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1、1 09年版FRL1 工程热力学基础工程热力学基础 Email: FANRL Tel: 13910526968 Office: 土木环境楼土木环境楼1210 北京科技大学 设备工程系 范让林 09年版FRL2 第二章 热力学第二定律 第二章 热力学第二定律 Second Law of Thermodynamics 09年版FRL3 本章的主要内容 2-1 热二律的表述与实质热二律的表述与实质 2-2 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理 2-3 孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理 09年版FRL4 能量之间能量之间数量数量的关系的关系 热力学第一定律热力学第一定律 能量守恒与转换定律能量守恒与转
2、换定律 所有满足能量守恒与转换定律 的过程是否都能 所有满足能量守恒与转换定律 的过程是否都能自发自发进行？进行？ 09年版FRL5 自发过程的方向性自发过程的方向性 自发过程：自发过程：不需要任何外界作用而自动进 行的过程。 不需要任何外界作用而自动进 行的过程。 自然界自发过程都具有方向性！自然界自发过程都具有方向性！ ?热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体 ?摩擦生热摩擦生热 ?水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动 ?电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势 09年版FRL6 自发过程的方向性自发过程的方向性 功量功量 自发过程具有方向性、条件
3、、限度自发过程具有方向性、条件、限度 摩擦生热摩擦生热 热量热量 100% 热量热量 发电厂 功量功量 40% 放热放热 Spontaneous process 2 09年版FRL7 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质 能不能找出能不能找出共同共同的规律性的规律性? 能不能找到一个能不能找到一个判据判据? 自然界过程的自然界过程的方向性方向性表现在不同的方面表现在不同的方面 热力学第二定律热力学第二定律 09年版FRL8 2-1 热二律的表述与实质2-1 热二律的表述与实质 热功转换传 热热功转换传 热 热二律的热二律的表述表述有有 60-7060-70 种种 1851年年 开尔文普朗克
4、表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度 09年版FRL9 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 不可能不可能从从单一热源单一热源取热，并使之取热，并使之完 全转变为有用功 完 全转变为有用功而而不产生其他影响不产生其他影响。 KelvinPlanck Statement It is impossible for any device that operates on a cycle to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of
5、work. 09年版FRL10 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 不可能不可能从从单一热源单一热源取热，并使之取热，并使之完 全转变为有用功 完 全转变为有用功而而不产生其他影响不产生其他影响。 热机不可能将从热机不可能将从热源热源吸收的热量全部转变 为有用功，而必须将某一部分传给 吸收的热量全部转变 为有用功，而必须将某一部分传给冷源冷源。 理想气体理想气体 T过程过程q = = w KelvinPlanck Statement 09年版FRL11 理想气体理想气体 T 过程过程 q = w T s p v 12 热机：连续作功 构成循环 热机：连续作功 构成循环 1 2 有吸热，有放热有吸
6、热，有放热 09年版FRL12 但违反了热 力学第二定律 但违反了热 力学第二定律 perpetual-motion machine of the second kind 第二类永动机：设想的从第二类永动机：设想的从单一热源单一热源取热并 使之完全变为功的热机。 取热并 使之完全变为功的热机。 这类永动机 并不违反热力 学第一定律 这类永动机 并不违反热力 学第一定律 第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的 3 09年版FRL13 Perpetual motion machine of the second kind 锅 炉 锅 炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水
7、泵 凝 汽 器 凝 汽 器 Wnet Qout Q 09年版FRL14 克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能不可能将热将热从低温从低温物体传物体传至高温至高温 物体而物体而不引起其他变化不引起其他变化。 It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body. Clausius statement 09
8、年版FRL15 克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能不可能将热将热从低温从低温物体传物体传至高温至高温 物体而物体而不引起其他变化不引起其他变化。 热量不可能自发地、不付代价地从 低温物体传至高温物体 热量不可能自发地、不付代价地从 低温物体传至高温物体。 空调，制冷空调，制冷代价：耗功代价：耗功 Clausius statement 09年版FRL16 两种表述的关系两种表述的关系 开尔文普朗克 表述 开尔文普朗克 表述 完全等效! 克劳修斯表述克劳修斯表述 违反一种表述，必违反另一种表述! 09年版FRL17 证明1、违反证明1、违反开表述开表述导致违反导致违反克表述克表述 Q1 = WA+
9、Q2 反证法：反证法：假定违反假定违反开表述开表述 热机热机A从单热源吸热全部作功从单热源吸热全部作功 Q1 = WA 用热机用热机A带动可逆制冷机带动可逆制冷机B 取绝对值取绝对值 Q1 -Q2= WA= Q1 Q1 -Q1= Q2 违反违反克表述克表述 T1热源热源 AB 冷源冷源 T2 如果如果 t,IR 1 W Q = t,R 1 W Q = Q1= Q1 W W “热质说热质说”，水，水, 高位到低位， 作功，流量不变 热经过热机作功，高温到低 温，热量不变 高位到低位， 作功，流量不变 热经过热机作功，高温到低 温，热量不变 Q2= Q1 Q2= Q1Q2= Q2 T1和和T2无变
10、化，作出净功无变化，作出净功W-W , 违反热一律 把 违反热一律 把R逆转逆转 Q1 Q2 R 自学自学 09年版FRL30 卡诺证明的错误卡诺证明的错误 恩格斯恩格斯说卡诺定理头重脚轻说卡诺定理头重脚轻 开尔文重新证明开尔文重新证明 克劳修斯重新证明克劳修斯重新证明 用第一定律证明第二定律用第一定律证明第二定律 自学自学 6 09年版FRL31 开尔文的证明开尔文的证明反证法反证法 若若 tIR tR T1 T2 IRR Q1Q1 Q2Q2 WIR IRR WW WIR-WR= Q2- Q2 0 T1无变化 从 无变化 从T2吸热吸热Q2-Q2 违反开表述，单热源热机违反开表述，单热源热机
11、 WR 假定假定Q1= Q1 要证明 要证明 tIRtR 把把R逆转逆转 -WR WIR=Q1-Q2WR=Q1-Q2 对外作功对外作功WIR-WR 自学自学 09年版FRL32 克劳修斯的证明克劳修斯的证明反证法反证法 假定：假定：WIR=WR 若若 tIR tR T1 T2 IRR Q1Q1 Q2Q2 WIR IRR 11 WW QQ Q1 0 从从T2吸热吸热Q2-Q2 向向T1放热放热Q1-Q1 不付代价不付代价 违反克表述违反克表述 要证明要证明 tIRtR Q1-Q2= Q1-Q2 WR 把把R逆转逆转 自学自学 09年版FRL33 卡诺定理推论一卡诺定理推论一 在两个不同温度的在两
12、个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的一 切 间工作的一 切可逆热机可逆热机，具有，具有相同相同的的热效率热效率，且，且与工质 的性质无关 与工质 的性质无关。 T1 T2 R1R2 Q1Q1 Q2Q2 WR1 求证：求证： tR1= tR2 由卡诺定理由卡诺定理 tR1 tR2 tR2 tR1 WR2 只有：只有： tR1= tR2 tR1= tR2= tC 与工质无关与工质无关 09年版FRL34 卡诺定理推论二卡诺定理推论二 在两个不同温度的在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的任 何 间工作的任 何不可逆热机不可逆热机，其热效率，其热效率总小于总小于这两个热源 间工作的 这两个热源 间
13、工作的可逆热机可逆热机的效率。的效率。 T1 T2 IRR Q1Q1 Q2Q2 WIR 已证：已证： tIR tR证明证明 tIR= tR 反证法反证法,假定：假定： tIR= tR 令令 Q1 = Q1则则WIR= WR 工质循环、冷热源均恢复原 状，外界无痕迹，只有可逆才 行，与原假定矛盾。 工质循环、冷热源均恢复原 状，外界无痕迹，只有可逆才 行，与原假定矛盾。 Q1- Q1= Q2- Q2= 0 WR 09年版FRL35 卡诺定理小结卡诺定理小结 1、在两个不同在两个不同 T 的的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切 可逆可逆热机热机 tR= tC 2、多多热源间工作的一切可逆热机热源间工作的一切可逆热机 tR多 多T2可自发传热可自发传热 iso 0S 当当T1 09年版FRL45 热二律的表述热二律的表述 热二律的表达式热二律的表达式 孤立系熵增原理孤立系熵增原理 第二章 小 结第二章 小 结 Summary 掌握掌握 一般了解一般了解
