什么是热力学第二定律-定义w88优德app

第二热力学(第2条法)是对能量转换系w88优德app统的研究。它为热量转换效率的效率设定了上限。优德app热工程学

热力学第二定律w88优德app

任何孤立系统的熵永远不会减少。在天然热力学过程中,相互作用热力学系统的熵之和增加。

热力学第二定律-热机w88优德app本法表示不可逆性自然过程。可逆过程是一种有用的、方便的理论假想,但在自然界中并不存在。根据这一定律,我们不可能制造出一种循环运转的设备,它的唯一作用就是把热量从较冷的物体传递到较热的物体。因此,第二种永动机是不可能的。

热力学第二定律w88优德app是一般的原则,是的超出局限性强加的第一热力学定律w88优德app。第一法用于涉及并评估过程中涉及的各种能量。但是,没有关于的信息过程的方向可以通过第一法律获得。热力学的第二种定律将限制在传热方向上w88优德app并设定w88优德备用网址 微博效率的上限将热量转换为工作热引擎。所以第二定律与许多重要的实际问题直接相关。

其中一个应用领域之一热力学第二定律w88优德app是对能量转换系统的研究。例如,不可能将从燃煤发电厂中的煤中获得的所有能量转换为核电站的核反应堆进入电能。必须有损失在转换过程中。

热力学过程方向

许多热力学过程自然地在一个方向上进行,但不相反。例如,当一个温差确实是否自发流动从加热系统到较冷的系统,永远不要反过来。事实上,这样的热流(从一个较冷的物体到一个较热的系统)不会违反热力学第一热力学定律w88优德app,即能量守恒。但这并不发生在自然界中。

例如,燃烧汽油来驱动汽车是我们所依赖的一种能量转换过程。这化学能源在汽油转换了热能,然后转换为机械能使汽车移动。这机械能已被转换为动能。当我们使用刹车停止汽车时,那动能通过摩擦转换回热量,或者热能。在这种反向方向上,有大量的设备可以将热量转换成机械能。但是,您无法建立一台将热量转换为机械能的机器。总会有显着的能量损失。

热力学过程的方向服从热力学第二定律,尤其是w88优德app克劳斯·第二法律声明

法律的各种陈述

热力学第二定律w88优德app可以用许多特定的方式表达。每句话表达的是同一定律。下面列出的是经常遇到的三种。

  • Clausius陈述
  • Kelvin-Planck声明
  • 熵和第二种法律

在这些陈述之前,我们必须提醒工作法国工程师和物理学家,NicolasLéonardSadi Carnot通过形成一个原则来推进对第二定律的研究(也叫Carnot的规则)指定任何热发动机可以获得的最大效率的限制。

Carnot的原则
1824年,一位法国工程师兼物理学家,NicolasLéonardSadi Carnot通过形成原则提出对第二法律的研究(也称为Carnot的规则)指定对的限制最大效率任何发动机可以获得。简而言之,这一原则指出热力学周期的效率完全取决于冷热温度储存器之间的差异。

卡诺原理:

  1. 没有任何发动机能比可逆发动机更有效率。卡诺热机)在相同的高温和低温储层之间运行。
  2. 所有可逆发动机的效率(卡诺热发动机)在相同的恒温储层之间的操作是相同的,无论所使用的工质或操作细节是什么。

卡诺效率

这个最大效率的公式是:

Carnot效率公式

地点:

  • 是Carnot循环的效率,即它是比率= W /问H通过发动机完成的工作从热储存器进入系统的热能。
  • T.C是冷藏液的绝对温度(开塞尔岛),
  • T.H是热储存器的绝对温度(kelvins)。
例如:燃煤电厂的卡诺效率
在现代燃煤电厂,温度高压蒸汽(T热的)大约400°C(673k)和t寒冷的,冷却塔的水温,将约为20°C (293K)。对于这种类型的电厂,最大(理想)效率将是:

= 1 - t寒冷的/ T热的= 1 - 293/673 = 56%

必须加上,这是理想化的效率。Carnot效率适用于可逆流程。这些过程不能在发电厂的真正循环中实现。Carnot效率决定通过提高蒸汽的温度来实现更高的效率。此功能也有效地用于真正的热力学循环。但这需要增加锅炉内部压力或蒸汽发生器。但是,冶金考虑因素上限在这些压力。潜在临界化石燃料电厂,在下面运营临界压力(即低于22.1 MPA),效率达到36-40%。超临界设计,运营超临界压力(即大于22.1 MPa),效率约为43%。最高效也最复杂的燃煤电厂“超要”压力(即30 MPa左右),采用多级再热可达到48%左右的效率。

参见:超临界反应器

克劳斯·第二法律声明

克劳斯·第二法律声明最早的热力学定律的最早陈述之一w88优德app1850年R. Clausius。他说了以下内容。

不可能制造出一种循环运转的设备,它的唯一作用是将热量从较冷的物体传递到较热的物体。

热不能自发流动从冷系统到热系统,不需要外部对系统做功。这正是电冰箱和热泵所实现的。在冰箱里,热从冷流到热,但只有在外部工作的强迫下,冰箱才由电动机驱动,需要周围环境做功才能运转。

克劳修斯和开尔文-普朗克陈述已经证明是等价的。

Kelvin-Planck第二法律陈述

Kelvin-Planck第二法律陈述“无法构建在循环上运行的装置,并且不会产生除了从单个身体的工作和热量的产生的其他效果”。

此声明与该术语一起运作“热储层”或“单一的储层”。热源是一个很大的物体,当能量被提取时,温度保持恒定。这样一个系统可以用多种方法来模拟,比如地球的大气层、湖泊、海洋等大型水体。

Kelvin-Planck声明不排除系统的存在,从热容器中提取的热传递产生净工作量。w88优德备用网址 微博根据这一陈述,一个经历了一个系统周期无法从热容器中提取的传热中产生正净的工作量。w88优德备用网址 微博

熵和第二种法律

热力学循环的T-s图
RANKINE循环的T-S图

一个后果热力学第二定律w88优德app是发展的发展物理特性物质,被称为。属性中的更改用于确定方向其中将进行给定的过程。量化的活力一种物质不能再执行有用的工作。这与第二律由于第二定律预测,并非所有提供给一个循环的热量都能转化为等量的功,因此一定会发生一些热排异。

参见:

据克劳斯·顾问说通过了通过该定义熵变S的一个系统。在恒温条件下,可逆过程中加入一定量的热量Q,熵变S由:

熵等式

这里问:能量传递的形式是在过程中往返系统,以及T.温度系统中的系统厄尔文在过程中。熵的SI单位是J / K.

热力学第二定律w88优德app也可以表达为∆S≥0对于封闭的循环。

单词:

任何孤立系统的熵永远不会减少。在天然热力学过程中,相互作用热力学系统的熵之和增加。

∆S≥0

因为熵讲述了在执行工作中传递的热量的有用性,所以w88优德备用网址 微博蒸汽表包含的值特定的熵(s = s / m)作为制表信息的一部分。

热动发动机

能源在人类社会的发展中一直扮演着非常重要的角色。能源通常被定义为潜在的事情工作或生产。有时它就像正在执行工作的“货币”。宇宙中最精彩的属性之一是能量可以从一种类型转换为另一个类型从一个物体转移到另一个物体

一般来说,它是容易生产的热能通过工作例如,通过任何摩擦过程。但是从热能中得到功更多困难。它与熵的概念。例如,电力是特别有用的,因为它已经非常低熵(是高度有序的),可以转化为其他形式的能量非常有效地

有时,机械能可直接可用,例如风电和水电。但我们的大部分能量都来自燃烧化石燃料(煤、石油和天然气)核反应。目前,化石燃料仍然是世界主要的能源。但是化石燃料的燃烧产生只有热能因此,这些能源如此称为“主要能源“,必须被转换次要能源,所谓能源载体电能等等)。把热能转化为另一种形式的能量a发动机必须使用。

一般来说,发动机是一种将化学能转换为热量或热能,然后转换为机械能或电能的装置。

热力发动机的例子
朗肯循环密切描述了大多数热电厂中的蒸汽操作热风发动机的过程。

许多热引擎以循环方式操作,在循环的一部分中以热量的形式添加能量,并使用该能量在循环的另一部分中进行有用的工作。
例如,所有常规中的典型方式热电厂热量被用来产生蒸汽哪个驱动器A.汽轮机连接到产生电力的发电机。蒸汽发生器,蒸汽轮机,冷凝器和给水泵构成一个发动机的效率限制热力学第二定律w88优德app。在现代核电厂总的热力学效率是三分之一(33%),所以3000 mwth.从裂变反应中产生热力量以产生1000兆瓦电力。

热机的类型

通常,加热发动机根据燃烧位置分类,如:

  • 外壳发动机。例如,蒸汽机是外部燃烧发动机,其中工作流体与燃烧产物分开。
  • 内燃机。内燃机的典型例子是汽车发动机,其高温是通过燃烧汽缸内的汽油-空气混合物来达到的。

详细的分类是根据热力学循环中使用的工作流体:

  • 气体循环。在这些循环中,工作流体总是气体。奥托循环和柴油循环(使用的是汽车)也是天然气循环的典型示例。现代燃气涡轮发动机和空气吹气喷射发动机也基于唯一的煤气循环,它们遵循布雷顿循环。
  • 液体循环。液体循环相当异国情调。在这些循环中,工作流体总是液体。马龙液体引擎是仅液体循环的一个例子。马龙液体发动机是斯特林循环的改性,用水作为工作流体而不是气体
  • 相位变化的周期。蒸汽机是具有工作流体相变的外部发动机的典型示例。

热力发动机的例子

工程热力学w88优德app
朗肯循环-作为能量转换科学的热力w88优德app学

蒸汽机冰箱是具有工作流体相变的外部发动机的典型例子。用于分析该过程的典型热力学循环被称为兰诗周期,通常使用水作为工作流体。

兰诗周期详细描述了在大多数蒸汽操作的热机中常见的过程热电厂。这些发电厂使用的热源通常是化石燃料的燃烧,如煤,天然气,或也核裂变

一种核电站(核电站)看起来像一个标准的热电站,一个例外。核电站的热源是一个核反应堆。如在所有传统的热电站中都是典型的,热量用于产生蒸汽驱动连接到产生电力的发电机的蒸汽轮机。

通常大多数人核电厂运营多级冷凝汽轮机。在这些涡轮中高压级接收蒸汽(该蒸汽接近饱和蒸汽- x = 0.995 -图中C点;6 MPa.;(275.6°C),并将其排至隔湿再热器(D点)。必须对蒸汽进行再加热,以避免因蒸汽的燃烧对汽轮机叶片造成损害低质量的蒸汽。再热器加热蒸汽(点D),然后将蒸汽指向蒸汽涡轮机的低压级,其中膨胀(点E至F)。然后,耗尽的蒸汽在冷凝器中冷凝,它处于低于大气压的压力(绝对压力0.008 MPa.),并且处于部分冷凝状态(点F),通常具有近90%的质量。

在这种情况下,蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和给水泵构成一个热机,即受制于效率的限制热力学第二定律w88优德app。在理想情况下(无摩擦,可逆过程,完美的设计),这种热力发动机将具有圆形效率

= 1 - t寒冷的/ T热的= 1 - 315/549 = 42.6%

如果热储存器的温度为275.6°C(548.7K),则冷藏液的温度为41.5°C(314.7K)。但核电站是真正的热机,其中热力学过程是不可逆转的。它们不是无限的慢慢完成。在真实装置(如涡轮机,泵和压缩机)中,机械摩擦和热损失导致进一步的效率损失。

因此,核电站的效率通常在33%左右。在现代核电站中,总体的热力学效率是关于三分之一(33%),所以3000 mwth.从裂变反应中产生热力量以产生1000兆瓦电力。

根据Carnot的原则,通过增加,可以获得更高的效率温度蒸汽。但这需要增加锅炉或蒸汽发生器的压力。然而,冶金考虑对这些压力进行了上限。从这个角度来看,超临界水反应堆被认为是一个有前途的发展核电厂因为它高热效率(当前LWRS的〜45%〜33%)。SCWRS经营超临界压力(即大于22.1 MPa)。

热效率和第二律

一个理想的热力发动机是一个假想的热机,从高温热源中提取的能量完全转化为功。但是根据Kelvin-Planck声明,这样的发动机将违反热力学的第二律,因为转换过程中必须有损失。w88优德app添加到系统的净热量必须高于系统完成的网络工作。

Kelvin-Planck声明:

“无法构建在循环上运行的装置,并且不会产生除了从单个身体的工作和热量的产生的其他效果”。

热效率公式

由于本声明,我们定义了热效率η.TH.,任何发动机都是作为比率的工作它确实如此,W.,到了在高温下输入,qH

热效率公式 -  1

热效率η.TH.,表示的分数问:H,转换了工作。它是使用热能的热力发动机的无量纲性能测量,例如蒸汽轮机,内燃机或冰箱。对于制冷或热泵,热效率表示通过工作所添加的能量转换为净热量的程度。由于它是无量纲的数字,我们必须始终表达W,QH,问C在同一个单位。

因为能量是守恒的第一热力学定律w88优德app能量不能完全转化为功,输入的热量QH,必须等于完成的工作,W,加上必须消散的热量浪费Q.C进入环境。因此,我们可以重写用于热效率的公式:

热效率公式 -  2

为了得到以百分数表示的效率,我们将之前的公式乘以100。注意,η.TH.只有在浪费Q Q时才能100%C将是零。

一般来说,即使是甚至的效率最佳热动发动机很低。简而言之,它是非常困难转换热能机械能。热效率通常是低于50%往往远远遥远。当您以风或水轮机的效率进行比较时要小心(风力涡轮机不加热发动机),热和机械能之间没有能量转换。

低效率的原因

如讨论的那样,效率可以在0到1.每个热引擎之间的范围是以某种方式效率低下。这种低效率可以归因于三个原因。

  • 过程的不可逆性。在任何热机中,热量转化为功的效率都有一个总体的理论上限。这个上限叫做卡诺效率。根据Carnot原则,没有任何发动机能比可逆发动机(卡诺热机)在相同的高温和低温储层之间运行。例如,当热藏有t时热的400°C(673k)和t寒冷的当温度约为20°C (293K)时,最大(理想)效率为:= 1 - T寒冷的/ T热的= 1 - 293/673 = 56%。但所有真正的热力学过程都以某种方式不可逆转的。它们不是无限的慢慢完成。因此,由于它们使用的热发动机循环的固有不可逆性,热动发动机必须具有比其效率的效率更低。
  • 存在摩擦和热损失。在真正的热力学系统或实际热力发动机中,整个周期的一部分低效率是由于各个组件的损失。在真实的设备(如涡轮机,泵和压缩机)中机械摩擦热损失燃烧过程中的损失导致进一步的效率损失。
  • 设计效率低下。最后,最后一个也是重要的低效率来源来自妥协由制成工程师在设计热机(如发电厂)时。他们必须考虑成本和其他因素在设计和运行的循环。作为一个例子,请考虑冷凝器在火力发电厂。理想情况下,排进冷凝器的蒸汽没有欠火。但真正的冷凝器是设计来将液体过冷几度的,以避免吸气在冷凝水泵中。但是,这种过冷增加了循环的低效率,因为需要更多的能量来重新加热水。

热动发动机的热效率

通常,即使是最佳热发动机的效率也很低。简而言之,它是非常难以将热能转换为机械能。热效效率通常低于50%,往往远远低于50%。

Takaishi,Tatsuo;Numata,Akira;Nakano,Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。
Takaishi,Tatsuo;Numata,Akira;Nakano,Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。“方法高效柴油和燃气发动机”(PDF)。三菱重工业技术审查。45(1)。检索到2011-02-04。

做功很容易产生热能,例如任何摩擦过程。但是利用热能做功就比较困难了。它与熵的概念,它将不再可用来做有用功的物质的能量量化。例如,电力是特别有用的,因为它已经非常低熵(是高度有序的),可以转化为其他形式的能量非常有效地。当您以风或水轮机的效率进行比较时要小心(风力涡轮机不加热发动机),热和机械能之间没有能量转换。

今天设计或使用的各种热风发动机的热效率具有大范围:

例如:

运输

  • 在二十世纪中叶,一个典型的蒸汽机车热效率是多少6%。这意味着每100 MJ燃烧的燃煤,生产了6 MJ的机械力。
  • 典型的汽油汽车发动机在周围运营25%到30%热效率。约70-75%被拒绝作为废热而不被转换为有用的工作,即送到轮子的工作。
  • 典型的柴油汽车发动机在周围运营30%〜35%。一般来说,使用柴油循环的发动机通常效率更高。
  • 2014年,新规定出台f1赛车。这些Motorsport法规已推动团队开发高效的电力单元。根据梅赛德斯的说法,他们的电力系统正在实现超过45%接近50%的热效率,即45 - 50%的势能在燃料是交付给车轮。
  • 柴油发动机具有任何实用的内燃机的最高热效率。低速柴油发动机(在船舶上使用的)热效率可以超过50%。世界上最大的柴油发动机峰值达到51.7%。

电力工程

  • 海洋热能转换。海洋热能转换是非常复杂的热机,利用较冷的深海和较暖的表层海水之间的温差来运行低压涡轮机。自温差低,约20°C,其热效率也很低,大约3%
  • 在现代核电厂总体热效率是关于三分之一(33%),所以3000 mwth.从裂变反应中产生热力量以产生1000兆瓦电力。通过增加效率可以获得更高的效率温度蒸汽。但这需要增加锅炉内部压力或蒸汽发生器。然而,冶金考虑对这些压力进行了上限。与其他能源相比,33%的热效率并不多。但必须注意的是,核电厂比化石燃料电厂更复杂,而且燃烧化石燃料的更容易,而不是产生能量核燃料
  • 潜在临界化石燃料电厂,在下面运营临界压力(即低于22.1 MPA),效率达到36-40%。
  • 超临界水反应堆被认为是一个有前途的发展核电厂因为它高热效率(当前LWRS的〜45%〜33%)。
  • 超临界化石燃料发电厂,在超临界压力(即大于22.1 MPa),患有效率43%。最高效也最复杂的燃煤电厂“超要”压力(即大约30 MPa)并使用多阶段重新加热范围48%效率。
  • 现代的组合循环燃气轮机(CCGT)电厂,其中的热力学循环包括两个电厂循环(例如,布雷顿循环和兰氏峰),可以实现周围的热效率55%相反,与单循环蒸汽发电厂相比限于约35-45%的效率。
引用:
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参见:

第一定律

参见:

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