第四章熱力學(xué)第二定律(白底)課件

第四章

熱力學(xué)第二定律

（TheSecondLawofThermodynamics）熱一律的任務(wù)：指明能量在傳遞和轉(zhuǎn)換前后的數(shù)量相等熱二律的任務(wù)：指明熱力過(guò)程的方向、條件和限度，提高熱能利用率WateralwaysflowsdownhillHeatalwaysflowsfromhightemperaturetolowtemperature混合過(guò)程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★§4-1自發(fā)過(guò)程的方向性

與熱力學(xué)第二定律的表述1.自發(fā)過(guò)程的方向性

自發(fā)過(guò)程是不可逆的2.熱力學(xué)第二定律

熱功轉(zhuǎn)換

傳熱

熱二律的表述有60-70

種

1851年

開(kāi)爾文-普朗克表述

熱功轉(zhuǎn)換的角度

1850年

克勞修斯表述

熱量傳遞的角度開(kāi)爾文－普朗克表述不可能從單一熱源取熱，使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。

熱機(jī)不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Γ仨殞⒛骋徊糠謧鹘o冷源。理想氣體T

過(guò)程q=w冷熱源:容量無(wú)限大，吸、放熱其溫度不變

理想氣體T

過(guò)程q=wT

s

p

v

1

2

熱機(jī)：連續(xù)作功

構(gòu)成循環(huán)1

2

有吸熱，有放熱鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵冷凝器過(guò)熱器吸熱、升壓、膨脹作功、放熱蒸汽動(dòng)力裝置燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能熱二律與第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)：設(shè)想的從單一熱源取熱并 使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)。這類(lèi)永動(dòng)機(jī)并不違反熱力學(xué)第一定律第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的但違反了熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述

不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體空調(diào),制冷代價(jià)：耗功ColdHot兩種表述的關(guān)系開(kāi)爾文－普朗克表述

完全等效!!!克勞修斯表述違反一種表述,必違反另一種表述!!!熱二律的實(shí)質(zhì)

?

自發(fā)過(guò)程都是具有方向性的；一切自發(fā)地實(shí)現(xiàn)的（涉及熱現(xiàn)象的）過(guò)程都是不可逆的

?

表述之間等價(jià)不是偶然，說(shuō)明共同本質(zhì)

?

若想逆向進(jìn)行，必付出代價(jià)能量質(zhì)的變化規(guī)律電能機(jī)械能電能、機(jī)械能熱能

高質(zhì)能可自發(fā)地?zé)o條件地轉(zhuǎn)換為低質(zhì)能能的數(shù)量不變，但能的品味下降了，即能量貶值一切自發(fā)進(jìn)行的熱力過(guò)程均朝著使能量在品味上發(fā)生退化、貶值的方向進(jìn)行熱一律否定第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)熱機(jī)的熱效率最大能達(dá)到多少？又與哪些因素有關(guān)？熱一律與熱二律t

>100％不可能熱二律否定第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)t

=100％不可能1.熱力循環(huán)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作功，必須構(gòu)成循環(huán)定義：

熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化回到初態(tài)，這一系列變化過(guò)程稱(chēng)為熱力循環(huán)。特點(diǎn)：正循環(huán)熱力循環(huán)逆循環(huán)分類(lèi)：封閉的熱力過(guò)程§4-2卡諾循環(huán)與卡諾定理正循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)外作功凈效應(yīng)：吸熱正循環(huán)：順時(shí)針?lè)较?112abab逆循環(huán)pVTS凈效應(yīng)：對(duì)內(nèi)作功凈效應(yīng)：放熱逆循環(huán)：逆時(shí)針?lè)较?112abab熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)正循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)外作功，吸熱）WT1Q1Q2T2熱機(jī)（動(dòng)力）循環(huán)：熱效率熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)內(nèi)作功，放熱）WT0Q1Q2T2制冷循環(huán)：制冷系數(shù)熱力循環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)逆循環(huán)：凈效應(yīng)（對(duì)內(nèi)作功，放熱）WT1Q1Q2T0制熱循環(huán)：制熱系數(shù)法國(guó)工程師卡諾(S.Carnot)，1824年提出卡諾循環(huán)既然t

=100％不可能熱機(jī)能達(dá)到的最高效率有多少？熱二律奠基人效率最高2.卡諾循環(huán)S.卡諾

NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法國(guó)卡諾循環(huán)和卡諾定理,熱二律奠基人CarnotCycle(卡諾循環(huán))IdealizedHeatEngineNoFrictionReversibleProcessIsothermalExpansion

定溫吸熱AdiabaticExpansion

絕熱膨脹IsothermalCompression

等溫放熱AdiabaticCompression

絕熱壓縮34卡諾循環(huán)—理想可逆熱機(jī)循環(huán)卡諾循環(huán)示意圖4-1絕熱壓縮過(guò)程，對(duì)內(nèi)作功1-2定溫吸熱過(guò)程，q1=T1(s2-s1)2-3絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外作功3-4定溫放熱過(guò)程，q2=T2(s2-s1)卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rcq1q2w?

T1

t,c,T2

c

，溫差越大，t,c越高?t,c只取決于恒溫?zé)嵩碩1和T2,而與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的說(shuō)明?

當(dāng)T1=T2，t,c=0,單熱源熱機(jī)不可能?

T1

=K,T2

=0K,t,c<100%，熱二律卡諾制冷循環(huán)和卡諾熱泵循環(huán)卡諾制冷循環(huán)：卡諾熱泵循環(huán)：定理：在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱機(jī)，不可能具有比可逆熱機(jī)更高的熱效率。

卡諾提出：卡諾循環(huán)效率最高即在恒溫T1、T2下

結(jié)論正確，但推導(dǎo)過(guò)程是錯(cuò)誤的

當(dāng)時(shí)盛行“熱質(zhì)說(shuō)”

1850年開(kāi)爾文，1851年克勞修斯分別重新證明3.卡諾定理克勞修斯的證明—反證法令：WIR=WR假設(shè)t,IR

>t,RT1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIR

則Q1

<Q1’

∴Q1’-

Q1

=Q2’-Q2>0從T2吸熱Q2’-Q2向T1放熱Q1’-Q1不付代價(jià)違反克表述

要證明而

Q1-Q2=

Q1’-Q2’

WR把R逆轉(zhuǎn)卡諾定理（推論一）

在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，具有相同的熱效率，且與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。T1T2R1R2Q1Q1’Q2Q2’WR1

求證：

t,R1

=t,R2

由卡諾定理t,R1

>t,R2

t,R2

>t,R1

WR2

只有：

t,R1

=t,R2

t,R1

=t,R2=

t,C與工質(zhì)無(wú)關(guān)卡諾定理（推論二）

在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的任何不可逆熱機(jī)，其熱效率必然小于這兩個(gè)熱源間工作的可逆熱機(jī)的效率?？ㄖZ定理小結(jié)1、在兩個(gè)不同T的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切

可逆熱機(jī)，其熱效率相等

2、不可逆熱機(jī)小于同熱源間工作可逆熱機(jī)∴在給定的溫度界限間工作的一切熱機(jī)，

t,C最高

熱機(jī)極限

卡諾定理的意義

從理論上確定了通過(guò)熱機(jī)循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的條件，指出了提高熱機(jī)熱效率的方向，是研究熱機(jī)性能不可缺少的準(zhǔn)繩。對(duì)熱力學(xué)第二定律的建立具有重大意義。卡諾定理舉例

A

熱機(jī)是否能實(shí)現(xiàn)1000

K300

KA2000kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ作業(yè)4-14-3§4-3不可逆過(guò)程中熵的產(chǎn)生熱二律推論之一

卡諾定理給出熱機(jī)的最高理想熱二律推論之二

克勞修斯不等式反映方向性熱二律推論之三

熵反映方向性1.熵的導(dǎo)出（1）可逆循環(huán)（恒溫?zé)嵩矗㏕1T2RQ1Q2W

∴

（2）可逆循環(huán)（任意熱源）∴對(duì)任意微元可逆循環(huán)克勞修斯積分等式將循環(huán)用無(wú)數(shù)組s

線(xiàn)細(xì)分，abcda近似可看成卡諾循環(huán)熱源溫度1A2B熵是狀態(tài)量熵變與路徑無(wú)關(guān),只與初終態(tài)有關(guān)pv12ab2.克勞修斯不等式與不可逆過(guò)程熵的變化不可逆循環(huán)（恒溫?zé)嵩矗?）克勞修斯不等式不可逆循環(huán)（變溫?zé)嵩矗┛藙谛匏共坏仁娇藙谛匏共坏仁?可逆循環(huán)

<不可逆循環(huán)>不可能熱二律表達(dá)式之一

克勞修斯不等式例題

A

熱機(jī)是否能實(shí)現(xiàn)1000

K300

KA2000

kJ800

kJ1200

kJ可能

如果：W=1500kJ1500

kJ不可能500

kJ注意：熱量的正和負(fù)是站在循環(huán)(熱機(jī))的立場(chǎng)上*（2）不可逆過(guò)程S與傳熱量的關(guān)系任意不可逆循環(huán)=可逆>不可逆pv12ab熱二律表達(dá)式之一循環(huán)積分定義：熵于19世紀(jì)中葉首先克勞修斯(R.Clausius)引入，式中S從1865年起稱(chēng)為entropy，由清華劉仙洲教授譯成為“熵”。小知識(shí)比熵可逆過(guò)程：不可逆過(guò)程：不可逆因素熵流和熵產(chǎn)對(duì)于任意微元過(guò)程有：=：可逆過(guò)程>：不可逆過(guò)程結(jié)論：熵產(chǎn)是過(guò)程不可逆性大小的度量熵流永遠(yuǎn)熱二律表達(dá)式之一熵產(chǎn)純焠由不可逆因素引起熵流、熵產(chǎn)和熵變?nèi)我獠豢赡孢^(guò)程可逆過(guò)程不可逆絕熱過(guò)程可逆絕熱過(guò)程定熵過(guò)程熵變的計(jì)算方法理想氣體僅可逆過(guò)程適用任何過(guò)程

2.孤立系統(tǒng)熵增原理孤立系統(tǒng)無(wú)質(zhì)量交換結(jié)論：孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變，絕不能減小，這一規(guī)律稱(chēng)為孤立系統(tǒng)

熵增原理。無(wú)熱量交換無(wú)功量交換=：可逆過(guò)程>：不可逆過(guò)程熱二律表達(dá)式之一孤立系統(tǒng)

=非孤立系統(tǒng)

+相關(guān)外界=：可逆過(guò)程>：不可逆過(guò)程最常用的熱二律表達(dá)式“自然界的一切過(guò)程總是自發(fā)地、不可逆地朝著使孤立系統(tǒng)熵增加的方向進(jìn)行”注意：熵增原理是針對(duì)孤立系統(tǒng)而言的，至于該系統(tǒng)內(nèi)所包括的各個(gè)子系統(tǒng)，它們的熵可增可減也可以不變熵的性質(zhì)和計(jì)算不可逆過(guò)程的熵變可以在給定的初、終態(tài)之間任選一可逆過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。熵是狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)一定，熵有確定的值

熵的變化只與初、終態(tài)有關(guān)，與過(guò)程的路徑無(wú)關(guān)熵的判斷題?任何過(guò)程，熵只增不減?若從某一初態(tài)經(jīng)可逆與不可逆兩條路徑到達(dá)同一終點(diǎn)，則不可逆途徑的S必大于可逆過(guò)程的S?可逆循環(huán)S為零，不可逆循環(huán)S大于零╳╳╳?不可逆過(guò)程S永遠(yuǎn)大于可逆過(guò)程S╳3.作功能力損失R