工程热力学讲义第5章.docx

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1、第5章热力学第二定律本章根本要求理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熠增原理，深刻理解端的定义式及其物理意义。熟练应用嫡方程，计算任意过程燧的变化，以及作功能力损失的计算，了解烟、炊的概念。根本知识点：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）,只要到达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

2、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(Tl)可逆定温吸热b-c：工质可逆绝热(定嘀)膨胀c-d：工质向冷源(T2)可逆定温放热d-a：工质可逆绝热(定熠)压缩回复到初始状态。循环热效率：q=Tl(Sb-S(I)=面积abefaq2=T2(sc一Sd)=面积CdfeC因为(sb-sa)=(

3、sc-Sd)得到1 T2 q=-*分析：1、热效率取决于两热源温度，TkT2,与工质性质无关。2、由于Tl8,T20,因此热效率不能为13、假设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:%一%2供热系数名.幺=Q% q-q2 Tx-T2关系：2c=1分析：通常T2T1T2所以：/1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烯与墙增原理一、焙的导出1865年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环，假设用许多定燃线分

4、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。那么有因为的2。,有筌+等=Oi，2得到一新的状态参数ds=（与九不可逆过程熠：二、增增原理：意义：1 .可判断过程进行的方向。2 .焙达最大时，系统处于平衡态。3 .系统不可逆程度越大，增增越大。4 .可作为热力学第二定律的数学表达式5 .4墙产与作功能力损失一、建立燧方程一般形式为：（输入墙一输出嫡）+峭产=系统嫡变或焙产=（输出端一输入燃）+系统焙变得到：ssys=5z+ASg称AS/为燧流，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）。称AL为精产，其符号：不可逆过程为正，可逆过程为0。注意：焙是系统的状态参数，因

5、此系统嫡变仅取决于系统的初、终状态，与过程的性质及途径无关。然而燃流与燃产均取决于过程的特性。开口系统焙方程：二、作功能力损失作功能力损失：瓜丽I=TeSg例题精要：例1刚性容器中贮有空气2kg,初态参数X=O.L物,7=293K,内装搅拌器,输入轴功率网二0.2kW,而通过容器壁向环境放热速率为Q=0.次卬。求：工作1小时后孤立系统熠增。解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程：WS=Q+AU经1小时，36（X）Ws=3600Q+mCv（T2-7；）由定容过程：刍=%，P2=P=0-=0S6MPaPxTi2Ti293取以上系统及相关外界构成孤立系统：例2气机空气由A=100,7=400K,

6、定温压缩到终态月二IoOo/,过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25机设环境温度为7J=300Ko求：压缩每kg气体的总焙变。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：M+%=q+力2因为理想气体定温过程：i=2故：q=Ws=-330AkJkg孤立系统端增：S,-w=S+Svur稳态稳流：ASsys=O例3状态尸尸0.2MPa,片27的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为A=O.1MPa。求：作功能力损失。（设环境温度为7S=300K）解：取整个容器（包括真空容器）为系统，由能量方程得知：Ul=U2，T1=T2=T对绝热过程

7、，其环境焙变例4如果室外温度为TOC,为保持车间内最低温度为20C,需要每小时向车间供热3600OkJ,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，供应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W=Q=999=okw36002）如果热泵按逆向卡诺循环运行，而所需的功最少。那么逆向卡诺循环的供暖系数为w=-=9.77WTT2热泵所需的最小功率为W=&=1.02kWw3）按题意，只有当热

8、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W时所需的供热率为最小。7600=0.56热机按所需的最小供热率为重点、难点1 .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 .深入理解烯参数。为什么要引入嫡。是在什么根底上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3 .系统熠变的构成，精产的意义，熟练地掌握精变的计算方法。4 .深入理解爆增原理,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 .状态参数端与过程不可逆的关系。8

9、.爆增原理的应用。9 .不可逆性的分析思考题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？工质经历一不可逆循环过程,因，半0,故，ds0不可逆过程的焙变无法计算假设从某一初态沿可逆和不可逆过程到达同一终态，那么不可逆过程中的焙变必定大于可逆过程中的焙变。4 .某热力系统经历一熠增的可逆过程，问该热力系统能否经一绝热过程回复到初态。5 .假设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，问工质终态的焙是否相同？6 .绝热过程是否一定是定燧过程？定焙过程是否一定满足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 .用孤立系统烯增原理证明：热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆过程。