熱工學(xué)第四章

熱工學(xué)課件第四章第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-1.自然過程的不可逆性

4-2.熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述4-4.熵內(nèi)容提要4-3.卡諾循環(huán)與卡諾定理4-5.孤立系統(tǒng)熵增原理第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在熱能與其他形式的能量相互轉(zhuǎn)換時，能的總量保持不變。滿足熱力學(xué)第一定律的過程是否都能實現(xiàn)？熱力學(xué)第一定律4-1自然過程的不可逆性第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六更多的不可逆現(xiàn)象4-1自然過程的不可逆性第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六過程的自發(fā)發(fā)生是有方向的。同時，過程的發(fā)生是有限度的。并且，這個自發(fā)過程的發(fā)生是有條件。4-1自然過程的不可逆性第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-1自然過程的不可逆性過程溫度自動均等氣體自動混合條件溫度差ΔT壓力差ΔP方向溫度高→低壓力大→小限度溫度相等壓力相等熱力學(xué)第一定律不能回答過程的方向、限度等問題，熱力學(xué)第二定律就是揭示熱力過程的方向、條件與限度。第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

能量不僅具有數(shù)量，同時具有品質(zhì).

過程總是自發(fā)的讓能量從高品質(zhì)能量向低品質(zhì)能量進行轉(zhuǎn)移.4-1自然過程的不可逆性高品質(zhì)可無條件的轉(zhuǎn)換能—機械能，電能

有條件可轉(zhuǎn)換能—熱能

能質(zhì)降低的過程可自發(fā)進行，反之需一定條件—補償過程，其總效果是總體能質(zhì)降低。第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-1自然過程的不可逆性第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

Abodycansupplyorabsorbfiniteamountsofheatwithoutundergoinganychangeintemperatureiscalledathermalenergyreservoir.1.Thermalenergyreservoir（恒溫熱源）4-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

功可以很容易的轉(zhuǎn)化成其它形式的能量，但是其它形式的能量轉(zhuǎn)化成功卻并不容易。2.熱機4-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

將熱轉(zhuǎn)化為功的設(shè)備稱為熱機（heatengines）.熱機通常遵循下面的特性：1.接受高溫熱源的熱量；2.轉(zhuǎn)化部分的熱為功；3.放出剩余的熱給低溫熱源；4.經(jīng)歷循環(huán)4-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述不可能制成一種循環(huán)的熱機，只從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓?，而其它物體不發(fā)生任何變化。

功可以完全變熱，但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的。以熱機為例，熱機循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫熱源傳給低溫熱源，即產(chǎn)生了其它效果。

1851年開爾文總結(jié)出熱力學(xué)過程進行的限度。3.開爾文表述第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述高溫熱源T1低溫熱源T2兩個不同溫度的物體相互接觸時，熱量不可能自發(fā)地由低溫物體傳到高溫物體。

如果借助制冷機，當然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價，也就是引起了其它變化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是有方向的。4.克勞修斯表述熱量不能自動地從低溫熱源傳到高溫熱源而不引起其它的變化。第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六5.兩種表述是統(tǒng)一的:T1T2EngineW0Q1Q2Q2T1T2CoolerQ2Q1+Q2EngineQ1W04-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六6.第二類永動機是不能制造的.

歷史上首個成型的第二類永動機裝置是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設(shè)計的零發(fā)動機，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動機械運轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運轉(zhuǎn)，因為汽化后的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。

4-2熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)與表述第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.熱效率:4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理T1T2EngineW0Q1Q2第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.卡諾循環(huán)和卡諾熱機的效率:4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六vpTTHTLabdcs1s2dbacq1q2q1q2sssTLTH4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六卡諾循環(huán)的熱效率:pTHTLabdcq1q2ssv4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六abdc4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六Ts1s2dbacq1q2TLTH4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理卡諾循環(huán)的意義：卡諾循環(huán)是一種理想的可逆循環(huán)，不可能完全實現(xiàn)，但有重要的理論意義，它指明了一切熱機提高熱效率的方向。第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理例1：見書p57例4-1例2：見書p66習題4-2第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六vpTHTLabdcq1q2ssTs1s2dbacq1q2sTLTH3.逆卡諾循環(huán)及其效率

4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六逆卡諾循環(huán)的效率4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理供暖系數(shù)：制冷系數(shù)：第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4.概括性卡諾循環(huán)

Thdbacq1q2TLTHngms4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-3卡諾循環(huán)與卡諾定理定理1：在相同溫度的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相

等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪種工質(zhì)也無關(guān)。

理論意義：

1）提高熱機效率的途徑：可逆、提高T1，降低T2

2）提高熱機效率的極限。

定理2：在同為溫度T1的熱源和同為溫度T2的冷源間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小

于可逆循環(huán)熱效率。5.卡諾定理

第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-4熵將q1,q2

代入符號得:1.從卡諾循環(huán)可以得到:第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.對于任何可逆微循環(huán):將q1,q2

代入符號得:4-4熵第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.任何可逆循環(huán)vp12BA4-4熵對于任意循環(huán)過程，均可認為其由無限多的卡諾循環(huán)所組成，如下圖所示：第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六所以熵是一個狀態(tài)參數(shù).4-4熵第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六從卡諾循環(huán):

3.不可逆循環(huán)將q1,q2

代入符號得:4-4熵第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3.任何一個不可逆循環(huán)vp12BA4-4熵第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-4熵4.克勞修斯不等式（1）循環(huán)第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-4熵（2）過程第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-4熵可逆過程：不可逆過程：第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4-4熵微元過程：任意過程：任意循環(huán)：第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六判斷題（1）在任何情況下，氣體加熱，熵一定增加；氣體放熱，熵總減少。（2）熵增大的過程必為不可逆過程。（3）熵減少的過程是不可能實現(xiàn)的。（4）若從某一初態(tài)經(jīng)可迸與不可逆兩條途徑到達同一終態(tài)，則不可逆途徑的△S必大于可逆途徑的△S。4-4熵第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

孤立系統(tǒng):dq=0

如果過程是可逆的:s2-s1=0

如果過程是不可逆的:s2-s1>0

因此:dsiso>=04-5孤立系統(tǒng)熵增原理1.孤立系統(tǒng)熵增原理:第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.舉例說明熱量的傳遞1).當TA=TB

ΔSA=-Q/TA;ΔSB=Q/TB

ΔSiso=-Q/TA+Q/TB=0所以等溫傳熱是可逆過程.BAQ4-5孤立系統(tǒng)熵增原理第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2).當TA>TB

ΔSA=-Q/TA;ΔSB=Q/TB

ΔSiso=-Q/TA+Q/TB>0所以此過程是不可逆的.3).當TA<TB

ΔSA=-Q/TA;ΔSB=Q/TB

ΔSiso=-Q/TA+Q/TB<0所以此過程是不可能的.

BAQ4-5孤立系統(tǒng)熵增原理第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六例2絕熱自由膨脹過程

(p64)和p50(3-5)4-5孤立系統(tǒng)熵增原理第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六例3.熱量轉(zhuǎn)化為功.ΔS1=-Q1/T1

;ΔS2=Q2/T2ΔS0=0ΔSiso=ΔS1+ΔS2+ΔS0卡諾循環(huán)

ηt=1-Q1/Q2=1-T2/T1

因為:Q1/T1=Q2/T2

所以:ΔSiso=0

T1T2EngineWQ1Q24-5孤立系統(tǒng)熵增原理第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2)不可逆循環(huán)

ηt<ηc1-Q2/Q1<1-T2/T1Q1/T1<Q2/T2

所以:ΔSiso>0

T1T2EngineWQ1Q24-5孤立系統(tǒng)熵增原理第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3)如果“ηt>ηc”

1-Q1/Q2>1-T2/T1

Q1/T1>Q2/T2

so:

ΔSiso<0

這是不可能的

T1T2EngineWQ1Q24)如果Q2=0,W=Q1

ΔSiso<0

這也是不可能的.4-5孤立系統(tǒng)熵增原理第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3.孤立系統(tǒng)熵增原理總結(jié)(p65)

4-5孤立系統(tǒng)熵增原理其中第4點解釋如下：第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六sTs1s2T1T0AvailableEnergyUnavailableEnergy12T2s3Netgaininunavailableenergy=T0ΔsisoΔss4-5孤立系統(tǒng)熵增原理第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六固體或液體的熵變計算固體和液體的容積變化功很小，所以Example4

p66(4-5)加上第3問：（3）如果兩物體直接接觸進行熱交換至溫度相等，求平衡溫度及兩物體總熵的變化量.

作業(yè)第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六令人傷心絕望的定律

來自物理學(xué)中一條最基本的定律--熱力學(xué)第二定律。這條科學(xué)史上最令人傷心絕望的定律，冥冥中似乎早已規(guī)定了宇宙的命運。簡而言之，第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方。對任何物理系統(tǒng)，這都是顯而易見的特性，毫無神秘之處：開水變涼，冰淇淋化成糖水。要想把這些過程顛倒過來，就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言，第二定律認為宇宙的“熵”（無序程度）與日俱增。例如，機械手表的發(fā)條總是越來越松；你可以把它上緊，但這就需要消耗一點能量；這些能量來自于你吃掉的一塊面包；做面包的麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量；太陽為了提供這些能量，需要消耗它的氫來進行核反應(yīng)?？傊钪嬷忻總€局部的熵減少，都須以其它地方的熵增加為代價。在一個封閉的系統(tǒng)里，熵總是增大的，一直大到不能再大的程度。這時，系統(tǒng)內(nèi)部達到一種完全均勻的熱動平衡的狀態(tài)，不會再發(fā)生任何變化，除非外界對系統(tǒng)提供新的能量。對宇宙來說，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態(tài)，就完全死亡，萬劫不復(fù)。這種情景稱為“熱寂”。

第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六熵的概念推廣一、熵與能量二、熵與生命三、熵與社會第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一、熵與能量熱律：能量守恒熱律：能量轉(zhuǎn)化能力有序無序能力強能力弱有序到無序能量轉(zhuǎn)化過程不可逆一部分能量不能再作功--能量退化第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六對熱律深入認識A)能量退化角度認識孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的自發(fā)過程必然導(dǎo)致能量的退化B)熵的角度認識孤立系統(tǒng)…導(dǎo)致熵的增加熵是能量不可用程度的量度能量危機就是熵的危機第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六二、熵與生命熱律