工程热力学WORD版第5章 热力学第二定律文档格式.docx
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谁能举出例子吗?
自发过程都不可逆?
不可逆的过程一定是自发过程?
为什么?
高温的汽车尾气经过过滤净化后能循环利用吗?
节能吗?
火力发电厂为什么都要设置凝汽器?
有人说火力发电厂的热效率可达60%以上?
可信吗?
学时分配:
8学时+2学时(习题课)
二、基本知识
第一节自然过程的方向性
一、磨擦过程
功可以自发转为热,但热不能自发转为功
二、传热过程
热量只能自发从高温传向低温
三、.自由膨胀过程
绝热自由膨胀为无阻膨胀,但压缩过程却不能自发进行
四、混合过程
两种气体混合为混合气体是常见的自发过程
五、燃烧过程
燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等),只要达到燃烧条件即可自发进行
结论:
自然的过程是不可逆的
第二节热力学第二定律的实质
一、.热力学第二定律的实质
克劳修斯说法:
热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化
开尔文说法:
不可能制造只从一个热源取热使之完全变为机械能,而不引起其它变化的循环发动机。
二、热力学第二定律各种说法的一致性
反证法:
(了解)
第三节卡诺循环与卡诺定理
意义:
解决了热变功最大限度的转换效率的问题
一.卡诺循环:
1、正循环
组成:
两个可逆定温过程、两个可逆绝热过程
过程a-b:
工质从热源(T1)可逆定温吸热
b-c:
工质可逆绝热(定'
熵)膨胀
c-d:
工质向冷源(T2)可逆定温放热
d-a:
工质可逆绝热(定熵)压缩回复到初始状态。
循环热效率:
=面积abefa
=面积cdfec
因为
得到
分析:
1、热效率取决于两热源温度,T1、T2,与工质性质无关。
2、由于T1
T2
0,因此热效率不能为1
3、若T1=T2,热效率为零,即单一热源,热机不能实现。
逆循环:
包括:
绝热压缩、定温放热。
定温吸热、绝热膨胀。
致冷系数:
供热系数
关系:
通常T2>
T1-T2所以:
卡诺定理:
1、所有工作于同温热源、同温冷源之间的一切热机,以可逆热机的热效率为最高。
2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机,其热效率均相等.
第四节熵与熵增原理
一、熵的导出
1865年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环,假设用许多定熵线分割该循环,并相应地配合上定温线,构成一系列微元卡诺循环。
则有
因为
,有
得到一新的状态参数
不可逆过程熵:
二、熵增原理:
1.可判断过程进行的方向。
2.熵达最大时,系统处于平衡态。
3.系统不可逆程度越大,熵增越大。
4.可作为热力学第二定律的数学表达式
第五节熵产与作功能力损失
一、建立熵方程
一般形式为:
(输入熵一输出熵)+熵产=系统熵变
或熵产=(输出熵一输入熵)+系统熵变
得到:
称
为熵流,其符号视热流方向而定,系统吸热为正,系统放热为负,绝热为零)。
为熵产,其符号:
不可逆过程为正,可逆过程为0。
注意:
熵是系统的状态参数,因此系统熵变仅取决于系统的初、终状态,与过程的性质及途径无关。
然而熵流与熵产均取决于过程的特性。
开口系统熵方程:
二、作功能力损失
作功能力损失:
例题精要:
例1刚性容器中贮有空气2kg,初态参数P1=0.1MPa,T1=293K,内装搅拌器,输入轴功率WS=0.2kW,而通过容器壁向环境放热速率为
。
求:
工作1小时后孤立系统熵增。
解:
取刚性容器中空气为系统,由闭系能量方程:
经1小时,
由定容过程:
,
取以上系统及相关外界构成孤立系统:
例2气机空气由P1=100kPa,T1=400K,定温压缩到终态P2=1000kPa,过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25%。
设环境温度为T0=300K。
压缩每kg气体的总熵变。
取压气机为控制体。
按可逆定温压缩消耗轴功:
实际消耗轴功:
由开口系统能量方程,忽略动能、位能变化:
因为理想气体定温过程:
h1=h2
故:
孤立系统熵增:
稳态稳流:
例3已知状态P1=0.2MPa,t1=27℃的空气,向真空容器作绝热自由膨胀,终态压力为P2=0.1MPa。
作功能力损失。
(设环境温度为T0=300K)
取整个容器(包括真空容器)为系统,
由能量方程得知:
,
对绝热过程,其环境熵变
例4如果室外温度为-10℃,为保持车间内最低温度为20℃,需要每小时向车间供热36000kJ,求:
1)如采用电热器供暖,需要消耗电功率多少。
2)如采用热泵供暖,供给热泵的功率至少是多少。
3)如果采用热机带动热泵进行供暖,向热机的供热率至少为多少。
图5.1为热机带动热泵联合工作的示意图。
假设:
向热机的供热温度为600K,热机在大气温度下放热。
1)用电热器供暖,所需的功率即等于供热率,故电功率为
=10kW
2)如果热泵按逆向卡诺循环运行,而所需的功最少。
则逆向卡诺循环的供暖系数为
=9.77
热泵所需的最小功率为
=1.02kW
3)按题意,只有当热泵按逆卡诺循环运行时,所需功率为最小。
只有当热机按卡诺循环运行时,输出功率为
时所需的供热率为最小。
由
热机按所需的最小供热率为
三、本章总结
l.深入理解热力学第二定律的实质,它的必要性。
它揭示的是什么样的规律;
它的作用。
2.深入理解熵参数。
为什么要引入熵。
是在什么基础上引出的。
怎样引出的。
它有什么特点。
3.系统熵变的构成,熵产的意义,熟练地掌握熵变的计算方法。
4.深入理解熵增原理,并掌握其应用。
5.深入理解能量的可用性,掌握作功能力损失的计算方法
6.过程不可逆性的理解,过程不可逆性的含义。
不可逆性和过程的方向性与能量可用性的关系。
7.状态参数熵与过程不可逆的关系。
8.熵增原理的应用。
9.不可逆性的分析
四、作业与讨论
1、作业:
思考题9、10、11、12;
习题5-6、5-7、5-11、5-12、5-17
2、讨论:
1)自发过程为不可逆过程,那么非自发过程即为可逆过程。
此说法对吗?
为什么?
2)自然界中一切过程都是不可逆过程,那么研究可逆过程又有什么意义呢?
3)以下说法是否正确?
①工质经历一不可逆循环过程,因
<
0,故
②不可逆过程的熵变无法计算
③若从某一初态沿可逆和不可逆过程达到同一终态,则不可逆过程中的熵变必定大于可逆过程中的熵变。
4)某热力系统经历一熵增的可逆过程,问该热力系统能否经一绝热过程回复到初态。
5)若工质经历一可逆过程和一不可逆过程,均从同一初始状态出发,且两过程中工质的吸热量相同,问工质终态的熵是否相同?
6)绝热过程是否一定是定熵过程?
定熵过程是否一定满足PvK=定值的方程?
7)工质经历一个不可逆循环能否回复到初态?
8)用孤立系统熵增原理证明:
热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆过程。
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