《工程热力学》(第四版)PPT课件05热力学第二定律

热力学第二定律的任务：确定过程进行 的方向、条件、限度。
4-5 热二律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换
传热
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。
理想气体 T 过程 q = w
卡诺逆循环卡诺制冷循环
T
T0
制冷
T2 s1 s2 s
C
q2 w
q2 q1 q2
T2 (s2 s1)
T2
T0 (s2 s1) T2 (s2 s1) T0 T2
T0 c T2 c
1 T0 1 T2
T0 q1
Rc w q2
T2
卡诺逆循环卡诺制热循环
T
T1
制热
T0 s1 s2 s
' q1 q1
T1 热源
Q1
Q1’
A WA B
Q2’
冷源 T2 <T1
证明2、违反克表述导致违反开表述
反证法：假定违反克表述
Q2热量无偿从冷源送到热源
假定热机A从热源吸热Q1
T1 热源
对外作功WA 对冷源放热Q2
Q1
Q2
WA = Q1 - Q2 冷源无变化
A WA
从热源吸收Q1-Q2全变成功WA Q2
Q2
违反开表述
w q1 q2
T1(s2 s1)
T1
T1(s2 s1) T0 (s2 s1) T1 T0
T1 ’ T0 ’
1
1 T0 T1
T1 q1
Rc w q2
T0

克劳修斯不等式
Q
Tr
0
dS
0
第四章 热力学第二定律
33
克劳修斯不等式例题
A 热机是否能实现
Ñ TTQQ
2000 1000
800 300
可能
0.667kJ/K 0
1000 K 2000 kJ
如果：W=1500 kJ
Ñ TTQQ
2000 1000
500 300
不可能
0.333kJ/K 0
A 1200 kJ 1500 kJ
36
熵流和熵产
对于任意微元过程有：
定义
dS Q
T
=：可逆过程 >：不可逆过程
熵流：工质与热源之间热交换引起的熵变
dSf
Q
T
熵产：纯粹由不可逆因素引起
dSg 0 永远
dS dSf dSg S Sf Sg
结论：熵产是过程不可逆性大小的度量
内燃机为什么只能将40%左右的热 能转化为机械能呢？或者说燃料燃 烧产生的热能为什么不能全部转化 为机械能呢？
这是由于总有一部分热量在做完功后，随着废气排 入到大气中，造成热量损失。
第四章 热力学第二定律
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开尔文－普朗克表述 Kelvin－Planck Statement
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。
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%
第四章 热力学第二定律
27
4-3 熵
熵的导出 定义：熵
比熵
dS Qre
T
ds qre
T
在微元可逆过程中，工质 熵的增加等于工质所吸收 的热量除以工质的热力学 温度。

24
5-7
火用平衡方程及火用损失计算
3、稳定流动开口系统的火用平衡方程 ：
对于稳定流动系统：
dEx,sys 0, dmi dme dm
exi , dmi
dI
dWs
exe , dme
根据火用平衡方程一般表达式，得 ：
dEx,e dEx,i dEx,Q dWs dI
dExQ
热量火用与冷量火用的能级对比
设环境温度T0=273K,若系统温 度T=373K，热量能级:
1 T0 273 1 0.268 T 373
若系统温度T′=173K，冷量能 级：
T0 273 1 1 0.578 T 173
由此可见，在与环境温差相同的情况下，低温系统比高温系 统的做功能力更大，能量的可用性更高。
热力学第二定律研究对象是不可逆过程，因为只有不可逆 过程才涉及到能量转换的方向、条件、限度等。 而熵产sg和火用损失I正是对不可逆情况的描述，所以熵产sg 和火用损失I是热力学第二定律的核心。
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5-7
火用平衡方程及火用损失计算
熵产与火用损失之间的关系 设有不可逆循环传热过程TA>TB，求火用损失。 热源TA放热量Q释放的火用：
能质是指“能量的做功能力”，即可能最大做功量。 能质也称为“能量的可用性”。
2、火用
“以环境态为计算基准，能量系统的做功能力”， 称为能量的火用（Exergy）；不能做功的能量部分，称为 能量的“火无”（Anergy）。
能级的定义： Exergy
Energy
3
5-6
火用参数及火用值计算
20
5-6
火用参数及火用值计算
例题1：空气经历绝热节流过程，压力由0.5MPa降到 0.45MPa。已知气体常数287J/kgK,环境温度300K。 求:节流过程导致的空气火用损失。 解: 稳定流动工质的火用:

✓功变为热是不可逆过程； ✓热不可能全部无条件地转化为功； ✓耗散效应（摩擦，电阻生热等）是造成过程
不可逆的因素之一。
（2）有限温差传热
（The direction of the natural processes） A
B
✓有限温差下的传热是不可逆过程； ✓反向过程的进行必须消耗一定
的外功。
pump
q1
RgT1 ln
v2 v1
➢3-4：可逆定温放热
T1 1 T2 4
2 3
q2
RgT2
ln
v3 v4
0
Δs
s
➢2-3，4-1：过程为可逆绝热过程
v3 v2
v4 v1
卡诺循环的热效率：
c
1T T
2 1
卡诺循环的热效率：
c
1T T
2 1
C 的几点结论
➢ C 只取决于T1，T2，与工质的性质无关。 ➢ C <1，提高T1，或降低 T2，可以提高 C。 ➢ C =1, 即T1→，或T2=0K。说明从高温热源吸收
q2
低温热源 T2
正向循环
高温热源 T1
q1
制冷机
wnet=q1-q2
q2
低温热源 T2
逆向循环
p1
q1
2
q= 0
q= 0
4 q2
3
0
v
T
T1 1
2
T2 4
3
0
Δs
s
卡诺循环
p1
q1
2
q= 0
q= 0
4
q2
3
0
v
T
T1 1
2
T2 4
3
0