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1、1,第五章 热力学第二定律,Second Law of Thermodynamics,2,能量之间数量的关系,热力学第一定律,能量守恒与转换定律,所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行,自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。,热力学第二定律,能量转换的方向、条件、限度,3,5-1 热力学第二定律的实质及表述,自然界自然过程都具有方向性，都是不可逆过程,热量由高温物体传向低温物体 摩擦生热、电阻发热（耗散效应） 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,一、自然过程的方向性,4,例1功热转换的方向性,功 热 可以自动地进行 (如摩擦生热、焦耳实验),例2热传导的方
2、向性,热量可以自动地从高温物体传向低温物体,但相反的过程却不能发生.,热 功 不可以自动地进行 （焦耳实验的逆过程）,5,例3. 气体自由膨胀的方向性,气体自动膨胀是可以进行的,但自动收缩的过程是不可能的.,实际上,“一切与热现象有关的自然过程（不受外界 干预的过程，例如孤立系统内部的过程）都是不可 逆的，都存在一定的方向性-存在着时间箭头”.,6,例4. 生命现象及其人类活动,生命过程是不可逆的:,出生童年少年青年中年 老年八宝山 不可逆!,“今天的你我 怎能重复 过去的故事!”,7,二、热力学第二定律的实质,能不能找出共同的规律性? 能不能找到一个判据?,自然界过程的方向性表现在不同的方面
3、,热力学第二定律: 它是论述热力过程的方向性及能量贬值的客观规律,即阐明与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的规律,8,热力学第二定律的表述:,热功转换 传 热,1851年 开尔文普朗克表述 热功转换的角度,1850年 克劳修斯表述 热量传递的角度,9,1、开尔文普朗克表述,不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，并使之完全转变为有用功而不留下其它任何变化。,热机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温度更低的冷源。,冷热源: 容量无限大，取、放热其温度不变,10,但违反了热 力学第二定律,第二类永动机是不可能制造成功的,第二类永动机：从单一热源取热
4、并使之完全变为有用功的热机。,并不违反 热力学第 一 定律,环境是个大热源,11,2、克劳修斯表述,热量不可能自动地无偿地从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。,空调,制冷,代价：耗功,相同与不同：,12,3、两种表述的关系,开尔文普朗克 表述,完全等效!,克劳修斯表述,违反一种表述,必违反另一种表述!,13,证明1、违反克表述导致违反开表述,WA = Q1 - Q2,反证法：假定违反克表述 Q2热量无偿从冷源送到热源,假定热机A从热源吸热Q1,冷源无变化,从热源吸收Q1-Q2全变成功WA,违反开表述,A,Q2,Q2,WA,Q1,Q2,对外作功WA,对冷源放热Q2,14,证明2、违反开表述导
5、致违反克表述,Q1 = WA + Q2,反证法：假定违反开表述 热机A从单热源吸热全部作功,Q1 = WA,用热机A带动可逆制冷机B,取绝对值,WA = Q1,Q1 -Q1 = Q2,违反克表述,A,B,Q2,Q1,WA,Q1,15,热力学第二定律的实质, 自发过程都具有方向性 若想逆向进行，必付出代价，须补偿自 发过程 表述之间等价不是偶然，说明共同本质 可以用能量贬值原理把两种表述统一起来：所有自发过程都是程度不同的不可逆过程，都伴有能量的降级,16,热一律否定第一类永动机,t 100不可能,热二律否定第二类永动机,t =100不可能,热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？,17,5.2
6、 卡诺循环,法国工程师卡诺 (S. Carnot)，提出卡诺循环,效率最高,卡诺认为：1）热量像水一样：,2）可逆过程输出的功最大，循环的吸、放热过程均应是等温的.,3）连接吸、放热的过程应是可逆绝热的,18,一、卡诺循环 理想可逆热机循环,卡诺循环示意图,4-1:定熵压缩过程， 对内作功,1-2:定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1),2-3:定熵膨胀过程， 对外作功,3-4:定温放热过程， q2 = T2(s2-s1),无摩擦情况下，在一准静态循环过程中,若系统只和高温热源(温度T1)与低温热源(温度T2)交换热量,这样的循环称为卡诺循环。,19,卡诺循环热机效率,卡诺循环热机效率,
7、Rc,q1,q2,w,20, t,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, T1 t,c , T2 c ，温差越大，t,c越高, 当T1=T2， t,c = 0, 单热源热机不可能, t,c0,若t,c = 1,则 T1 = 或 T2 = 0 K,不可能,21,T0 c,二、逆卡诺循环,T0,T2,制冷,Rc,q1,q2,w,T2 c,逆向卡诺制冷循环,22,T1 ,逆向卡诺制热循环,T0,T1,制热,Rc,q1,q2,w,s2,s1,T0 ,23,三种卡诺循环,T0,T2,T1,制冷,制热,T,s,T1,T2,动力,卡诺循环是实际热机选用循环时的最高理想,
8、24,三、概括性卡诺循环（极限回热）,由2个可逆定温过程(a-b、c-d)和2个同类型的其他可逆过程（d-a、b-c）组成，吸热和放热的多变指数n相同。,b,c,d,a,f,e,T1,T2,完全回热,T,s,n,n,这个结论提供了一个提高热效率的途径,说明：1、卡诺循环是一个特例 2、回热与极限回热,h,g,m,n,25,四、多热源（变热源）可逆循环,多热源可逆热机与相同温度界限的卡诺热机相比，热效率如何？,Q1C Q1R多 Q2C Q2R多,b,c,d,a,3,2,1,4,5,6,T2,T1,平均温度法：,低于卡诺循环,26,5.3 卡诺定理,定理1： 在相同的高温热源和相同的低温热源间工作
9、的一切可逆热机，其热效率都相等，与循环种类无关，与采用哪一种工质也无关。,卡诺提出：卡诺循环效率最高,定理2： 在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于这两个热源间工作的可逆机的效率。,27,卡诺定理1证明 反证法：,设有任意的可逆热机A和可逆热机B,A=WA/Q1,B= WB/Q1,把B逆转,Q2B,假设A大于B：则WA大于WB,违反开表述，单热源热机,28,A B A B,只有： A = B,与工质无关,卡诺定理2证明：,Q1,Q1,Q2,Q2,WIR,WR,29,卡诺定理小结,1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切 可逆热机 tR = tC，与工质性质无
10、关,2、多热源间工作的一切可逆热机 tR多 同温限间工作卡诺机 tC,3、不可逆热机tIR 同热源间工作可逆热机tR tIR tR= tC,30,卡诺定理的意义,从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向，是研究热机性能不可缺少的准绳。任何热能转化装置的热效率不可能超过相应的卡诺循环。 对热力学第二定律的建立具有重大意义。,31,卡诺定理举例,A 热机是否能实现,1000 K,300 K,A,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,32,实际循环与卡诺循环,内燃机 t1=2000o
11、C，t2=300oC,tC =74.7% 实际t =40%,卡诺热机只有理论意义，最高理想 实际上 T s 很难实现,火力发电 t1=600oC，t2=25oC,tC =65.9% 实际t =40%,回热t 可达50%,33,5.4 熵参数、热过程方向的判据 一、克劳修斯积分等式 （计算过程熵变、过程可逆的判据）,任意的可逆循环,改用代数形式：,34,克劳修斯等式,熵变与积分路径无关,35,二、克劳修斯积分不等式（过程不可逆的判据）,将循环用无数组 s 线细分，则必存在某个微元循环是不可逆的,任意的不可逆循环,热源温度,36,系统的熵变在可逆时等于克劳修斯积分，不可逆时大于克劳修斯积分,热二律
12、数学表达式,37,克劳修斯不等式例题,A 热机是否能实现,1000 K,300 K,A,2000 kJ,800 kJ,1200 kJ,可能,如果：W=1500 kJ,1500 kJ,不可能,500 kJ,注意：热量的正和负是站在循环（工质）的立场,38,三、熵的物理意义,定义：熵,热源温度=工质温度,比熵,熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,熵的物理意义,可逆,是不是不可逆过程的熵变就没有办法计算呢？,39,四、熵变的计算方法,理想气体,仅可逆过程适用?,3,4,任何过程,40,熵是状态量,可逆循环,熵变与路径无关,只与初终态有关,41,不可逆过程S与传热量的关系,任意不可逆循环,12,12
13、,42,除了传热,还有其它因素影响熵,不可逆因素会引起熵变化,总是熵增,五、不可逆绝热过程中熵变的分析： 1、可逆绝热过程：,定熵过程,2、不可逆绝热过程：,两过程在p-v、T-S图上的表示,43,六、不可逆过程中熵的产生（熵产）： 气缸中工质进行一微元的不可逆过程，向外界吸热Q,对外作功W,内能变化dU,熵的变化dS : Q = dU + W,为了计算熵变dS,可安排一微元可逆过程,初、终状态相同，工质温度为T，则： dU、 dS、QR、WR,44,熵产:由耗散热产生,熵流,45,定义,熵产：纯焠由不可逆因素引起,结论：熵产是过程不可逆性大小的度量,熵流：,永远,热二律表达式之一,可作为熵的
14、一般定义式,由传热而引起,46,熵流、熵产和熵变,任意不可逆过程,可逆过程,不可逆绝热过程,可逆绝热过程,47,5.5、 熵增原理,孤立系统,无质量交换,结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小，这一规律称为孤立系统 熵增原理。,无热量交换,无功量交换,=：可逆过程 ：不可逆过程,热二律表达式之一,孤立系统熵增原理,揭示过程不可逆性、方向性与熵参数的内在联系,48,孤立系熵增原理举例(1)：单纯传热,Q,取热源T1和T2为孤立系：假设1向2传热,当T1T2,可自发传热,当T1T2,不能传热,当T1=T2,可逆传热,49,孤立系熵增原理举例(1),Q,T1,T2,如果是两个物体之间的传
15、热，则用微分形式,50,孤立系熵增原理举例(2),两恒温热源间工作的可逆热机,Q2,R,W,Q1,51,孤立系熵增原理举例(2),Q2,R,W,Q1,T1,T2,两恒温热源间工作的可逆热机,52,孤立系熵增原理举例(3),T1,T2,假定 Q1=Q1 ，tIR tR,IR,W,Q1,Q2,两恒温热源间工作的不可逆热机,53,孤立系熵增原理举例(4),功热是不可逆过程,W,Q,单热源取热功是不可能的,54,孤立系熵增原理举例(5),Q2,W,Q1,冰箱制冷过程,若想,必须加入功W,使,55,对孤立系熵增原理的理解：,是对孤立系统而言 实际过程总是向着使孤立系统熵增加的方向进行方向 如果过程进行的结果，使孤立系统熵增加，则它可以自发进行；如果过程进行的结果，使孤立系统熵减少，则它不可以自发进行，需补偿熵增过程 条件 孤立系统由不平衡过渡到平衡，熵不断增大，直到熵达到某一最大值限度 又称为能量贬值原理,56,5
