第6章 第2講 熱功間的轉(zhuǎn)化及熵平衡

6.2熱功轉(zhuǎn)換

熱力學第一定律是從能量傳遞或轉(zhuǎn)換過程中總結(jié)出來的一條客觀規(guī)律。凡違背熱力學第一定律的過程一定不會發(fā)生，但不違背熱力學第一定律的過程是否一定會自發(fā)發(fā)生呢？這個問題熱力學第一定律是回答不了的，必須用熱力學第二定律。熱力學第二定律：

克勞修斯：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體。

開爾文：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?.2.1基本概念

自然界中的許多過程，如熱從高溫物體傳遞給低溫物體，氣體向真空或低壓膨脹，水由高處流向低處，這些過程都不需要借助外力即可進行。這說明自然界中類似的自發(fā)過程的進行有一定的方向性。

自發(fā)過程是不消耗功即可進行的過程；

非自發(fā)過程是需要消耗功才可進行的過程。

熱從高溫物體傳遞給低溫物體氣體向真空或低壓膨脹水由高處流向低處6.2.1基本概念

可逆過程：沒有摩擦，推動力無限小，因此過程進行無限慢，體系內(nèi)部均勻一致，處于熱力學平衡；對產(chǎn)功的可逆過程，產(chǎn)功最大；對耗功的可逆過程，耗功最小。

不可逆過程：有摩擦，過程進行有一定速度，體系內(nèi)部不均勻（有擾動、渦流等現(xiàn)象），逆向進行時體系恢復(fù)始態(tài)，環(huán)境留下痕跡，如果與相同始、終態(tài)的可逆過程相比較，產(chǎn)功小于可逆過程，耗功大于可逆過程。6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度

熱量傳遞的方向性是指高溫物體可自發(fā)向低溫物體傳熱，而低溫物體向高溫物體傳熱則必須消耗功。

熱量傳遞的限度是指溫度達到一致，不存在溫差。

熱功轉(zhuǎn)換的方向性是指功可以完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱只能部分轉(zhuǎn)化為功。

之所以有此結(jié)果，是由于熱是無序能量，而功是有序能量，自然界都遵循這樣一個規(guī)律：有序運動可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序運動，而無序運動不能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蜻\動。內(nèi)容回顧與展望穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學第一定律在穩(wěn)流系統(tǒng)中的應(yīng)用熱力學第二定律三個表述可逆過程與不可逆過程熱量傳遞方向性熱功轉(zhuǎn)換方向性提出問題有一種熱機，從400K處吸熱25000J/s，向200K處放熱12000J/s，做功16000W。問：該熱機是否合理？熱功轉(zhuǎn)換的限度？本講主要內(nèi)容：卡諾循環(huán)（難點）利用卡諾循環(huán)熱效率計算判斷過程的合理性（重點）卡諾循環(huán)熱機:持續(xù)地將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器一個概念熱機高溫熱源低溫熱源制冷循環(huán)示意圖致冷機高溫熱源低溫熱源下一次課內(nèi)容6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度

熱功轉(zhuǎn)換的限度——卡諾循環(huán)（1824、1830-1840）

卡諾循環(huán)是熱力學的基本循環(huán)，解決了工質(zhì)從高溫熱源吸收的熱量轉(zhuǎn)換為功的最大限度問題。由四個可逆過程組成。

6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度

卡諾循環(huán)分兩種：正卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)。

正卡諾循環(huán)是指工質(zhì)吸熱溫度高于排熱溫度，是產(chǎn)功過程；（熱電廠、蒸汽機）

逆卡諾循環(huán)是指吸熱溫度低于排熱溫度，是耗功過程。（空調(diào)、冰機）熱電廠6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度①可逆等溫膨脹4→1：工作介質(zhì)蒸發(fā)，吸熱量QH②可逆絕熱膨脹1→2：做功量WC③可逆等溫壓縮2→3：工作介質(zhì)冷凝，放熱量QL④可逆絕熱壓縮3→4：對液體做功Wp(可忽略)高溫熱源低溫熱源泵1234TH，QHTL，QLST1234THTLp1p26.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度

卡諾循環(huán)的結(jié)果是熱部分地轉(zhuǎn)化為功，熱轉(zhuǎn)化為功的限度用熱效率來評價。熱效率的物理意義為：工質(zhì)從高溫熱源吸收的熱量轉(zhuǎn)化為凈功的比率。

卡諾循環(huán)的熱效率最大。可以根據(jù)熱力學第一定律推出卡諾循環(huán)的熱效率。6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度根據(jù)熱力學第一定律：ΔU=Q+W內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，一個循環(huán)ΔU=06.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度卡諾熱機效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩個熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高。6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度討論：6.2.2熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換的方向和限度

意義：雖然可逆過程只是一個理想過程，實際上無法實現(xiàn)，由可逆過程組成的卡諾循環(huán)發(fā)動機也無法制造，但是，卡諾循環(huán)在熱力學中具有重大的意義?？ㄖZ循環(huán)在歷史上首先奠定了熱力學第二定律的基本概念，對如何提高各種熱機的效率指明了方向。解決問題有一種熱機，從400K處吸熱25000J/s，向200K處放熱12000J/s，做功16000W。問：該熱機是否合理？

解：思考某人稱其設(shè)計了一臺熱機，該熱機消耗熱值為42000kJ/kg的燃料30kg/h，可以產(chǎn)生的輸出功率為170kW。該熱機的高溫與低溫熱源分別為670K和330K。試判斷此熱機是否合理？小結(jié)卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱效率計算利用卡諾循環(huán)熱效率計算判斷過程的合理性6.3熵函數(shù)熵與熵增原理過程的熵變與過程的熱溫熵之間的關(guān)系。等號用于可逆過程，不等號用于不可逆過程。孤立體系

熵增原理熵增原理或者孤立體系經(jīng)歷一個過程時，總是自發(fā)的向熵增大的方向進行，直到熵增大到最大值，體系達到平衡態(tài)。如果設(shè)計過程的總熵變小于0，則過程不能實現(xiàn)。熵增原理熵是過程進行方向的判據(jù)。孤立體系達到平衡時，熵值最大。熵是系統(tǒng)的性質(zhì)，只要系統(tǒng)處于一定的狀態(tài)，便有一個確定的熵值。與內(nèi)能一樣，熵只能求取相對值。自然界存在各種有序性，例如結(jié)構(gòu)、分布、運動有序性等。晶體結(jié)構(gòu)是高度有序的。從晶體熔化成液體，分子的排列由有序轉(zhuǎn)向無序；擴散過程，分子由分布的有序變成無序；機械運動摩擦生熱，分子由有序運動變?yōu)闊o序運動。所有這些過程都具有一個共同的特點，即隨著無序程度增加，系統(tǒng)熵值增大。熵是系統(tǒng)分子無序程度的度量。理解幾句話熵產(chǎn)生積分ΔSg稱為熵產(chǎn)生由于過程的不可逆性而引起的那部分熵變?？赡孢^程熵產(chǎn)生ΔSg＝0，不可逆過程熵產(chǎn)生ΔSg>0?？傊?，熵產(chǎn)生永遠不會小于零。熵產(chǎn)生

上式可以看出，系統(tǒng)總熵變由兩部分組成。一部分是由于與外界存在熱交換Q（可逆或不可逆）而引起的，被稱為熱熵流；另一部分是經(jīng)歷過程不可逆性而引起。熵與質(zhì)量和能量的性質(zhì)不同，無論是可逆或不可逆，孤立系統(tǒng)的質(zhì)量和能量都是守恒的，而熵卻不同，可逆過程的熵守恒，不可逆過程熵不守恒。不可逆造成了能量品位的降低，結(jié)合熵產(chǎn)生，可以認為熵產(chǎn)生ΔSg與做功能力之間必然有聯(lián)系。過程的不可逆造成熵產(chǎn)生，減少了系統(tǒng)對外做功的能力。熵產(chǎn)生越大，造成的能量品位降低越多。熵產(chǎn)生熵平衡假設(shè)從環(huán)境吸收熱量Q，同時對外做功W流入熵流出熵能量交換聯(lián)系熵過程不可逆性產(chǎn)生熵敞開系統(tǒng)熵平衡方程式穩(wěn)流體系：體系無累積，那么，ΔSA＝0熵平衡該穩(wěn)流系統(tǒng)經(jīng)歷的是可逆過程，那么，ΔSg＝0熵平衡封閉系統(tǒng)沒有物質(zhì)的進出，，ΔSA該系統(tǒng)累積的熵變就是系統(tǒng)的熵變ΔS。該封閉系統(tǒng)經(jīng)歷的是可逆過程，那么，ΔSg＝0熵平衡熵平衡方程與能量守恒（熱力學第一定律）和質(zhì)量守恒一樣，是任何一個過程必須滿足的條件式，它可以用來檢驗過程中熵的變化，進而表明過程的不可逆程度。通過計算熵產(chǎn)生ΔSg的大小，找出不同化工過程的能量消耗部位。理想功、損失功與熱力學效率自學系統(tǒng)熵增加的過程必為不可逆過程。絕熱過程必是定熵過程。熱溫熵即過程的熵變。對一個絕熱不可逆過程，是否