Второй закон термодинамики и работоспособность термодинамических систем. (Лекция 6)

1. Второй закон термодинамики и работоспособность термодинамических систем

2. Второй закон термодинамики

Формулировка Р. Клаузиуса: "Теплота не может сама
собой переходить от холодного тела к нагретому"
Формулировка В. Освальда: "Невозможно создать
вечный двигатель второго рода" .

3.

Для получения работы в периодически
действующей тепловой машине необходимо иметь как
минимум два тела с разной температурой: источник теплоты –
с более высокой и теплоприемник – с более низкой.

4.

T2
tK 1
T1

5.

dS1
dQ
;
T1
dS2
T1
dS dS1 dS2
dQ
T2
Изолированная система
dQ
;
T2
dQ dQ
0,
T1
T2
так как T1 T2 и
1
1
T1 T2

6. Математическое выражение второго закона

• При протекании
необратимых процессов в
изолированной системе
•При протекании
обратимых процессов в
изолированной системе
ds 0
ds 0
Для изолированных систем, в общем случае
ds 0

7.

Внутренняя и внешняя необратимость
Внутренняя необратимость –
необратимые процессы
протекают внутри
термодинамической системы
Внешняя необратимость –
необратимыми являются
процессы передачи энергии
через границы системы
2н
T
T
2
Q
T Tо.с.
1
н
s
s
T î.ñ.
о.с

8. Влияние необратимости на запас работоспособности термодинамических систем

• До теплообмена
• После частичного
теплообмена
T1 T1;
T1
Q1
T
T2 T2 ;
Рабочее
Öèêë
тело
Êàðíî
s
T'1
Q2
T2
L Q1 tK
T2
Q1 1 ;
T1
Q1
T
Рабочее
Öèêë
тело
Êàðíî
Q2
L Q1 tK
s
T2
Q1 1 ;
T1
L L;
T'2
L L L ;

9. Максимальная работа. Эксергия

10. Получение работы в изолированной системе

• В изолированной термодинамической системе
возможно получение механической работы при
наличии в ней механической (разность
давлений) или термической (разность
температур) неравновесности или того и
другого одновременно
• В изолированной системе возможно получить
работу только в том случае, если она не
находится в состоянии термодинамического
равновесия. Работоспособность системы
исчерпывается при достижении в ней
равновесного состояния.

11. Получение работы в изолированной системе

• Система может прийти в состояние
равновесия и без совершения полезной
работы, в результате протекания в ней
необратимых процессов
• Наибольшая возможная работа может
быть получена при переходе системы
из неравновесного состояния в
равновесное, при протекании в ней
только обратимых процессов

12.

• Для оценки максимально возможного
количества полезной работы, которое
может быть получено в таких системах,
в 1955 г. югославским ученым З.
Рантом было введено понятие
эксергии

13. Понятие эксергии

• Эксергия – это максимальная работа, которую может
совершить термодинамическая система в процессе
обратимого перехода ее в равновесие с окружающей
средой при условии, что окружающая среда является
единственным источником теплоты и вещества.
• Эксергия – это та часть энергии, которая при данных
условиях в окружающей среде может быть преобразована
в работу. Ту часть энергии, которая при заданных
условиях окружающей среды в работу преобразована быть
не может, называют анергией.
• Энергия = Эксергия + Анергия

14. Понятие эксергии

Эксергии будет соответствовать работа на штоке поршня при обратимом переходе
тела из первоначального состояния (I с.) в состояние его термодинамического
равновесия с окружающей средой (II с.)
Первый закон термодинамики для обратимого процесса
имеет вид Q = Uос - U1 + L. Q = -Qос
В системе происходят только обратимые
процессы, следовательно, в
соответствии со вторым законом
термодинамики изменение энтропии ΔSт=-ΔSос
такой системы равно нулю –
Qос = Tос ΔSос
ΔSс=ΔSт+ΔSос=0
Q = - Qос = - TосΔSос = TосΔSт = Tос(Sос - S1)
Часть работы расширения тела L расходуется
на перемещение внешней среды Lвн = Pос (Vос V1)
Lmax.п = L - Lвн = Q - (Uос - U1) - Lвн = Tос(Sос - S1) - (Uос - U1) - Pос (Vос - V1)
ex = (u1 - uос) - Tос(s1 - sос) + Pос(v1 - vос)

15. Эксергия потока вещества

T
p1
1
T1
l 0 l 0 max Tо.с. ( sо.с. s1) ( hо.с. h1) ex1;
p
0 о.с.
Tо.с.
s1
sо.с. s
Ex ( H H о.с.) Tо.с. ( S1 Sо.с.);
ex ( h hо.с.) Tо.с. ( s1 sо.с.);

16. Эксергия на диаграммах

Эксергия идеального газа, имеющего параметры P1, T1, v1, u1, s1, представлена в
виде
площади 1а2b1

17. Эксергия теплоты

T
Q
T
Lц max Exq Q tK
Рабочее
Öèêë
Êàðíî
тело
s
Tо.с.
Q (1
)
T
Tо.с.
Exq Q (1
)
T
Q о.с.
Tо.с.
Если теплота отбирается у
холодного тела, то
Tо.с.
Exq Q (
1)
T