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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，過程的發(fā)生是有限度的。并且，這個(gè)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(dòng)均等氣體自動(dòng)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(shí)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(jìn)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(jī)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(jìn)行，反之需一定條件—補(bǔ)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?zé)嵩矗?-2熱力學(xué)第二定律的實(shí)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(jī)4-2熱力學(xué)第二定律的實(shí)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(jī)（heatengines）.熱機(jī)通常遵循下面的特性：1.接受高溫?zé)嵩吹臒崃浚?.轉(zhuǎn)化部分的熱為功；3.放出剩余的熱給低溫?zé)嵩矗?.經(jīng)歷循環(huán)4-2熱力學(xué)第二定律的實(shí)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(shí)質(zhì)與表述不可能制成一種循環(huán)的熱機(jī)，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(jī)為例，熱機(jī)循環(huán)除了熱變功外，還必定有一定的熱量從高溫?zé)嵩磦鹘o低溫?zé)嵩?，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(jìn)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(shí)質(zhì)與表述高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2兩個(gè)不同溫度的物體相互接觸時(shí)，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(jī)，當(dāng)然可以把熱量由低溫傳遞到高溫，但要以外界作功為代價(jià)，也就是引起了其它變化。克氏表述指明熱傳導(dǎo)過程是有方向的。4.克勞修斯表述熱量不能自動(dòng)地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌淖兓５?3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(shí)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(dòng)機(jī)是不能制造的.

歷史上首個(gè)成型的第二類永動(dòng)機(jī)裝置是1881年美國人約翰·嘎姆吉為美國海軍設(shè)計(jì)的零發(fā)動(dòng)機(jī)，這一裝置利用海水的熱量將液氨汽化，推動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。但是這一裝置無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)槠蟮囊喊痹跊]有低溫?zé)嵩创嬖诘臈l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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)，但有重要的理論意義，它指明了一切熱機(jī)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(xí)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?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g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(jī)效率的途徑：可逆、提高T1，降低T2

2）提高熱機(jī)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(rèn)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(gè)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(gè)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(shí)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(dá)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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?yàn)?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(diǎn)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(jì)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(jìn)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(yùn)。簡而言之，第二定律認(rèn)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(rèn)為宇宙的“熵”（無序程度）與日俱增。例如，機(jī)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(diǎn)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(jìn)行核反應(yīng)?？傊钪嬷忻總€(gè)局部的熵減少，都須以其它地方的熵增加為代價(jià)。在一個(gè)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(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到一種完全均勻的熱動(dòng)平衡的狀態(tài)，不會(huì)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(dá)熱動(dòng)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(huì)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(qiáng)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(rèn)識A)能量退化角度認(rèn)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(rèn)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(jī)就是熵的危機(jī)第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六二、熵與生命熱律