高等化工热力学-第一章.ppt

上述判据只能适用于孤立体系。因此，在应用该判据时，必须加上孤立体系的约束条件。对于简单孤立体系，体系的能量等于内能，约束条件是： 如果体系是由两个简单的子体系复合而成，约束条件为 膜平衡 (Membrane Equilibrium) 假设存在一个由两个子体系构成的复杂体系，每一个子体系由不发生化学反应的组分 A 和 B 组成，两个子体系通过一层膜隔开( see the following figure)。 (1) A, B (2) A, B Internal wall Figure Equilibrium in a complex system 认为该复杂体系保温性能好，与环境没有热交换，它是一个孤立体系。该体系达到稳定平衡必须满足的条件是 因为 （A） （B） 将孤立体系的约束条件 应用到公式（A），得到 根据膜的特性的不同，分三种情况进行稳定平衡条件的判断。 （C） Case (a) The internal wall or boundary is permeable only to B, diathermal, and movable: 在这种情况下，必须应用另外一个约束条件，即 （B1） 将式（B1）代到式（C），得到 （C1） 稳定平衡的判据是： Case (b) The internal wall is rigid, diathermal, and permeable to A and B: 在这种情况下，必须应用另外一个约束条件，即 （B2） 将式（B2）代到式（C），得到 （C2） Since Therefore Section 2 The Second Law of Thermodynamics 热力学第二定律主要解决过程进行的方向和限度的问题，其基本内容简要概括为： 热力学第二定律的文字表达（说法） 克劳修斯(Clausius)说法：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。 开尔文(Kelvin) 说法：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。后来被奥斯特瓦德(Ostward)表述为：第二类永动机是不可能造成的。 热力学第二定律基本内容 热力学第二定律的数学表达(熵增原理) 即孤立体系发生的过程总是向熵增加的方向进行，直至熵达到最大值，体系达到平衡态。 熵增原理只能用于判断孤立体系(与环境没有质量和能量交换)过程进行的方向和限度。对于实际的敞开体系，如何运用热力学第二定律判断过程进行的方向和限度？ 敞开体系的熵平衡 我们可以象写敞开体系的能量平衡(energy balance)方程一样,写出敞开体系的熵平衡(entropy balance)方程。两者的重要区别在于，体系的能量是守衡的(Energy is conserved.)，但熵不守衡(Entropy is not conserved. )。因为根据热力学第二定律，体系经历任何一个自发过程时，总的熵是增加的。因此，在写熵平衡方程时，必须考虑一个非常重要的物理量--熵产生(entropy-generation, SG )。 敞开体系的熵平衡示意图： 流体流经体系的熵变化速率 体系的熵变化速率 环境的熵变化速率 熵产生速率 + + = 用 表示在体系第j个表面处体系与环境的热交换速率， 表示环境的温度，则环境的熵变化速率是 Pay attention to the minus sign of 因此，敞开体系的熵平衡方程为 熵产生 SG 反映了过程的不可逆性(irreversibility)。过程的不可逆来源于两个方面。一是体系内部的不可逆性（internal irreversibility），二是体系与环境热交换的不可逆性（external thermal irreversibility），如存在一定量的温度差导致的热交换过程。任何一个自发过程， SG > 0。 对于稳定流动过程，因为 熵平衡方程简化成 如果稳定流动过程只有一个进口和一个出口，则 上式是稳流体系的熵平衡方程，可用于熵产生的计算。 Problem An inventor claims to have devised a process which takes in only saturated steam at 100 0C and which by a complicated series of steps makes heat continuously available at a temperature level of 200 0C.