不经历一个完整的循环。而不是被冷却到初始温度、排气气体净化,取而代之的是新鲜的空气和燃料混合物在循环的末尾。
最好的工作生产装置,适合热机的定义是蒸汽动力装置,它是一个外部燃烧引擎。
即,外面发生燃烧引擎,在这一过程中释放的热能是转移到蒸汽作为热。这个原理的一个基本的蒸汽动力装置显示在图6-10。这是相当简化的图,讨论了实际蒸汽发电厂在后面的章节。各种数量显示在这个图如下:
Qin=数量的热量提供给蒸汽在锅炉从高温源(炉)
Qout= 数量的热拒绝从蒸汽在冷凝器到低-温度接收器(大气、河流等。）
Wout=交付的工作数量由蒸汽将其涡轮
Win=大量的工作需要压缩水锅炉压力
注意,这个方向的热量和功的交互所表示的,下标。因此,所有的四个描述的数量总是积极的。
网络工作输出的电厂之间的区别仅仅是总功输出的植物和总功输入(图6-11)
Wnet,out=Qin-Qout (kJ)
热效率
在方程式6-2 Qout代表着巨大的能源浪费为了完成循环。但Qout从来不是零,因此,净工作输出一个热机总是小于的热量输入。也就是说,只有部分的热量转移到热引擎转换为工作。这个比例的热量转化为输入,输出是一个净工作衡量——曼斯的表现得热机热效率和被称为ηth(图6-12)。
对于热引擎,所需的输出是净工作输出和所需的热量输入是提供给工作流体。然后热效率的热机,可以表示为
热效率=净工作输出/总热量出入
或
ηth = Wnet,out/Qin
它也可以表达为
ηth =1- Qout/Qin
因为 Wnet,out=Qin- Qout
循环设备的实际利益,比如热引擎、电冰箱、热泵高温介质之间的操作(或水库)和低温介质温度TH(或水库)在温度C。将均匀性治疗的热引擎、电冰箱、热泵,我们定义这两个量:
QH=级之间的热传导的循环设备和高-温度介质温度TH
QL =级之间的热传导的循环装置和低-温度介质在温度TL