第五章熱力學(xué)第二定律SecondLawofThermodynamics本章要求

深入理解熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，認(rèn)識能量不僅有“量”的多少，而且還有“質(zhì)”的高低；掌握卡諾定理，掌握熵的意義、計(jì)算和應(yīng)用；掌握孤立系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)熵增的計(jì)算，從而明確能量損耗的計(jì)算方法；了解火用（可用能、有用能）的概念及其計(jì)算；學(xué)會用熵分析法或火用分析法對熱力過程進(jìn)行熱工分析，認(rèn)識提高能量利用經(jīng)濟(jì)性的方向、途徑和方法。5－1

5－4作業(yè)能量之間數(shù)量的關(guān)系熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)換定律所有滿足能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的過程是否都能自發(fā)進(jìn)行自發(fā)過程的方向性自發(fā)過程：不需要任何外界作用而自動進(jìn)行的過程。自然界自發(fā)過程都具有方向性

熱量由高溫物體傳向低溫物體摩擦生熱水自動地由高處向低處流動電流自動地由高電勢流向低電勢自發(fā)過程的方向性功量自發(fā)過程具有方向性、條件、限度摩擦生熱熱量100%熱量發(fā)電廠功量40%放熱SpontaneousprocessHeattransfer常見的不可逆過程不等溫傳熱T1T2T1>T2Q節(jié)流過程

(閥門）p1p2p1>p2FrequentlyencounteredirreversibilitiesThrottler常見的不可逆過程混合過程?????????????????★★★★★★★★★★★★★★自由膨脹真空????????????FrequentlyencounteredirreversibilitiesUnrestrainedexpansionMixingprocess★可逆過程的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程+無耗散效應(yīng)=可逆過程無不平衡勢差通過摩擦使功變熱的效應(yīng)(摩阻，電阻，非彈性變性，磁阻等）

不平衡勢差

不可逆根源

耗散效應(yīng)

耗散效應(yīng)

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?能不能找到一個判據(jù)?

自然界過程的方向性表現(xiàn)在不同的方面熱力學(xué)第二定律§5-1

熱二律的表述與實(shí)質(zhì)

熱功轉(zhuǎn)換

傳熱

熱二律的表述有60-70

種

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LordKelvin開爾文原名：W.湯姆遜WilliamThomson（1824-1907）英國熱二律開爾文溫度焦湯系數(shù)MaxPlanckM.普朗克（1858-1947）德國發(fā)現(xiàn)能量子（量子理論）獲1918諾貝爾物理學(xué)獎R.克勞修斯

RudolphClausius（1822-1888）德國熱一律熱二律一、開爾文－普朗克表述

不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。Kelvin－PlanckStatement

Itisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.開爾文－普朗克表述

不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。

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。理想氣體T

過程q=wKelvin－PlanckStatement理想氣體T

過程q=wT

s

p

v

1

2

熱機(jī)：連續(xù)作功構(gòu)成循環(huán)1

2

有吸熱，有放熱Heatreservoirs

ThermalEnergy

Source

Heat

ThermalEnergy

Sink冷熱源:容量無限大，取、放熱其溫度不變

但違反了熱力學(xué)第二定律perpetual-motionmachineofthesecondkind第二類永動機(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)。這類永動機(jī)并不違反熱力學(xué)第一定律第二類永動機(jī)是不可能制造成功的環(huán)境是個大熱源Perpetual–motionmachineofthesecondkind鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器WnetQoutQPerpetual–motionmachineofthesecondkind鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器WnetQoutQ二、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。

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalower-temperaturebodytoahigher-temperaturebody.Clausiusstatement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Clausiusstatement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!!!證明1、違反開表述導(dǎo)致違反克表述

Q1’=WA+Q2’反證法：假定違反開表述熱機(jī)A從單熱源吸熱全部作功Q1=WA

用熱機(jī)A帶動可逆制冷機(jī)B

取絕對值

Q1’-Q2’=WA=Q1

Q1’-Q1=Q2’

違反克表述

T1熱源AB冷源T2<T1

Q2’Q1’WAQ1證明2、違反克表述導(dǎo)致違反開表述

WA=Q1-Q2反證法：假定違反克表述

Q2熱量無償從冷源送到熱源假定熱機(jī)A從熱源吸熱Q1

冷源無變化

從熱源吸收Q1-Q2全變成功WA

違反開表述

T1

熱源A冷源T2<T1

Q2Q2WAQ1Q2對外作功WA對冷源放熱Q2熱二律的實(shí)質(zhì)

?

自發(fā)過程都是具有方向性的

?

表述之間等價(jià)不是偶然，說明共同本質(zhì)

?

若想逆向進(jìn)行，必付出代價(jià)熱一律否定第一類永動機(jī)熱機(jī)的熱效率最大能達(dá)到多少？又與哪些因素有關(guān)？???熱一律與熱二律t

>100％不可能熱二律否定第二類永動機(jī)t

=100％不可能§5-2

卡諾循環(huán)法國工程師卡諾(S.Carnot)，1824年提出卡諾循環(huán)熱二律奠基人效率最高S.卡諾

NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法國卡諾循環(huán)和卡諾定理，熱二律奠基人卡諾循環(huán)—

理想可逆熱機(jī)循環(huán)卡諾循環(huán)示意圖4-1絕熱壓縮過程，對內(nèi)作功1-2定溫吸熱過程，q1=T1(s2-s1)2-3絕熱膨脹過程，對外作功3-4定溫放熱過程，q2=T2(s2-s1)CarnotcycleCarnotheatengine卡諾循環(huán)熱機(jī)效率卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rcq1q2wCarnotefficiency?

t,c只取決于恒溫?zé)嵩碩1和T2

而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)；卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的說明?

T1

t,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ConstantheatreservoirT0

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

c

T1

’卡諾逆循環(huán)卡諾制熱循環(huán)T0T1制熱TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0

’三種卡諾循環(huán)T0T2T1制冷制熱TsT1’T2’動力

有一卡諾熱機(jī),從T1熱源吸熱Q1,向T0環(huán)境放熱Q2,對外作功W帶動另一卡諾逆循環(huán),從T2冷源吸熱Q2’,向T0放熱Q1’例