工程热力学论文题目：浅谈工程热力学里的熵姓名：杨枫学号：1122610312专业：建筑环境与设备工程导师：谭羽非学院：市政环境工程学院2013年12月24日浅谈工程热力学中的熵摘要:熵是工程热力学中重要的概念,它是对热力学第二定律的深化和补充,同时熵定律又是对基于热力学第二定律的熵的深化和扩展。
熵也可以作为节能的标准,熵的理论在环境中的应用很广泛, 对于保护环境维持生态平衡具有重要意义。
关键词:熵的概念热力学第二定律熵增原理正文：熵是物理学中一个非常重要的概念，最早由德国物理学家克劳修斯提出，后来玻尔兹曼又用统计的方法给出了熵的定义。
我国据此译成热温之商,为了反映与热有关,加上火字旁,创造了新汉字熵。
从1865 年提出熵到现今已经有150 多年的历史了，现在的熵已不局限于物理学中，在其它学科都有着广泛的应用，熵的概念有泛化的趋势。
另一方面，就物理学中的熵仍有诸多争论的问题，可以说，没有哪一个物理概念像熵一样难以理解，应用广泛，同时又伴随着诸多未解之迷从。
物理学角度来说,熵是物质分子紊乱程度的描述,紊乱程度越大,熵也越大;从能量及其利用角度来说,熵是不可逆耗散程度的量度,不可逆能量耗散越多,熵变化越大。
熵增加意味着有效作功能量的减少。
在工程热力学中,熵是热力学第二定律的一个重要概念及参数。
从热力学的角度,认为可以从以下几个方面来理解熵这个概念。
一．熵概念的提出熵的概念由卡诺循环引出的。
卡诺循环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成。
工质在两个恒温热源间循环,没有耗散损失。
对微卡诺循环,以微元可逆热机为例,设有高温热源温度T1,低温热源温度T2,工质从高温热源吸热为DQ1,向低温热源放热为DQ2,由G=1-DQ2/DQ1=1-T2/T1得DQ2/ T2=DQ1/ T1由于DQ2与DQ1符号相反,代入符号,有DQ2/ T2+DQ1/ T1=0对任意可逆循环,都可分割成无限多个微元卡诺循环,则有RDQ/T=0 (1)式(1)即克劳修斯积分式。
式(1)表明任意工质经任意一个可逆循环后,微量DQ/T 沿整个循环的积分为零。
状态参数的充要条件为该参数的微分一定是全微分,且全微分的循环积分为零。
式(1)说明,DQ/T一定是某个参数的全微分。
克劳修斯将这一参数定名为熵,以符号S表示,于是dS=DQ/T (2)熵是状态参数,工质经一微元过程,熵的变化等于初、终态任意一个可逆过程中与热源交换的热量和热源温度的比值。
熵的变化只由初、终态参数确定,与中间所经历的途径无关。
式(1)和(2)前提条件是可逆的,既在没有任何耗散的条件下,工质的温度和热源的温度才处处相等。
二．熵与热力学第二定律实际工质的热力过程都是不可逆的,可逆过程只是将过程视为极端缓慢的情况下,工质内部及工质与周围环境能时刻处于平衡状态,这是一种理想化过程。
现在来分析不可逆过程热力学第二定律的数学判据。
对任意不可逆微元循环热机,热效率为Gt,IR=1-DQ2/DQ1在同样热源、冷源温度下,可逆热机效率为Gt,R=1-T2/T1由卡诺定理得1-DQ2/DQ1< 1-T2/T1DQ2/ T2>DQ1/ T1考虑DQ2与DQ1为代数值,则DQ2/ T2+DQ1/ T1< 0 (3)将(1)式和(3)式合在一起,则有RDQ/Tr[0 (4)(4)式即为著名的克劳修斯积分不等式,任何循环的克劳修斯积分永远不大于零。
其中温度为热源温度。
热量为工质从热源吸收或放出的热量。
当过程为可逆循环时,该积分为零,为不可逆循环时,该积分小于零。
由(4)式可以推得不可逆过程中熵的变化$S和RDQ/Tr的关系。
设有任意可逆过程1-a-2,有一不可逆过程2-b-1,组成一个不可逆循环,由克劳修斯积分式,有Q1a2DQ/Tr+Q2b1DQ/Tr< 0对于可逆过程1-a-2,有Q1a2DQ/Tr=S2-S1对于不可逆过程2-b-1,有Q2b1DQ/Tr<S1-S2由此得到S2-S1\Q12DQ/Tr (5)由(5)式可知,对可逆和不可逆循环来说,当DQ/Tr相同时,不可逆循环的熵变将大于可逆循环的熵变,增大的部分是由不可逆因素引起的,称为熵产,用$Sg表示。
DQ/Tr完全由系统与外界热交换引起的,称为熵流,用$Sf表示,则任意不可逆过程熵变化可表示为$S=$Sg+$Sf (6)式(6)称为封闭系统的熵方程。
$Sf为单纯由换热引起的,可以因工质吸热、放热或与外界无热交换,其值可大于零、小于零或等于零。
而$Sg却由于是不可逆因素引起的,其值只能恒大于零,即使对于可逆过程也只能等于零,永远不能小于零。
由式(6)可得孤立系统熵增原理。
对于孤立系统,与外界没有热交换,所以熵流为零,而熵产总是大于或等于零。
则,孤立系统有$Siso\0 (7)这就是孤立系统熵增原理,孤立系统的熵只能增加或不变,而不会减少。
不变的情况是一种理想情况,即可逆情况,实际上是很难达到的。
那么熵与作功的品质究竟有什么关系呢?在这里,我们要了解另外一个概念,即作功能力。
所谓系统的作功能力,指的是在给定环境条件下,系统可能作出的最大有用功,它意味着过程终了时,系统应与环境达到热力平衡,因而通常取环境温度T0作为作功能力的标准,作功能力损失的计算式为W=T0$Siso由此可见,热力学第二定律可表示为RDQ/Tr[0 (4)S2-S1\Q12DQ/Tr (5)$S=$Sg+$Sf (6)$Siso\0 (7)其中(4)式适用于循环过程,(5)和(6)式适用于任何封闭系统,(7)式适用于孤立系统。
根据孤立系统熵增原理,克劳修斯得到这样一个结论:孤立系统的有效能量会越来越少,则自然界中的能量会不断地贬值,一直到宇宙因失去运动的能量而停息,进入一种热死亡状态,这就是/热死说0或/热寂说0,显然,这种理论是不正确的,也就是热力学第二定律有着局限性,不适用于整个宇宙。
三．普诺高基(progogire)熵定律基于热力学第二定律所揭示的热传导不可逆性熵变原理只是描述了封闭系统的熵变规律,显然,它不可能解释开放系统的状态变化规律。
这一问题引起很多学者的关注,比利时著名科学家普诺高基在进一步研究热力学的基础上创造耗散结构理论时,指出任何系统的ds都是由交换熵des和内生熵dis组成,用公式表示就是ds=des+dis按交换熵des=0还是desX0,将系统分为开放和封闭两种类型;按内生熵dis=0还是dis>0,将系统分为平衡和不平衡两种状态,将两者组合起来,系统都可用下列四种形式表示1.静态结构:des=0,dis=02.稳定结构:desX0,dis=03.耗散结构:desX0,dis>04.封闭结构:des=0,dis>0上述四种系统的熵按1234的顺序不断增加。
从广义的熵的角度来说,无论自然系统,还是人工系统都从属于这四种系统的结构形式。
1是平衡型封闭系统,表现为静态。
4是非平衡型封闭系统,表现为混乱态。
1,4统称为封闭型。
2,3为开放系统。
2是平衡型开放系统,表现为稳定态,3为不平衡型开放系统,表现为耗散态。
普诺高基熵定律弥补了基于热力学第二定律的熵定律的不足,这种基于系统论的熵定律告诉我们,宇宙中既有正熵过程,也有负熵过程,因而可以调节总熵的大小,所以“热寂说”或“热死说”是没有根据的。
但我们也必须看到,由于人类自身对资源的无节制的使用,我们可以利用的资源在不断遭到破坏,环境污染日趋严重,生态平衡遭到破坏,我们地球上的每个人都应该意识到这个问题的严重性,努力地使整个社会健康有序地发展,这其实就是一个让熵降低的过程,也就是不断地用负熵来抵消熵增加的过程。
当然,这里的熵是指广义的熵,这也是熵的应用的新进展,即熵对于整个人类社会的发展的意义。
四．关于熵的计算的例题例 1 .先用电热器使20kg温度t0=20℃的水加热到t1=80℃,然后再用40kg 温度20℃的水混合。
求混合后的水温以及电加热和混合这两个过程引起的熵变化。
水的定压比热为 4.187KJ/(kg•K)。
通常的解法为：解设混合后的温度为t,则可写出下列能量方程：m1cp(t1-t)=m2cp(t-t0)即20×4.187(80-t)=40×4.187(t-20)从而解出t=40 ℃电加热过程中的熵的变化：混合过程中的熵变化：总的熵变化：由于熵是状态参数的特性，根据总共60kg 水由最初的20℃变为最后的40℃可以更简便地算出总的熵产。
解设混合后的温度为t,则可写出下列能量方程：从而解出t=40 ℃例2 .20kg 温度为50℃的水和30kg 温度为80℃的水相混合，然后在定压下加热到100℃。
求这一热力系统熵的变化。
通常的解法为：解:设混合后的温度为t,则可写出下列能量方程：m1c p(t1-t)=m2c p(t-t2)30×4.187（80-t）=20×4.187(t-50)t=68℃混合过程中的熵的变化=-4.346+4.539=0.193KJ/K加热过程中的熵的变化：总的熵变化利用熵为状态量且为广延量的特征，可以计算20kg 水从初态加热到100℃和30kg 水从初态加热到100℃各自熵变化的和，即是过程的熵变化。
解：可以看出，后一种算法给解题和运算带来了便利。
五．熵在环境中的应用从普里高津熵定律知道熵是可以改变的,可使之增加或减少。
把熵进行高度抽象,把现在的能源的不科学利用导致的能源浪费看成是生态系统的无序或混乱度的增大。
同时也可说是生态系统熵的增加( 熵表示了系统的混乱度) 。
我们从ds ＝des＋dis来看成整个生态系统的熵的变化的情况。
des表示与生态系统交换的熵流,可正可负。
dis表示生态系统内部的产生的熵, 永远为正。
由于能源不科学的利用,没有利用的能量转移到环境中,使des＞０。
使整个生态系统熵不断增加。
熵定律只说明了能量转化的方向性,但没有说明其速度性。
因此人类可以自己的意志来决定其速度。
在给定的环境条件下,定态熵可以通过熵的计算来对生态系统的稳定性进行评估。
由公式:ds/dt＝des/dt＋dis/dt①ds/dt＞０,则负熵流不足以抵消熵产生,生态系统将会崩溃;②ds/dt ＝0,则负熵流恰好抵消熵产生,态系统处于定态;③ds/dt＜０,则负熵流足够充分,生态系统有秩序发展;熵产生ds/dt 是与人类对能源的开发利用的层次有关。
建筑能耗占社会总能耗的三分之一,因此应该科学地利用能源,特别是在建筑节能方面将ds/dt 控制在一定范围内。
使转移到环境中的熵流减少,甚至可以使之为零或为负,这样才能使人与环境和谐发展。
六．结语熵”越来越被人们认识和重视，并不断地赋予其新的内涵。
正如爱因斯坦所说“熵理论对于整个科学来说是第一法则”。