工程傳熱學(xué)-第五章 熱力學(xué)第二定律

第五章熱力學(xué)第二定律概述

A、B兩物體接觸，TA>TB

根據(jù)熱力學(xué)第一定律-QA=QB

描述為A放出熱量給B；但-QB=QA也成立，而表示B放出熱量給A。

熱力學(xué)第二定律的任務(wù)：指明熱力過(guò)程的方向、條件和限度，提高熱能利用率。5—1熱力循環(huán)和致冷循環(huán)

機(jī)械能或電能被物體所吸收而轉(zhuǎn)換為其內(nèi)能即熱能總是無(wú)條件地自發(fā)實(shí)現(xiàn)的。

由熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或電能卻未見有自發(fā)實(shí)現(xiàn)。同樣、熱能本身的傳送，只見熱由高溫物體向低溫物體自發(fā)地傳遞，反之由低溫物體向高溫物體傳熱卻從未見有自發(fā)地實(shí)現(xiàn)。

長(zhǎng)期的實(shí)踐證明：企圖不向溫度較低的環(huán)境放熱而把高溫燃?xì)夥懦龅臒崃窟B續(xù)地全轉(zhuǎn)換為機(jī)械能是不可能的。通過(guò)對(duì)這大量事實(shí)的研究，人們發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，它與第一定律一道，分別從質(zhì)與量去說(shuō)明熱能在機(jī)械能的轉(zhuǎn)換中的關(guān)系。熱力循環(huán)，正循環(huán)由T-s圖也可看到，為使工質(zhì)完成熱力循環(huán)，在進(jìn)行吸熱過(guò)程后，還必須有放熱過(guò)程才能使工質(zhì)回到初始狀態(tài)。這就說(shuō)明通過(guò)熱力循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時(shí)，總要有一部分熱量從高溫?zé)嵩磦飨虻蜏責(zé)嵩础?/p>

為了評(píng)價(jià)熱機(jī)循環(huán)中熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的有效程度，通常采用循環(huán)熱效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義式為：其值越大，則熱機(jī)循環(huán)的工作越有效，但其值不可能達(dá)到100％。致冷循環(huán)、逆（反）循環(huán)為了評(píng)價(jià)致冷循環(huán)工作的有效程度通常采用致冷系數(shù)，也稱致冷機(jī)性能系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義式為：其值越大，致冷循環(huán)的工作越有效，但因?yàn)楹墓Σ荒転榱?，故致冷系?shù)的值不可能為無(wú)限大。熱泵：通過(guò)逆循環(huán)使高溫?zé)嵩吹玫綗崃?。供熱系?shù)：其值越大，熱泵循環(huán)的工作越有效5—2熱力學(xué)第二定律的表述通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐所積累的無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)，人們對(duì)于能量轉(zhuǎn)換的條件及方向有了比較深刻的認(rèn)識(shí)，于是在此基礎(chǔ)上總結(jié)得到了熱力學(xué)第二定律。

熱力學(xué)第二定律主要從能量的質(zhì)量（品位）上對(duì)熱能的利用進(jìn)行分析。

熱力學(xué)第二定律的表述：

1、開爾文－普朗克說(shuō)法：不能建造一種循環(huán)工作的熱機(jī)，其作用只是從單一熱源取熱并全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α?/p>

2、克勞修斯說(shuō)法：不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其它的變化。這兩種主要的說(shuō)法，一個(gè)是從熱→機(jī)械能的角度講的，一個(gè)是熱→熱傳遞講的，但可以證明這兩種說(shuō)法是等效的。第二定律的表述方法很多，其內(nèi)容實(shí)質(zhì)上都是指出了熱過(guò)程進(jìn)行的方向性和條件，以及說(shuō)明了實(shí)際熱過(guò)程的不可逆性。熱力學(xué)第二定律也可表述為：“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的”。熱力學(xué)第二定律常可表述為：“熱機(jī)的熱效率不可能達(dá)到100%”。如果把自發(fā)地實(shí)現(xiàn)的過(guò)程稱為自發(fā)過(guò)程，而把其逆向過(guò)程稱為非自發(fā)過(guò)程，則經(jīng)驗(yàn)表明，非自發(fā)過(guò)程不能自發(fā)地實(shí)現(xiàn)，自發(fā)過(guò)程所產(chǎn)生的效果是無(wú)法消除的，或者說(shuō)是不可復(fù)逆的。因此，熱力學(xué)第二定律可概括為：一切自發(fā)地實(shí)現(xiàn)的涉及熱現(xiàn)象的過(guò)程都是不可逆的。

熱力學(xué)中把消除了一切不可逆因素的具有可逆性的過(guò)程稱為可逆過(guò)程，并定義：如果進(jìn)行一個(gè)熱力過(guò)程后，有可能沿原過(guò)程逆向進(jìn)行，使系統(tǒng)和有關(guān)的外界都返回原來(lái)的初始狀態(tài)，不留下任何變化，則稱這樣的熱力過(guò)程為可逆過(guò)程。

功耗散現(xiàn)象都要消耗掉一定的功而使過(guò)程中輸出的功減少；又如氣體自發(fā)的膨脹時(shí)氣體所作的功總是小于可逆膨脹時(shí)氣體所作的功。

高溫向低溫傳熱（溫差傳熱）在不可逆過(guò)程中，由于各種不可逆因素造成的作功能力的損失，系統(tǒng)所作的功必然比相應(yīng)的可逆過(guò)程所作的功有所減少。通常把不可逆過(guò)程和相應(yīng)的可逆過(guò)程兩者的功的比值作為衡量不可逆過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換完善程度的指標(biāo)。渦輪機(jī)絕熱效率壓氣機(jī)絕熱效率5—3

卡諾循環(huán)上式說(shuō)明：

(1)卡諾循環(huán)的熱效率僅決定于高溫?zé)嵩醇暗蜏責(zé)嵩吹臏囟龋凸べ|(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)。

(2)提高高溫?zé)嵩吹臏囟燃敖档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟瓤梢蕴岣呖ㄖZ循環(huán)的熱效率；

(3)由于高溫?zé)嵩吹臏囟炔豢赡転闊o(wú)限大，低溫?zé)嵩吹臏囟炔豢赡転榱悖钥ㄖZ循環(huán)的熱效率不可能達(dá)到100％。(4)當(dāng)高溫?zé)嵩吹臏囟扰c低溫?zé)嵩吹臏囟认嗟葻釞C(jī)效率等于零。意味著利用單一熱源吸熱而循環(huán)作功是不可能的。等效卡諾循環(huán)5—4

卡諾定理

定理：在兩個(gè)給定恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱機(jī)，不可能具有比可逆熱機(jī)更高的熱效率。推論：1)在兩個(gè)給定恒溫?zé)嵩撮g工作的所有可逆熱機(jī)效率相同。

2)在兩個(gè)給定恒溫?zé)嵩撮g工作的不可逆熱機(jī)效率必小于可逆熱機(jī)的效率。這就是說(shuō)，在兩個(gè)給定恒溫?zé)嵩撮g，可逆熱機(jī)的效率為最高，且與工質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)。5-5

克勞修斯不等式兩熱源循環(huán)：多熱源循環(huán)：實(shí)際上這個(gè)關(guān)系式就是卡諾定理用于任意多熱源循環(huán)時(shí)的數(shù)學(xué)表示式。作業(yè)5-55-105-135-6

狀態(tài)參數(shù)熵及孤立系統(tǒng)熵增原理一、熵的定義與計(jì)算可逆過(guò)程中：計(jì)算：熱力過(guò)程恒溫?zé)嵩聪嘧兌?、不可逆過(guò)程中的熵產(chǎn)1、不可逆的溫差傳熱即不可逆的溫差傳熱過(guò)程中產(chǎn)生了熵，通常把產(chǎn)生的熵dSg稱為熵產(chǎn)量。2、在過(guò)程中存在摩擦、擾動(dòng)等功耗散現(xiàn)象設(shè)閉口系統(tǒng)的不可逆過(guò)程已知δQ、dU、dV、。在初、終狀態(tài)間假設(shè)一個(gè)可逆過(guò)程，吸收熱量為對(duì)于不可逆過(guò)程：式中pdV-δW表示不可逆過(guò)程中由于不可逆因素而引起的功損失。是由于不可逆因素而引起的熵的增加，稱為熵產(chǎn)（量），用dSg表示。是由于系統(tǒng)與外界由于熱量傳遞而引起的熵的變化，稱為熵流（量），用dSf表示通過(guò)上述分析，可以說(shuō)明，不可逆過(guò)程中系統(tǒng)的熵變化等于熵流量和熵產(chǎn)量的代數(shù)和。

熵流量和熱量具有相同的符號(hào)，加熱時(shí)熵流量為正，放熱時(shí)熵流量為負(fù)。熵產(chǎn)量則不同，它永遠(yuǎn)為正，并隨著不可逆程度的增加而增大。

可逆與不可逆絕熱過(guò)程的圖示熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表示式：孤立系統(tǒng)熵增原理，并可表示為：根據(jù)孤立系統(tǒng)熵增原理，就可以判斷任意復(fù)雜過(guò)程是否可能實(shí)現(xiàn)，而不必涉及該過(guò)程所經(jīng)歷的各個(gè)具體細(xì)節(jié)。凡是符合熵增原理的過(guò)程就可能實(shí)現(xiàn)，反之，兩者熵的總和減小的過(guò)程是不可能實(shí)現(xiàn)的。5—8熱能的可用性按照轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ目赡苄裕梢园涯芰糠譃榭捎媚芎筒豢捎媚??？捎媚埽壕褪强梢赃B續(xù)地全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰俊２豢捎媚埽翰豢赡苻D(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰俊?/p>

熱量中的可用能即轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰杀硎緸椋簾崃康牟豢捎媚堞腝u可表示為:熱量中總是包括可用能和不可用能兩部分，在一定的環(huán)境溫度下，提供該熱量的熱源溫度越高，則熱量中可用能越多而不可用能越少。使可用能轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢捎媚艿倪^(guò)程，它們都是自發(fā)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程即不可逆過(guò)程。反之，不可用能轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎媚艿倪^(guò)程，則是不可能自發(fā)實(shí)現(xiàn)的。

可以把熱力學(xué)第二定律概括地表述為：一切不可逆過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果總是使可用能減