工程熱力學(xué)第5章熱力學(xué)第二定律

1、l能量之間能量之間數(shù)量數(shù)量的關(guān)系的關(guān)系熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律所有滿足能量守恒與轉(zhuǎn)換定律所有滿足能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的過程是否都能的過程是否都能自發(fā)自發(fā)進(jìn)行進(jìn)行自然界自發(fā)過程都具有方向性自然界自發(fā)過程都具有方向性l 熱量由高溫物體傳向低溫物體熱量由高溫物體傳向低溫物體l 摩擦生熱摩擦生熱l 水自動地由高處向低處流動水自動地由高處向低處流動l 電流自動地由高電勢流向低電勢電流自動地由高電勢流向低電勢自發(fā)過程具有方向性、條件、限度自發(fā)過程具有方向性、條件、限度摩擦生熱100%發(fā)電廠40% 。理想氣體理想氣體 t 過程過程 q = = w冷熱源冷熱源:容量無限大

2、，取、放熱其溫度不變?nèi)萘繜o限大，取、放熱其溫度不變 有吸熱，有放熱有吸熱，有放熱但違反了熱但違反了熱力學(xué)第二定律力學(xué)第二定律這類永動機(jī)這類永動機(jī)并不違反熱力并不違反熱力 學(xué)第一定律學(xué)第一定律第二類永動機(jī)是不可能制造成功的第二類永動機(jī)是不可能制造成功的環(huán)境是個大熱源環(huán)境是個大熱源設(shè)水位差為設(shè)水位差為180米米重力勢能轉(zhuǎn)化為電能：重力勢能轉(zhuǎn)化為電能：1800 emghm jmkg水降低水降低5 c放熱放熱：21000 qcm tm j 2100011.71800qmem 。 熱量?？照{(diào)空調(diào),制冷制冷代價：耗功代價：耗功 完全等效!克勞修斯表述克勞修斯表述：違反一種表述,必違反另一種表述!法國工程師

3、法國工程師卡諾卡諾 (s. carnot)，1824年提出年提出卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)既然既然t =100不可能熱機(jī)能達(dá)到的熱機(jī)能達(dá)到的最高效率最高效率有多少？有多少？熱二律奠基人熱二律奠基人效率最高效率最高s. 卡諾卡諾 nicolas leonard sadi carnot（1796-1832）法國）法國卡諾循環(huán)和卡諾定理卡諾循環(huán)和卡諾定理,熱二律奠基人熱二律奠基人卡諾循環(huán)示意圖4-1絕熱壓縮絕熱壓縮過程，對內(nèi)作功過程，對內(nèi)作功1-2定溫吸熱定溫吸熱過程，過程， q1 = t1(s2-s1)2-3絕熱膨脹絕熱膨脹過程，對外作功過程，對外作功3-4定溫放熱定溫放熱過程，過程， q2 = t2(s2

4、-s1)t1wq2212t,c121111tsstt sst 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱機(jī)效率熱機(jī)效率122111qqqqq 2t,c11tt t0t2制冷制冷2212cqqwqq221202122102()()()t sstt sst sstt0211tttss2s1t2 c t0t1制熱制熱t(yī)s1112qqwqq121112102110()()()t sstt sst sstt0111tts2s1t0 卡諾提出：卡諾提出：卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)效率最高效率最高即在恒溫即在恒溫t1、t2下下t,rt,任 結(jié)論正確，但推導(dǎo)過程是錯誤的結(jié)論正確，但推導(dǎo)過程是錯誤的 當(dāng)時盛行當(dāng)時盛行“熱質(zhì)說熱質(zhì)說” 1850年

5、開爾文，年開爾文，1851年克勞修斯分別重新證年克勞修斯分別重新證明明 tr1 = tr2= tc與工質(zhì)無關(guān)與工質(zhì)無關(guān)工質(zhì)循環(huán)、冷熱源均恢復(fù)原狀，工質(zhì)循環(huán)、冷熱源均恢復(fù)原狀，外界無痕跡，只有可逆才行，外界無痕跡，只有可逆才行，與原假定矛盾。與原假定矛盾。 2tc13001170%1000tt t1120060%2000wqt150075%2000熱二律推論之一熱二律推論之一 卡諾定理卡諾定理給出熱機(jī)的給出熱機(jī)的最高理想最高理想熱二律推論之二熱二律推論之二 克勞修斯不等式克勞修斯不等式反映反映方向性方向性 定義定義熵熵正正循環(huán)循環(huán)逆逆循環(huán)循環(huán)可逆可逆循環(huán)循環(huán)不可逆不可逆循環(huán)循環(huán) 克勞修斯不等式克

6、勞修斯不等式的推導(dǎo)的推導(dǎo)熱二律推論之一熱二律推論之一 卡諾定理卡諾定理給出熱機(jī)的給出熱機(jī)的最高理想最高理想熱二律推論之二熱二律推論之二 克勞修斯不等式克勞修斯不等式反映反映方向性方向性熱二律推論之三熱二律推論之三 熵熵反映反映方向性方向性定義：定義：熵熵reqdst于于19世紀(jì)中葉首先克勞修斯世紀(jì)中葉首先克勞修斯(r.clausius)引入，式中引入，式中s從從1865年起稱為年起稱為entropy，由，由清華劉仙洲清華劉仙洲教授譯成為教授譯成為“熵熵”。小知識0rqt克勞修斯不等式克勞修斯不等式可逆過程，可逆過程， ， 代表某一代表某一狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)。tqqt比比熵熵reqdst定義：定義

7、：熵熵reqdst熱源溫度熱源溫度=工質(zhì)溫度工質(zhì)溫度比比熵熵reqdst0rqt克勞修斯不等式克勞修斯不等式0ds 0q0ds 0q0ds 可逆時可逆時0q熵變表示可逆熵變表示可逆過程中熱交換過程中熱交換的方向和大小的方向和大小熵的物理意義熵的物理意義0ds可逆循環(huán)可逆循環(huán)0ds 0qtpv12ab1 22 10abqqtt2 11 2bbqqtt1 21 2abqqtt1 21 2abss 熵變與路徑無關(guān)熵變與路徑無關(guān),只與初終態(tài)有關(guān)只與初終態(tài)有關(guān)0dsds不可逆可逆2121ss 可逆不可逆1 22 10abqqtt212112qssst任意不可逆循環(huán)任意不可逆循環(huán)0qt2 11 2bbqq

8、tt211 21 2abqqstt pv12ab212112qssst熱二律表達(dá)式之一熱二律表達(dá)式之一對于循環(huán)對于循環(huán)克勞修斯不等式克勞修斯不等式qst 除了傳熱除了傳熱,還有其它因素影響熵還有其它因素影響熵不可逆絕熱過程不可逆絕熱過程0ds 0q不可逆因素會引起熵變化不可逆因素會引起熵變化=0總是熵增總是熵增針對過程針對過程=：可逆過程：可逆過程：不可逆過程：不可逆過程定義定義fqdst熵產(chǎn)：純粹由不可逆因素引起熵產(chǎn)：純粹由不可逆因素引起g0ds gfdsdsds結(jié)論：結(jié)論：熵產(chǎn)是過程不可逆性大小的度量熵產(chǎn)是過程不可逆性大小的度量。qdst熵流：熵流：永遠(yuǎn)永遠(yuǎn)fgsss 熱二律表達(dá)式之一熱二

9、律表達(dá)式之一任意不可逆過程任意不可逆過程gfdsdsdsfgsss 0s f0sg0s可逆過程可逆過程f0ss g0s不可逆絕熱過程不可逆絕熱過程0sf0sg0s可逆絕熱過程可逆絕熱過程0sf0sg0s不易求不易求理想氣體理想氣體2221v11lndtvscrtv僅僅可可逆逆過過程程適適用用2221p11lndtpscrtp2221pv11dvdpsccvpts1234132131231qssst 242141242qssst 任何過程任何過程孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)0fds無質(zhì)量交換無質(zhì)量交換0giso dsds結(jié)論：結(jié)論：孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變，孤立系統(tǒng)的熵只能增大，或者不變， 絕不能減小

10、絕不能減小，這一規(guī)律稱為這一規(guī)律稱為孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng) 熵增原理熵增原理。無熱量交換無熱量交換無功量交換無功量交換=：可逆過程：可逆過程：不可逆過程：不可逆過程熱二律表達(dá)式之一熱二律表達(dá)式之一孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng) = 非孤立系統(tǒng)非孤立系統(tǒng) + 相關(guān)外界相關(guān)外界iso0ds=：可逆過程：可逆過程：不可逆過程：不可逆過程最常用的最常用的熱二律表達(dá)式熱二律表達(dá)式rir121222()wwqqqqqq作功能力作功能力:以環(huán)境為基準(zhǔn)以環(huán)境為基準(zhǔn),系統(tǒng)可能作出的最大功系統(tǒng)可能作出的最大功假定假定 q1=q1 ， wr wir 作功能力損失作功能力損失121222101000qqqqqqtttttt22qq11221100qqqqtttt12isottirrsssss 假定假定 q1=q1 ， w r wir 作功能力損失作功能力損失02tt,c1111tqqt 1210qqtt220qqt0isots閉口系閉口系21fgsss 開口系開口系out(2)in(1)scvqwcvfgi,ini,ini,outi,out1