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1、 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律 The second law of thermodynamics 5 1 热力学第二定律热力学第二定律 5 2 卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理 5 3 熵和热力学第二定律的数学表达式熵和热力学第二定律的数学表达式 5 4 熵方程与孤立系统熵增原理熵方程与孤立系统熵增原理 5 5 系统的作功能力 火用 及熵产与作功能力损失系统的作功能力 火用 及熵产与作功能力损失 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 要 求 深
2、刻领会热力学第二定律的实质 掌握卡诺循环 卡诺定理 掌握熵的意义 计算 掌握孤立系统熵增原理 计算 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 5 1 热力学第二定律热力学第二定律 一 自发过程的方向性一 自发过程的方向性 只要只要Q 不大于不大于Q 并不违反第一定律 并不违反第一定律 Q Q 有限温差传热有限温差传热 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 重物下落 水温升高重物下落 水温升高 水温下降 重物升高水温下降 重物升高 只要重物位能增加小于等于水降内能只要重物位能增加小于等于水降内能 减少 不
3、违反第一定律 减少 不违反第一定律 电流通过电阻 产生热量电流通过电阻 产生热量 对电阻加热 电阻内产生反向对电阻加热 电阻内产生反向 电流电流 只要电能不大于加入热能 不只要电能不大于加入热能 不 违反第一定律 违反第一定律 功热转化功热转化 耗散效应耗散效应 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 自由膨胀自由膨胀 膨胀未遇阻力 不对外做功 但气膨胀未遇阻力 不对外做功 但气 体不会自动压缩 升压回到原状态体不会自动压缩 升压回到原状态 混合过程混合过程 墨水和水的混合墨水和水的混合 自发过程 自发过程 自然过程中能够独立 无条件地自自然过程中
4、能够独立 无条件地自 动进行的过程 自发过程都是动进行的过程 自发过程都是不可逆不可逆的的 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 归纳 归纳 1 自发过程有 自发过程有方向性方向性 2 自发过程的反方向过程并非不可进行 而是 自发过程的反方向过程并非不可进行 而是 要有要有附加条件附加条件 3 并非所有不违反第一定律的过程均可进行 并非所有不违反第一定律的过程均可进行 能量转换方向性的能量转换方向性的 实质是实质是能质能质有差异有差异 无限可转换能无限可转换能 机械能 电能机械能 电能 部分可转换能部分可转换能 热能热能 0 TT 工程热力学 2
5、009 10 Henan Polytechnic University 热功转换热功转换 传传 热热 热二律的表述有热二律的表述有 6060 70 70 种种 1851年年 开尔文 普朗克表述开尔文 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 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 二 第二定律的两种典型表述二 第二定律的两种典型表述 1 克劳修斯叙述克劳修斯叙述 热量不可能热量不可能自发地不花代价地自发地不花代价地从低温从低温 物体传向高温物体 物体传向高温物体 2 开尔文开尔文
6、 普朗克叙述普朗克叙述 不可能制造不可能制造循环循环热机 只从热机 只从一一 个热源个热源吸热 将之吸热 将之全部全部转化为功 而转化为功 而 不在外界留下任何影响不在外界留下任何影响 3 第二定律各种表述的等效性第二定律各种表述的等效性 T1 失去失去Q1 Q2 T2 无得失无得失 热机净输出功热机净输出功Wnet Q1 Q2 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 开尔文 普朗克表述开尔文 普朗克表述 不可能从不可能从单一热源单一热源取热 并使之完全转变为有取热 并使之完全转变为有 用功而不产生其它影响用功而不产生其它影响 Kelvin Pla
7、nck 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 work 热机热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为不可能将从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冷源有用功 而必须将某一部分传给冷源 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 理想气体理想气体 T T 过程过程 q w q w T s p v 1 2 热机
8、连续作功热机 连续作功 构成循环构成循环 1 2 有吸热 有放热有吸热 有放热 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 例例 但违反了热但违反了热 力学第二定律力学第二定律 perpetual motion machine of the second kind 第二类永动机 设想的从单一热源取热并第二类永动机 设想的从单一热源取热并 使之完全变为功的热机 使之完全变为功的热机 这类永动机这类永动机 并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律 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 工程热力学 2009 10 Henan P
9、olytechnic University Perpetual motion machine of the second kind 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝 汽汽 器器 Wnet Qout Q 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体不可能将热从低温物体传至高温物体 而不引起其它变化而不引起其它变化 It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no
10、effect other than the transfer of heat from a lower temperature body to a higher temperature body Clausius statement 热量不可能自发地 不付代价热量不可能自发地 不付代价 地从低温物体传至高温物体地从低温物体传至高温物体 空调空调 制冷制冷 代价 耗功代价 耗功 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 热二律的实质热二律的实质 自发过程都是具有方向性的自发过程都是具有方向性的 表述之间等价不是偶然 说明共同本表述之间等价不是偶然 说明
11、共同本 质质 自发过程若想逆向进行 必付出代价自发过程若想逆向进行 必付出代价 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 热一律否定第一类永动机热一律否定第一类永动机 热一律与热一律与热二律热二律 t t 100100 不可能 不可能 热二律否定第二类永动机热二律否定第二类永动机 t t 100100 不可能 不可能 热机的热效率最大能达到多少 热机的热效率最大能达到多少 又与哪些因素有关 又与哪些因素有关 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 5 2 卡诺循环和多热源可逆循环分析卡诺循环和多热源可逆循
12、环分析 一 卡诺循环及其热效率一 卡诺循环及其热效率 1 卡诺循环卡诺循环 21 绝热压缩 是工作在是工作在两两个热源的之间的正向个热源的之间的正向 可逆可逆循环循环 32 等温吸热 43 绝热膨胀 14 等温放热 卡诺 卡诺 1796 1832 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率 T1 T2 Rc q1 q2 w Carnot efficiency 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University T1 t c T2 c 温差越大 t c越
13、高 t c t c只取决于 只取决于恒温热源恒温热源T T1 1和和T T2 2 而与工质的性质无关 而与工质的性质无关 2 t C 1 1 T T 卡诺循环卡诺循环热机效率的说明热机效率的说明 当T1 T2 t c 0 单热源热机不可能单热源热机不可能 T1 K T2 0 K t c Q1R多 Q2C tR多 Q1R多 T1 sc sa Q2R多 T2 sc sa T s 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 概括性卡诺热机概括性卡诺热机 如果吸热和放热的多变指数相同 b c d a f e T1 T2 完全回热完全回热 T s n n ab
14、cd ef 这个结论提供了一个提高热效率的途径 Ericsson cycle 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 循环热效率归纳 循环热效率归纳 net2 t 11 1 wq qq m m 1 T T 放 吸 L H 1 T T 适用于一切工质 任意循环适用于一切工质 任意循环 适用于多热源可逆循环 任意工质适用于多热源可逆循环 任意工质 适用于卡诺循环 概括性卡诺循环适用于卡诺循环 概括性卡诺循环 任意工质任意工质 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 定理定理1 在在相同温度相同温度的高温热源
15、和相同的低温热源的高温热源和相同的低温热源 之间工作的之间工作的一切可逆循环一切可逆循环 其 其热效率都相热效率都相 等等 与可逆循环的 与可逆循环的种类无关种类无关 与采用哪种 与采用哪种 工质也无关工质也无关 定理定理2 在同为温度在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的冷源的冷源 间工作的间工作的一切不可逆循环一切不可逆循环 其热效率必 其热效率必小小 于可逆循环热效率于可逆循环热效率 理论意义 理论意义 1 提高热机效率的途径 可逆 提高 提高热机效率的途径 可逆 提高T1 降低 降低T2 2 提高热机效率的极限 提高热机效率的极限 例例A440155 5 3 卡诺定理卡诺
16、定理 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 卡诺定理卡诺定理 热二律的推论之一热二律的推论之一 定理 在两个不同温度的定理 在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的间工作的 所有热机 以可逆热机的热效率为最高 所有热机 以可逆热机的热效率为最高 卡诺提出 卡诺循环效率最高 即在恒温T1 T2下 结论正确 但推导过程是错误的 当时盛行 热质说 1850年开尔文 1851年克劳修斯分别重新证 明 Carnot principles 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 卡诺卡诺证明证明的错误的错误 恩格斯说卡诺定理头重脚轻恩格斯说卡诺定理头重脚轻 开尔文重新证明 克劳修斯重新证明 热质说 用第一定律证明第二定律 工程热力学 2009 10 Henan Polytechnic University 卡诺定理卡诺定理推论一推论一 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一切间工作的一切可可 逆热机逆热机 具有 具有相同相同的的热效率热效率 且与工质的性质无 且与工质的性质无 关 关
