华电热力学第五章

例： 某项专利申请书上提出一种热机，它从167℃的 热源接受热量，向7℃冷源排热，热机每接受1000kJ热 量，能发出0.12kw· h的电力。 请判定专利局是否应受理其申请，为什么？ 解：从申请是否违反自然界普遍规律着手
Wnet 0.12 3600 432kJ Q1 1000 kJ
两种表述的关系
开尔文－普朗克 表述 克劳修斯表述：
完全等效!!!
违反一种表述,必违反另一种表述!!!
热一律与热二律
热一律否定第一类永动机
t >100％不可能
热二律否定第二类永动机
t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
§5-2 卡诺循环与卡诺定理
既然
t =100％不可能
TR s41 TR TR T0 s41 TR T0
c ' 1
三.概括性卡诺循环 1.回热和极限回热 2.概括性卡诺循环及其热效率
q2 面积1mn2 TL s12
q1 面积34op3 Th s34
wnet q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
TmL TL 面积qrmnq 1 1 1 面积opmno Tmh Th
卡诺定理举例
A 热机是否能实现
T2 300 tC 1 1 70% T1 1000
1000 K
2000 kJ A 1200 kJ 1500 kJ 800 kJ 500 kJ 300 K
w 1200 t 60% 可能 q1 2000
如果：W=1500 kJ
1500 t 75% 不可能 2000
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
T1
q1 Rc w
卡诺循环热机效率
t,C
T2 s2 s1 T2 1 1 T1 s2 s1 T1
q2
T2
讨论：
TL tC 1 Th
1） tC f Th , TL
Th , TL tC
tC =65.9% 实际t =40%
回热t 可达50%
五.多热源可逆循环 1.平均吸（放）热温度 2 q Tds Tm s2 s1
1
Tm

2
1
Tds
s2 s1
注意：1）Tm仅在可逆过程中有意义 T1 T2 2)Tm 2 2.多热源可逆循环
q2 面积1B 2mn1 t 1 1 q1 面积1A2mn1
or W0 432 t 0.432 t ,c Q1 1000
违反第二定律，所以不可能
实际循环与卡诺循环
卡诺热机只有理论意义，最高理想 实际上 T s 很难实现 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC =74.7% 实际t =40% 火力发电 t1=600oC，t2=25oC
故不违反第一定律 根据卡诺定理，在同温限的两个恒温热源之间 工作的热机，以可逆机效率最高
t ,c
TL 273.15 7 1 1 0.364 Th 273.15 167
t ,c t ,max
Wnet ,max Q1
Wnet,max t ,c Q1 0.3641000 364kJ P 432kJ
2）
TL 0, Th
tC 1
若TL Th ,tC 0 第二类永动机不可能制成； 3）
4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦， 输出净功极微。
即wnet q1循环必需有放热qL
热机能达到的最高效率有多少？
法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出 卡诺循环
效率最高 热二律奠基人
一.卡诺循环及其热效率 1.卡诺循环
1 2
绝热压缩
2 3
等温吸热
3 4
绝热膨胀
4 1
等温放热
是两个恒温热源间的可逆循环
2.卡诺循环热机效率
热二律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换 1851年 开尔文－普朗克表述 热功转换的角度 传 热 1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度
二.第二定律的两种典型表述 1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地 从低温物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造循环热机， 只从一个热源吸热，将之全部转化为功，而 不对外界留下任何影响。 3.第二定律各种表述的等效性
归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。
无限可转换能—机械能，电能
能量转换方向性的 实质是能质有差异
部分可转换能—热能 T T0
不可转换能—环境介质的热力学能
能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件— 补偿过程，其总效果是总体能质降低。
第五章 热力学第二定律
§5–1 热力学第二定律
一、自发过程的方向性
Q
?
Q'
只要Q'不大于Q，B向A传热并不违反第一定律
重物下落，水温升高 水温下降，重物升高？ 只要重物位能增加小于 等于水的内能减少，不 违反第一定律。
电流通过电阻，产生热量 对电阻加热，电阻内产生反 向电流？ 只要电能不大于加入热能， 不违反第一定律。 3
TL s12 TL 1 1 Th s 34 Th
tC
四.卡诺定理 定理1：在两个恒温热源之间工作的一切可逆循环， 其热效率等于同样热源间工作的卡诺循环效率，与工 质性质无关。
定理2：在两个恒温热源之间工作的一切不可逆热
机的热效率必小 于可逆热机热效率。
理论意义： 1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2 2）提高热机效率的极限。
5）卡诺循环指明了一切热机提高热效率 的方向。
二.逆向卡诺循环
卡诺制冷系数：
qc qc c wnet q0 qc
Tc s 23 Tc T0 Tc s 23 T0 Tc
卡诺供暖系数： q1 q1 ' c wnet q1 q2
wenku.baidu.com
c可大于，小于，或等于1