熱力學第二定律演示圖

熱功轉(zhuǎn)換模擬圖第5章熱力學第二定律熱功轉(zhuǎn)換模擬圖１)熱—功轉(zhuǎn)換的方向性

5.1熱力學第二定律的表述5.1.1自然過程的方向性第5章熱力學第二定律2)熱量傳遞的方向性熱量傳遞的方向性圖A物體B物體第5章熱力學第二定律5.1.1自然過程的方向性自發(fā)過程的方向性只要Q'不大于Q，并不違反第一定律QQ'?真空3)自由膨脹與壓縮過程的方向性自由膨脹過程模擬圖第5章熱力學第二定律5.1.1自然過程的方向性4)混合(擴散)與分離過程的方向性第5章熱力學第二定律5.1.1自然過程的方向性上面各例表明:1）自發(fā)過程均具有方向性。自發(fā)過程都只能向著與熱力系外界趨于平衡的方向進行。2）自發(fā)過程均是不可逆過程。熱力系統(tǒng)經(jīng)過一自發(fā)過程后，若要使其反向進行回復到初始狀態(tài)，則必須提供補償條件。3）引起不可逆過程的因素分析。（1）過程中存在不平衡勢差引起的非平衡損失。（2）過程中存在耗散損失。當熱力過程既無非平衡損失又無耗散損失則就是可逆過程。

第5章熱力學第二定律5.1.1自然過程的方向性高溫熱源T1低溫熱源T2熱機能量守恒:熱機和制冷機的工作原理示意圖高溫熱源T1低溫熱源T2制冷機第5章熱力學第二定律5.1.2

熱力學第二定律的表述（可以證明各種表述是一致的，教材85-86頁）。第二定律的實質(zhì)？教材85頁或下頁PPT熱力學第二定律的表述第5章熱力學第二定律開爾文：不可能從單一熱源取熱，并使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌绊??？藙谛匏梗翰豢赡軐崃繌牡蜏匚矬w傳至高溫物體而不引起其它變化。熱力學第二定律也可以表達成：“第二類永動機是造不出來的?！保?卡諾循環(huán)的組成

a—b

定溫吸熱過程；

b—c

定熵膨脹過程；

c—d

定溫放熱過程；

d—a

定熵壓縮過程。5.2.1

卡諾循環(huán)5.2卡諾循環(huán)、卡諾定理能量轉(zhuǎn)換方向性的實質(zhì)是能質(zhì)有差異無限可轉(zhuǎn)換能—機械能，電能部分可轉(zhuǎn)換能—熱能不可轉(zhuǎn)換能—環(huán)境介質(zhì)的熱力學能２)卡諾循環(huán)的計算內(nèi)容吸熱量放熱量循環(huán)凈功循環(huán)熱效率卡諾循環(huán)的計算第5章熱力學第二定律5.2.1卡諾循環(huán)

(1)（2）（3）當T1=T2

時，討論:(4)提高循環(huán)熱效率的途徑是:②降低

放熱的。①提高吸熱溫度,且與工質(zhì)的性質(zhì)無關;第5章熱力學第二定律5.2.2逆向卡諾循環(huán)1243高溫熱源T1低溫熱源T2制冷機右圖所示為一逆向卡諾循環(huán)。此循環(huán)消耗了外界提供的機械功即循環(huán)凈功，而將從低溫熱源吸取的熱量連同循環(huán)凈功一起排放給高溫熱源。若以制冷為目的的逆向循環(huán)稱為制冷循環(huán),以供熱為目的的稱為供熱循環(huán)。制冷循環(huán)中制冷量為制冷系數(shù)供熱循環(huán)中供暖量為供暖系數(shù)

討論：教材88頁1,2，3，4注：引入卡諾循環(huán)與逆卡諾循環(huán)的意義

5.2.3卡諾定理（可用反證法，教材88頁）第5章熱力學第二定律5.2.3卡諾定理卡諾定理1:在兩不同溫度的恒溫熱源間工作的一切可逆熱機，它們的熱效率都相等，且與工質(zhì)的性質(zhì)無關?？ㄖZ定理2:在兩不同溫度的恒溫熱源間工作的一切不可逆熱機,它們的循環(huán)熱效率都小于可逆熱機的熱效率。即ηt不可逆<ηt可逆=ηt最大。上面兩定理作為兩恒溫熱源間工作熱機的判據(jù):則該熱機是可逆熱機；①若則該熱機是不可逆熱機；②若則該熱機是不可能制造出來的。③若即例題：教材89頁例題1

例題2

5.3

狀態(tài)參數(shù)熵及其計算第5章熱力學第二定律5.3.1

熵的導出---克勞修斯積分（下式中q2為負值）可得取代數(shù)值后得或?qū)τ诳ㄖZ循環(huán)有或Ts對于任一微元卡諾循環(huán)有

或?qū)懗蓪o窮多個式子相加得即稱為克勞修斯積分。表明：若工質(zhì)經(jīng)歷一可逆循環(huán)，其吸熱量（或放熱量）除以吸熱時熱源的溫度（或放熱時冷源的溫度）的循環(huán)積分等于零。

討論：

1）因s是狀態(tài)參數(shù)，故有限過程：Δs12=s2-s1，

與過程無關；克勞修斯積分等式，（Tr–熱源溫度）式中s是狀態(tài)參數(shù)，稱熵。表明，工質(zhì)熵的變化等于傳熱量與熱源溫度的比值被積函數(shù)的循環(huán)積分為零，表明被積函數(shù)是狀態(tài)參數(shù)，令被積函數(shù)變化量：2）第5章熱力學第二定律5.3.2克勞修斯不等式（對不可逆循環(huán)。下式中q2符號？）Ts也可寫成取代數(shù)值后得或兩熱源間工作的卡諾熱機A有兩熱源間工作的不可逆熱機B有由卡諾定理可知即強調(diào)：此時T是從可逆循環(huán)中引出的，故應理解為T是熱源的溫度。對于任一微元不可逆循環(huán)有

或?qū)懗蓪o窮多個式子相加得即上面得到的兩個積分式可合寫為可用此式作為工質(zhì)循環(huán)的判據(jù):①若為可逆循環(huán)，則工質(zhì)在循環(huán)過程中的傳熱量(工質(zhì)吸熱,熱量為正；工質(zhì)放熱，熱量為負）除以傳熱時熱源的溫度的循環(huán)積分等于零。②若為不可逆循環(huán)，其循環(huán)積分小于零。（是否有疑問？熵是狀態(tài)參數(shù)，為何不同過程熵的變化不同？）③若為不可能出現(xiàn)的循環(huán)，其循環(huán)積分大于零。第5章熱力學第二定律5.3.2克勞修斯不等式第5章熱力學第二定律5.3.3不可逆過程的熵或所以有表明:傳熱量除以傳熱時熱源的溫度,若工質(zhì)的熵變量等于其值則為可逆過程,若工質(zhì)的熵變量大于其值則為不可逆過程,若工質(zhì)的熵變量小于其值則此過程不可能進行。右圖不可逆循環(huán)中1-A-2為不可逆過程，2-B-1為可逆過程,對于由此組成的不可逆循環(huán),應滿足或或Ts第5章熱力學第二定律5.3.3不可逆過程的熵１)熵的計算①.工質(zhì)總熵與比熵之間的關系②.任何物系的熵變量例:物系定溫吸熱;③復合系統(tǒng)的熵變量2)熵的組成稱為熵流，是由熱量流動帶來的熵變，取決于過程。工質(zhì)可吸熱、放熱,則熵流可正、可負；為熵產(chǎn)，由過程的不可逆性引起的熵變，取決于過程。熵產(chǎn)永為正。稱---為做功能力的損失。兩邊同除以T,得將(1)式代入(2)式顯然,若過程可逆有若過程不可逆有可逆過程不可逆過程熱力學能變化相等(2)盡管熵流和熵產(chǎn)取決于過程，但是熱力過程熵的變化量取決于初終態(tài)。

不可逆過程熵差計算如下：

即設計一組或一個初、終態(tài)與不可逆過程相同的可逆過程，計算該組可逆過程的熵差即可。例如：教材92頁圖5-9所示的兩種情況理想氣體可逆過程熵變?nèi)Q于初終態(tài)?？赡孢^程熵變計算如下：三個公式推導（結(jié)論見教材117頁例6-2）第5章熱力學第二定律任意熱力系的熵方程分析模型可表示成5.4熵方程、熵增原理與做功能力損失或?qū)懗伸胤匠蹋?.4.1熵方程1)閉口系統(tǒng)的熵方程因所以有,或表明:閉口系統(tǒng)的熵變化取決于熱力系統(tǒng)與外界交換熱量引起的熵流，以及由交換熱量、功量時的不可逆性而引起的熵產(chǎn)。2)開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動的熵方程因穩(wěn)定流動所以有表明:工質(zhì)流經(jīng)開口系統(tǒng)時引起的熵變化取決于過程中與外界交換熱量引起的熵流，以及由交換熱量、功量時的不可逆性而引起的熵產(chǎn)。熵增原理第5章熱力學第二定律而熵dSg

總是正的，則有或?qū)τ诠铝⑾到y(tǒng)因稱為孤立系統(tǒng)的熵增原理。孤立系統(tǒng)內(nèi)部進行的一切實際過程都是朝著熵增加的方向進行,極限情況維持不變；任何使孤立系統(tǒng)熵減小的過程都是不可能實現(xiàn)的。所以有熵方程或5.4.2

孤立系統(tǒng)的熵方程─熵增原理表明孤立系統(tǒng)內(nèi)部進行的過程是可逆過程。表明孤立系統(tǒng)內(nèi)部進行的過程是不可逆過程。使孤立系統(tǒng)的熵減小的過程是不可能發(fā)生的。熵增原理可作為孤立系統(tǒng)內(nèi)熱力過程能否進行的判據(jù):若若若

可逆取“=”不可逆取“>”孤立系統(tǒng)熵增原理：

孤立系內(nèi)一切過程均使孤立系統(tǒng)熵增加，其極限—一切過程均可逆時系統(tǒng)熵保持不變。

3）一切實際過程都不可逆，所以可根據(jù)熵增原理判別過程進行的方向；討論：

1）孤立系統(tǒng)熵增原理ΔSiso=Sg≥0，可作為第二定律的又一數(shù)學表達式，而且是更基本的一種表達式；熵增原理表達了熱力學第二定律的基本內(nèi)容：過程向熵增方向進行。因此常把熱力學第二定律稱熵定律，把式子：ΔSiso=Sg≥0稱熱力學第二定律的數(shù)學表達式。

2）孤立系統(tǒng)的熵增原理可推廣到閉口絕熱系；4）孤立系統(tǒng)中一切過程均不改變其總內(nèi)部儲能，即任意過程中能量守恒。但各種不可逆過程均可造成機械能損失。（而任何不可逆過程均是ΔSiso>0，所以熵可反映某種物質(zhì)的共同屬性）孤立系統(tǒng)的熵產(chǎn)

可以通過該系統(tǒng)各組成部分的熵變進行計算：如教材94頁例5-5

5.4.3作功能力損失

一切過程都是不可逆過程，都伴隨熵的產(chǎn)生和作功能力損失。那么，這二者的關系如何？公式：作功能力損失等于環(huán)境溫度乘熵增加量。

（可由熵產(chǎn)的定義引出，此處以環(huán)境狀態(tài)作為衡量系統(tǒng)做功能力大小的參考狀態(tài)，即認為系統(tǒng)與環(huán)境狀態(tài)平衡時系統(tǒng)不再具有做功能力，故以環(huán)境溫度乘熵的增加量）舉例證明上述結(jié)論：教材95頁兩處有誤

例5-1若熱機工作在T1=2000K,T2=300K兩熱源間。判斷下列1.2.3各條件下，各熱機的工作是可逆、不可逆或不可能。結(jié)論

Q1=1000JW=900JQ1=2000JQ2=300JQ2=500JW=1500J

123克勞修斯不等式不可能可逆不可逆方法熵增原理計算結(jié)果結(jié)論卡諾定理計算結(jié)論不可能可逆不可逆計算結(jié)果結(jié)果不可能可逆不可逆已知條件5.5

能量貶值原理第5章熱力學第二定律5.5.1和當系統(tǒng)由一狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時，理論上可以轉(zhuǎn)換為機械功的那部分能量，稱為(exergy)或有效能,用符號Ex表示。余下的不可能轉(zhuǎn)換為機械功的部分能量稱為該能量中的無效能部分，稱為（anergy)或無效能,用Ａn表示。這樣，總能量Ｅ可以表示成:Ｅ（總能量）＝Ex（）＋Ａn（）

1)完全可用能(電能、風能、水能),被稱為高級能量。能量中Ｅx＝Ｅ；

2)部分可用能(Ｔ>Ｔ環(huán)境時的熱能),被稱為低級可用能。能量中Ｅx<Ｅ;從能量轉(zhuǎn)換為(或可用能)的可能性來說，能量可分為三類:3)完全無用能(Ｔ＝Ｔ0時的熱能)。能量中Ｅ＝Ａn,Ex=0。

如處于環(huán)境狀態(tài)的熱能，如大氣和淺層海水中的內(nèi)能，是一種完全不可能轉(zhuǎn)換為機械功的能量。即它們中的有效能量，全部都是無效能。第5章熱力學第二定律5.5

能量貶值原理熱量，表示為ExQ

環(huán)境溫度為T0，有一溫度為Ｔ的熱源，假定在環(huán)境與熱源間有一可逆熱機，熱機內(nèi)的工質(zhì)在一循環(huán)中從熱源吸熱Q

，由卡諾定理可知此熱機對外能輸出的凈功最大，稱該功為最大功，此部分能量就是Q的有效能或稱為熱量

變溫熱源供熱時5.5.2熱量Q中的熱量熱量Q中的熱量是熱量在給定的環(huán)境條件下所能轉(zhuǎn)換的最大有用功，是熱量的基本屬性，與其是否進行循環(huán)無關。