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1、,5 3 卡诺定理,52 卡诺循环和多热源可逆循环分析,第五章 热力学第二定律,51 热力学第二定律,5 4 熵、热力学第二定律的数学表达式,55 熵方程,5 6 孤立系统熵增原理,5 7 火用参数的基本概念、热量火用,58 工质火用及系统火用平衡方程,能量转换与传递过程中的数量关系,热力学第一定律,能量转换与守恒定律,所有满足能量转换与守恒定律的过程是否都能进行?如果不是，过程的方向性？条件？限度？,5-1 热力学第二定律,一、热力过程的方向性 (热力学第二定律的本质),1.任何发生的过程必须遵从热力学第一定律，但满足热力学第一定律的过程未必一定能自动发生。,(1)、功热转换,机械能,热能,
2、(2)、电阻使电能变为热,电能,热,(3)、有限温差传热,高温,低温,气体自由膨胀,(4)、自由膨胀,空气,真空,(5)、混合过程,氧气,氮气,自发过程：自然过程中凡是能够独立、无条件地自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。 自发过程有方向性； 并非所有满足第一定律的过程均可自动发生。 自发过程的逆过程并非不可发生的，而是不能自动发生。若满足一定的附加条件，也是可以发生的； 非自发过程的发生必须付出某种代价作为补偿。,2.如果能量转换过程中无热能介入，过程就无所谓方向性。,只有涉及热现象的能量转换过程才有方向性！,3. 为什么有热能介入时就显示出过程的方向性？,高、低品位能量之间转换难
3、易程度不一样！,能量品位不同 热能属于无序能，品位较低 机械能、电能属于有序能，品位较高,能量转换方向性的 实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,4. 能量的品位,能量品质降低的过程可自发进行，反之需一定补偿条件，其总效果是总体能质降低。,5. 热力学第二定律的任务,研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过程的补偿和补偿限度是热力学第二定律的任务。即，找出判断任何热过程进行的方向、条件和限度的一般判据，能够阐明热过程的方向、条件和限度。,研究思路：,逻辑推理,一般判据 （理性）,实际应用,二、热力学第二定律的表述,热力学第二定律应用范
4、围极为广泛（诸如热量传递、热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体扩散、分离、溶解、结晶、生物化学、生命现象、低温物理、气象等领域）。针对各类具体问题，热力学第二定律有各种形式的表述（60-70种），这里只介绍两种最基本的表达形式。,热功转换,热量传递,1851年 开尔文表述,1850年克劳修斯表述,克劳休斯说法 （针对传热）: 不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。,（1822-1888） 德国 热一律 热二律,开尔文说法 （针对热功转换）: 不可能从单一物体取热使之完全变为功而不引起其它变化。,原名： W. 汤姆逊 William Thomson （1824-1907） 英国 热二律
5、 开尔文温度 焦汤系数,1、两种经典说法 克劳休斯说法（针对传热）:不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。 开尔文说法（针对功热转换）:不可能从单一物体取热使之完全变为功而不引起其它变化。,以上两种说法是一致的，如果违犯了开尔文说法，必将违犯克劳修斯说法。,2、两种说法的等效性,思路：假设Kelvin说法不成立，推导出Clausius 说法也不成立。 高温热源： 得到热量QL低温热源： 失去热量QL外界无变化。也就是： Kelvin说法不成立， 则Clausius 说法也不成立。,证明2、违反克劳休斯表述导致违反开尔文表述,对外输出功：WA = Q1 - Q2,反证法：假定违反克劳
6、休斯表述。Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机A从热源吸热：Q1,Q2热量无偿地回到热源，冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开尔文表述,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对冷源放热：Q2,但违反了热 力学第二定律,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,环境是个大热源,3、热力学第二定律与第二类永动机,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。,既然单一热源的热机不能实现，那么至少两个热源怎样呢？最大可能的转化效率是多少？,可逆过程： 不存在方向性,不可逆,方向性,热力学第二定律描述,热力学第二定律说法等效,不可逆过程共同属性,不可逆属
7、性能否用统一状态参数描述？,4、过程可逆性与方向性关系,5-2 卡诺循环和多热源可逆循环分析,一、卡诺循环,定义：工作在两个恒温热源（ T1 和T2 ）间的理想可逆正循环,组成：卡诺循环由两个可逆定温和两个可逆绝热可逆过程组成,卡诺循环示意图,4-1绝热压缩过程，对内作功,1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1),2-3绝热膨胀过程，对外作功,3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1),卡诺循环的热效率：,讨论：,（3）,（2）,（1）c只取决于恒温热源T1和T2，与工质的性质无关；,（4）,第二类永动机不可能制成,（5）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a）一切过程不可逆；
8、b）气体实施等温吸热，等温放热困难；c）气体卡诺循环净功太小。,（6）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。,二、概括性卡诺循环,两热源间的极限回热循环,图示循环: 吸热和放热，无温差、定温，可逆。 膨胀和压缩，非绝热可逆过程（多变指数为n的多变过程），必然有吸热或放热，而此时工质与热源温度不等，不可逆。怎样才能可逆呢？,回热：工质在回热器中，实现工质内部相互传热（工质自己加热自己），即压缩过程a-b中放出的热量，加到膨胀过程c-d上 。,极限回热（可逆回热），Qcd=Qab，要求ab和cd过程线“平行”。 概括性卡诺循环正是借助于极限回热而得以实现的，因此也称为极限回热循环。,当回热器趋向
9、于无穷多个的时候会出现什么情况呢？,这个结论提供了一个提高热效率的途径,注意：循环分析时，吸热量q1是指从高温热源吸收的热量；放热量q2是指向低温热源释放的热量。a-b、c-d过程中交换的热量是系统内部的热量交换，不应计入q1和q2中。,回热,三、逆卡诺循环,T1 c,T2 c,q1,q2,w,1、制冷循环,制冷系数,三、逆卡诺循环,T1 c ,T2 c,q1,q2,w,2、热泵循环,供暖系数,四、多热源可逆循环,吸热量q1=面积ehgnme,放热量q2 =面积elgnme,定义平均吸和放热温度,循环热效率归纳：, c只取决于恒温热源T1和T2 ，而与工质的性质无关；,卡诺循环热机效率的说明,
10、两个恒温热源间工作的一切可逆循环的热效率是否都相同？不可逆循环的热效率？,?,5-3、卡诺定理,定理一在相同温度的高温热源 T1 和相同温度低温热源T2之间工作的所有可逆热机，其热效率都相等，与可逆循环的构成无关，与所采用工质的种类也无关。,定理二在相同温度的高温热源T1 和相同温度低温热源T2之间工作的可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。,定理一证明反证法,使B热机逆向工作，当制冷机使用,由于卡诺循环是这些可逆循环之一，所以A、B两 热机的热效率可用卡诺热机的热率表示,定理一在相同温度的高温热源 T1 和相同温度低温热源T2之间工作的所有可逆热机，其热效率都相等，都等于卡诺循环的热效率，与可逆循环的构成无关，与所采用工质的种类也无关。,定理二证明反证法,使B热机逆向工作，当制冷机使用,理论意义： 提高热机效率的途径：提高T1，降低T2，减少不可逆损失。,卡诺定理小结,2、多热源间工作的一切可逆热机的热效率小于同温限间工作卡诺机的热效率,3、不可逆热机IR 同热源间工作可逆热机R IR 不可逆 不可能,
