熱力學(xué)第二定律

關(guān)于熱力學(xué)第二定律第1頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、熱力過(guò)程的方向性自發(fā)過(guò)程：不需要任何外界作用而自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。自然界自發(fā)過(guò)程都具有方向性

熱量由高溫物體傳向低溫物體摩擦生熱水自動(dòng)地由高處向低處流動(dòng)電流自動(dòng)地由高電勢(shì)流向低電勢(shì)§4-1熱力學(xué)第二定律的任務(wù)第2頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三自發(fā)過(guò)程的方向性功量自發(fā)過(guò)程具有方向性、條件、限度摩擦生熱熱量100%熱量發(fā)電廠功量40%放熱第3頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三

二、熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)能不能找出共同的規(guī)律性?能不能找到一個(gè)判據(jù)?

自然界過(guò)程的方向性表現(xiàn)在不同的方面熱力過(guò)程的方向性、條件、限度第4頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三

熱功轉(zhuǎn)換

傳熱三、熱力學(xué)第二定律的表述

1851年

開爾文－普朗克表述

熱功轉(zhuǎn)換的角度

1850年

克勞修斯表述

熱量傳遞的角度第5頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三開爾文－普朗克表述

不可能制造出從單一熱源吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ涣粝缕渌魏巫兓臒釞C(jī)。熱機(jī)不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而必須將某一部分傳給冷源。第6頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三但違反了熱力學(xué)第二定律熱二律與第二類永動(dòng)機(jī)第二類永動(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)。這類永動(dòng)機(jī)并不違反熱力學(xué)第一定律第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的環(huán)境是個(gè)大熱源第7頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三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?？照{(diào),制冷代價(jià)：耗功第8頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三兩種表述的關(guān)系開爾文－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!!!第9頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三第二節(jié)卡諾循環(huán)與卡諾定理法國(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第10頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三卡諾循環(huán)—理想可逆熱機(jī)循環(huán)卡諾循環(huán)示意圖4-1可逆絕熱壓縮過(guò)程，對(duì)內(nèi)作功1-2可逆定溫吸熱過(guò)程，q1=T1(s2-s1)2-3可逆絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外作功3-4可逆定溫放熱過(guò)程，q2=T2(s2-s1)第11頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三卡諾循環(huán)熱機(jī)效率卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rcq1q2w第12頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三?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?T1t,c,T2

c，溫差越大，t,c越高?

當(dāng)T1=T2，t,c=0,單熱源熱機(jī)不可能?

T1=K,T2=0K,t,c<100%，熱二律第13頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三T0

c卡諾逆循環(huán)卡諾制冷循環(huán)T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2

c

第14頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三T1

’卡諾逆循環(huán)卡諾供熱循環(huán)T0T1供熱TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0

’第15頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三卡諾定理一

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)。卡諾定理二在兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的任何不可逆熱機(jī)，其熱效率總小于這兩個(gè)熱源間工作的可逆熱機(jī)的效率。第16頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三卡諾定理舉例

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第17頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三例1：以T1、T2為變量導(dǎo)出圖中所示的兩個(gè)可逆循環(huán)的熱效率表達(dá)式。若熱源溫度T1=1000K，冷源溫度T2=300K，則循環(huán)的熱效率各為多少？熱源每提供100kJ熱量時(shí)，圖(b)所示循環(huán)比卡諾循環(huán)少作功多少？分析：圖(a)中的循環(huán)是工作在T1、T2之間的卡諾循環(huán)；圖(b)中的循環(huán)是一個(gè)多熱源的可逆循環(huán)，故圖(a)、(b)循環(huán)的熱效率表達(dá)式將不同。第18頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三第19頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三節(jié)狀態(tài)參數(shù)熵及熵方程一、熵的導(dǎo)出卡諾定理給出熱機(jī)的最高理想效率最高克勞修斯不等式反映方向性定義熵vpacbddq1dq2定溫線定熵線對(duì)于整個(gè)可逆循環(huán)：可逆循環(huán)第20頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三定義：熵比熵第21頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三vp12abdq1dq2定溫線定熵線對(duì)于整個(gè)不可逆循環(huán)：不可逆循環(huán)克勞修斯不等式：即第22頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三vp12abdq1dq2定溫線定熵線不可逆循環(huán)即該式說(shuō)明當(dāng)過(guò)程不可逆時(shí)，系統(tǒng)熵變大于克勞修斯積分。第23頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.閉口系統(tǒng)熵方程二、熵方程對(duì)于可逆過(guò)程：對(duì)于相同初、終態(tài)的不可逆過(guò)程：熵流：熵產(chǎn)：熵產(chǎn)是由閉口系統(tǒng)內(nèi)部任何不可逆因素帶來(lái)的熵變。第24頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三為由于過(guò)程不可逆帶來(lái)的作功能力的損失。閉口系統(tǒng)的熵方程：上式表明：閉口系統(tǒng)的熵變是由熵流和熵產(chǎn)兩部分組成。對(duì)不可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵變除了熱量的流動(dòng)引起的熵流外，還應(yīng)包括不可逆過(guò)程導(dǎo)致的熵產(chǎn)。或或第25頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三（p，T1）（p，T2）

a、作功（絕熱攪拌）sf=0，Dsa=sgb、可逆?zhèn)鳠醩g=0，Dsb=sf第26頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.開口系統(tǒng)熵方程控制體熵方程可寫成：s2m2s1m1dscv,sfsf對(duì)于穩(wěn)態(tài)流的開口系：第27頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三３.孤立系統(tǒng)熵方程上式說(shuō)明：孤立系統(tǒng)的熵變等于孤立系統(tǒng)的熵產(chǎn)，也就是說(shuō)孤立系統(tǒng)的熵產(chǎn)可以通過(guò)該系統(tǒng)各組成部分的熵變進(jìn)行計(jì)算。第28頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三例1：氣體在容器中絕熱自由膨脹是一個(gè)典型的不可逆絕熱過(guò)程。如圖所示，設(shè)容器左右兩邊容積相等，左邊盛有0.1kg空氣，右邊為真空，容器為剛性絕熱。當(dāng)隔板抽去后，空氣充滿整個(gè)容器，求空氣熵的變化。第29頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三解：因?yàn)榻^熱過(guò)程，由熱一律，熵的增加是由于不可逆膨脹的熵產(chǎn)引起的。第30頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三例2：壓縮氣體通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹并對(duì)外作功。已知?dú)怏w進(jìn)氣參數(shù)為p1=400kPa，T1=400K，排氣參數(shù)為p2=200kPa，T2=350K。設(shè)空氣為定比熱容理想氣體，試求每流過(guò)1kg氣體造成的熵產(chǎn)。解：取汽輪機(jī)為控制體，連同它的外界空氣質(zhì)源及功源構(gòu)成孤立系統(tǒng)，列熵方程：由熱一律，第31頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三第四節(jié)孤立系統(tǒng)熵增原理與作功能力損失一、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)式之一第32頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三孤立系熵增原理的意義(1)可通過(guò)孤立系統(tǒng)的熵增原理判斷過(guò)程進(jìn)行的方向。自發(fā)過(guò)程(2)熵增原理可作為系統(tǒng)平衡的判據(jù)：當(dāng)孤立系統(tǒng)的熵達(dá)到最大值時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。(3)熵增原理與過(guò)程的不可逆性密切相關(guān)，不可逆程度越大，熵增也越大，由此可以定量地評(píng)價(jià)過(guò)程的熱力學(xué)性能的完善性。第33頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三作功能力損失RQ1Q2WR卡諾定理tR>

tIR

可逆T1T0IRWIRQ1’Q2’作功能力:以環(huán)境為基準(zhǔn),系統(tǒng)可能作出的最大功假定Q1=Q1’

，WR

>WIR

作功能力損失L第34頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三作功能力損失T1T0RQ1Q2WIRW’Q1’Q2’假定Q1=Q1’

，

WR>WIR

作功能力損失L第35頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三例3：某熱機(jī)循環(huán)工作于熱源t1=500oC及冷源t2=20oC之間，它進(jìn)行的是一個(gè)abcda不可逆循環(huán)，如圖所示，ab為可逆等溫吸熱，bc為不可逆絕熱膨脹，工質(zhì)熵增加0.1kJ/（kgK），cd為可逆等溫放熱過(guò)程，da為定熵壓縮過(guò)程。循環(huán)工質(zhì)為1kg空氣，熱源放熱量q1=1000kJ/kg。求循環(huán)凈功及孤立系統(tǒng)作功能力損失。第36頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三解：熱源熵減小，

冷源熵增大，則冷源吸熱量q2為，不可逆循環(huán)熱效率為，第37頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三

循環(huán)凈功為

孤立系統(tǒng)熵增為，最大可逆循環(huán)凈功為不可逆損失為，LL第38頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三第五節(jié)火用與火無(wú)一、火用與火無(wú)的定義能量轉(zhuǎn)換能力可以完全轉(zhuǎn)換的能量，如機(jī)械能、電能可部分轉(zhuǎn)換的能量，如熱量、熱力學(xué)能等不能轉(zhuǎn)換的能量，如環(huán)境狀態(tài)下的熱力學(xué)能火用與火無(wú)的定義：當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆轉(zhuǎn)變到與環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，能最大限度轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為火用。不能轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為火無(wú)。第39頁(yè)，講稿共43頁(yè)，2023年5月2日，星期三能量轉(zhuǎn)換能力可以完全轉(zhuǎn)換的能量，火用可部分轉(zhuǎn)換的能量，火用和火無(wú)不能轉(zhuǎn)換的能量，火無(wú)能量=火用+火無(wú)熱力學(xué)第一定律：能量守恒，