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工程热力学-8-1


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工程热力学
主讲: 岳晓丽 E-mail:: xlyue@dhu.edu.cn 办公地点: 机械学院楼5045#

内容回顾

热力学过程
本节内容 1、可逆过程和不可逆过程 2、熵的含义 3、热力学第二定律-熵方程

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第四章 热力学

第二定律
本章问题的提出
热力学第一定律 能量守恒与转换定律 能量之间数量的关系

所有满足能量守恒与转换 定律的过程是否都能自发 进行?

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4-1

热力学第二定律的任务

自发过程:不需要任何外界作用而自动进行的过程。 ? 热量由高温物体传向低温物体
? ? ?

摩擦生热 水自动地由高处向低处流动 电流自动地由高电势流向低电势 摩擦生热 功量 100% 功量 发电厂 热量 放热 热量

40% 自发过程具有方向性、条件、限度
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自然界过程的方向性表现在不同的方面

能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?

热力学第二定律——揭示其方向性、 条件、限度。

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4-2 可逆过程和不可逆过程
如果系统完成了某一过程之后可以沿原路逆行回复到原 来的状态,并且不给外界留下任何变化,这样的过程为可逆 过程。

具体途径:恒温、恒 压、恒容、绝热过程 等 注意:可逆过程只是指可能 性,并不是指必须要回到初 态的过程。

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讨论 特点:1)可逆过程进行时的推动力无限小,速度无限缓慢, 由一系列接近平衡的状态构成。 2)若使过程循原过程的反方向进行,系统与环境同时 恢复原状。 3)可逆膨胀过程作最大功,无功的耗散。 外界的影响常常表现为外界有功和热的转换(例如外界消耗 了功获得了热量),外界的温度、体积、压强等发生了变化。 自然界没有真正的可逆过程,是实际过程的极限。不具备以 上特点,为不可逆过程。摩擦、涡流以及温差传热等都是引 起过程不可逆的因素。
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可逆过程的实现条件

准静态过程

+

无耗散效应

=

可逆过程

无不平衡势差

耗散效应

通过摩擦使功 变热的效应(摩阻, 电阻,非弹性变性, 磁阻等)

不平衡势差
不可逆根源 耗散效应
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判断下列过程哪些是可逆的、不可逆的、不确定?
(1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发? (2)对刚性容器内的水做功使其在恒温下蒸发?

(3)对刚性容器内的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃ ?
(4)定质量的空气在无摩擦、不导热的汽缸和活塞中被缓慢压 缩? (5)50℃的水流与25℃的水流绝热混合?
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引入可逆过程的意义
1、准静态过程是实际过程的理想化过程,但并非最优过程, 可逆过程是最优过程。 2、可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达, 可不考虑系统与外界的复杂关系,易分析。 3、实际过程不是可逆过程,但为了研究方便,先按理想情 况(可逆过程)处理,用系统参数加以分析,然后考虑不 可逆因素加以修正。

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4-3 状态参数熵

任何物质都存在状态参数---熵

dU ? pdV S?? ? S0 T

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4-4 1、熵流和熵产

热力学第二定律的描述-熵方程
熵流
热产引起的熵 产

1)内部平衡的闭口系

dU ? pdV dU ? ? W ? ? WL ? Q ? ? Qg ? Q ? Qg Qg dS ? ? ? ? ? ? ? S f ? ? Sg T T T T T
2)内部不平衡的闭口系

dS ? ? S f ? ? S ? ? S
Qi g

Qg g

? ? S f ? ? Sg

A

B

? (? Qi ? ? Qg ) ? (? Q) ?? ?? ( A) (V ) T T
熵流,可正可负
熵产恒为正

? Qi
TA TB

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2、熵方程
1)示意图

2)文字描述
(流入热力系的熵的总和)+(热力系的熵产) -(从热力系流出的熵的总和)=(热力系总熵的增量)

dS ? ? S f ? ? S g ? s1? m1 ? s2? m2

? S ? S f ? S g ? ? (s1? m1 ? s2? m2 )
(? )

两式为熵方程 的基本表达式

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3)闭口系统

绝热闭口系或孤立系的熵只会增加,不会减少。
熵增原理

4)稳定流动的开口系

s2 ? s1 ? s f ? sg
s2 ? s1 ? sg ? 0

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孤立系统熵增原理说明,一切实际过程都一定朝 着使孤立系统的熵增大的方向进行,任何使孤立系统 的熵减小的过程都是不能发生的。

揭示了一切热力过程进行时所必须遵循的客观规律, 突出地反映了热力学第二定律的本质,是热力学第二定 律的另一种数学表达式。

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熵方程的核心问题——熵产 如果说热力学第一定律确定了能量既不能创造,也不会 消失,那么热力学第二定律则确定了熵不但不会消灭(它只 能随热量和质量而转移),而且会在能量的转换和转移过程 中自发地产生出来。

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4-5

热力学第二定律各种表述的等效性
热量传递的角度

热功转换的角度

开尔文-普朗克表述(1851)
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。 (热机不可能将从热源吸收的热 量全部转变为有用功,而必须将 某一部分传给冷源。)

克劳修斯表述(1850)
不可能将热从低温物体传至 高温物体而不引起其它变化。 (热量不可能自发地、不付代 价地从低温物体传至高温物 体。)
两种描述完 全等效引入

空调,制冷

理想气体 T

过程

q = w

代价:耗功
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第二类永动机:设想的从单一热源取热并 使之完全变为功的热机。

这类永动机 并不违反热力 学第一定律

但违反了热 力学第二定律

第二类永动机是不可能制造成功的

环境是个大热源

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作业: 1、复习4-1~4-5内容,例题4-1,4-2 ; 2、查阅书籍,书后相关思考题。

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