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第5章 热力学第二定律 本章基本要求 理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。 熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无 的概念。 基本知识点： 5．1 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 5．2 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） 5.3 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、热效率取决于与工质性质无关2、由于T1 T20，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 分析：通常T2T1-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. 5.4 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： 意义： 可判断过程进行的方向。 熵达最大时，系统处于平衡态。 系统不可逆程度越大，熵增越大。 可作为热力学第二定律的数学表达式 5．4熵产与作功能力损失 一、建立熵方程 一般形式为(输入一输出+熵产=系统变 或产=(输出一输入)+系统变 称为熵流，其符号视热流方向而定系统吸热为正系统放热绝热为零) 称为熵产其符号不可逆过程为正可逆过程。 是系统的状态参数因此系统变仅取决于系统的初、终状态与过程的性质及途径无关。然而流与产均取决于过程的特性 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。求：压缩每kg气体的总熵变。 解：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。求：作功能力损失。（设环境温度为T0=300K） 解：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。 解：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