1、1,第4章 熱力學(xué)第二定律,4.1 熱力學(xué)第二定律,4.1.1 熱力過程的方向性,自發(fā)過程：,不需要任何外界作用而自動(dòng)進(jìn)行的過程,自發(fā)過程是不可逆的 。要想使自發(fā)過程逆向進(jìn)行，就必須付出某種代價(jià)，或者說給外界留下某種變化。,2,4.1.2 熱力學(xué)第二定律的表述,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。 （熱量傳遞）,開爾文表述：,不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響。（熱功轉(zhuǎn)換）,3,法國工程師卡諾 (S. Carnot)， 1824年提出 卡諾循環(huán),熱機(jī)能達(dá)到的最高效率有多少？,效率最高,4.2 卡諾循環(huán)與卡諾定理,4,4.2.1 卡諾循環(huán),卡諾

2、循環(huán)是一種理想熱機(jī)工作循環(huán)，它由兩個(gè)可逆定溫過程和兩個(gè)可逆絕熱過程組成。,4-1絕熱壓縮過程，對(duì)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(duì)外作功,3-4定溫放熱過程， q2 = T2(s2-s1),5,卡諾循環(huán)熱效率：,t,c,6,概括性卡諾循環(huán),吸熱和放熱的多變指數(shù)相同,b,c,d,a,c,d,T1,T2,T,s,這個(gè)結(jié)論提供了一個(gè)提高熱效率的途徑,7,4.2.2 卡諾定理,定理一：,在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)具有相同的熱效率，與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。,定理二：,在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的任何不可逆熱機(jī)的熱效率都小于可逆熱機(jī)的熱效率

3、。,8,單一熱源熱機(jī)，違背熱力學(xué)第二定律,假如AB,A帶動(dòng)B逆向運(yùn)行,A帶動(dòng)B逆向運(yùn)行,AB、AB不可能,AB,WAWB，Q2A Q2B,Q2B-Q2A= WA-WB,9,結(jié)論：,c只取決于高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟?，而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。,當(dāng)T1=T2，c = 0, 沒溫差不可能連續(xù)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，單熱源熱機(jī)不存在。,T1 = K, T2 = 0 K, c 100%， 通過熱機(jī)循環(huán)不可能將熱能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。,c,10,4.3 熵及孤立系統(tǒng)熵增原理,4.3.1 熵的導(dǎo)出,比熵的定義式,比熵是由熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)。,根據(jù)卡諾定理，在溫度分別為T1與T2的兩個(gè)恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆

4、熱機(jī)的熱效率都相同，與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。,式中q1、q2均為絕對(duì)值，若取代數(shù)值，吸熱正，放熱負(fù)，則,11,對(duì)于任意一個(gè)可逆循環(huán)，可以用一組可逆絕熱線，將其分割成無數(shù)微元卡諾循環(huán)。,對(duì)整個(gè)循環(huán)積分，則得,克勞修斯積分等式,對(duì)于每一個(gè)微元卡諾循環(huán)，,q,12,可逆過程的積分值相等，與路徑無關(guān)。,根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)斷定，q/T一定是某一狀態(tài)參數(shù)的全微分。這一狀態(tài)參數(shù)被稱為比熵，用s 表示。,注意：由于是可逆過程，T 既是工質(zhì)的溫度，也等于熱源的溫度。,質(zhì)量為m，則,13,克勞修斯不等式,根據(jù)卡諾定理，在相同的恒溫高溫?zé)嵩碩1和恒溫低溫?zé)嵩碩2之間工作的不可逆熱機(jī)的熱效率一定小于可逆熱機(jī)的熱效率，即,1

5、4,一個(gè)不可逆循環(huán)可以用無數(shù)不可逆絕熱線分割成無數(shù)微元循環(huán)，對(duì)任意一個(gè)不可逆微元循環(huán)，,對(duì)整個(gè)不可逆循環(huán)積分,上式稱為克勞修斯不等式，適用于任意不可逆循環(huán)。,克勞修斯不等式與克勞修斯等式合寫成,上式可用于判斷一個(gè)循環(huán)是否能進(jìn)行，是否可逆。,15,4.3.2 不可逆過程熵的變化,對(duì)于由不可逆過程1-A-2與可逆過程2-B-1組成的不可逆循環(huán)1A2B1，根據(jù)克勞修斯不等式,對(duì)于可逆過程2-B-1，,（可逆；不可逆）,2B1,1A2,1A2,16,對(duì)于微元過程，,可判斷過程能否進(jìn)行、是否可逆、不可逆性大小。,熱力學(xué)第二定律表達(dá)式,可逆與否的判別：,（1） ， 用于判斷循環(huán)；,（2） ，用于判斷過程；

6、,（3） ，用于微元過程。,17,根據(jù)上式，可以將熵的變化分成兩部分：,dSf 稱為熵流，,吸熱：dSf 0；,放熱：dSf 0；,絕熱：dSf 0；,dSg稱為熵產(chǎn)，是由于過程不可逆造成的熵變。,過程不可逆性愈大，熵產(chǎn)愈大， dSg 0 。,熵產(chǎn)是過程不可逆性大小的度量。,18,4.3.3 孤立系統(tǒng)熵增原理與作功能力損失,1. 孤立系統(tǒng)熵增原理,對(duì)于孤立系統(tǒng)，,上式表明：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。孤立系統(tǒng)的熵增完全由熵產(chǎn)組成，其大小取決于系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆性。,它還說明，一切實(shí)際過程都一定朝著使孤立系統(tǒng)的熵增大的方向進(jìn)行，任何使孤立系統(tǒng)的熵減小的過程都是不能發(fā)生的。,19,2. 作功能力的損失,作功能力:,在給定的環(huán)境條件下，系統(tǒng)達(dá)到與環(huán)境熱力平衡時(shí)可能作出的最大有用功。,作功能力損失與孤立系統(tǒng)熵增的關(guān)系：,由卡諾定理可知，,20,令,由不可逆引起的功的損失為,如果將熱源、環(huán)境、可逆熱機(jī)R、不可逆熱機(jī)IR合起來看作一個(gè)孤立系統(tǒng)，則經(jīng)過一個(gè)工作循環(huán)后，此孤立系統(tǒng)的熵增為,，又對(duì)于可逆熱機(jī)，,因?yàn)?21,由上式可得,由此可見，當(dāng)環(huán)境的熱力學(xué)溫度T0確定后，作功能