工程热力学：第五章 热力学第二定律_1

1、13系学习部13系学习部 The Second Law of Thermodynamics 第五章 热力学第二定律 13系学习部 第五章第五章 热力学第二定律热力学第二定律 5-1. 概述概述 5-2. 第二定律两种典型表述第二定律两种典型表述 5-3. 卡诺定理卡诺定理 5-4. 热力学温标热力学温标 5-5. 卡诺循环卡诺循环 5-7 5-6. 熵熵 13系学习部 5-1. 概述概述 自发过程自发过程的方向的方向 性性 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？ 只要重物位能增加等于水的只要重物位能增加等于水的 内能减少，不违反第一定律。内能减少，不

2、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？ 只要电能等于于加入热能，不只要电能等于于加入热能，不 违反第一定律。违反第一定律。 在一定条件下实际发生的过程在一定条件下实际发生的过程 不可逆性不可逆性 13系学习部 热传递的不可逆热传递的不可逆 1 T OK! stop 1 T 1 Q 2 Q C 2 T 12 WQQ 2 T Q 12 TT 非自发过程非自发过程 0Q Q Q ? 1 T 2 T Q No！ 1 TT 12 TT 1 TT 1 Q W 自发过程自发过程 max ? 改变条件使原自发过程逆向运行的

3、过程改变条件使原自发过程逆向运行的过程 13系学习部 单热源循环机热功转换的不可逆单热源循环机热功转换的不可逆 s T 1 4 23 0 T 41 Q 23 Q 34 W 12 W 0 T 41 3 2 T 14 Q 32 Q 21 W 43 W s 0 T 0 T 理想循环机理想循环机 3412 WWW 4123 QQQ WQ OK! QW 1432 QQQ 内部可逆循环内部可逆循环 NO! 4321 WWW 热源热源 13系学习部 热转功的最大转换效率是多少热转功的最大转换效率是多少？ 12 11 2 1 11 QQW QQ Q Q 动力循环：热效动力循环：热效率率 T1 T2 Q1 W

4、Q2 E 2 T 1 4 23 T 41 Q 23 Q 34 W 12 W s 1 T 13系学习部 第二定律要解决什么问题第二定律要解决什么问题? 能揭示过程进行的方向、条件和限度能揭示过程进行的方向、条件和限度 能对 能对能量的品质能量的品质进行度量并得到能质进行度量并得到能质 变化、传递和贬值的规律变化、传递和贬值的规律 2 T 0 T 2 W 2 Q E 1 T 1 W 1 Q E W Q 能质高能质高 能质低能质低 能质高能质高 能质低能质低 12 12 TT UU 0 T 13系学习部 5-2. 第二定律两种典型表述第二定律两种典型表述 自发现象自发现象 不可逆不可逆 功变热功变热

5、 不可逆不可逆 热传递热传递 不可逆不可逆 电变热电变热 不可逆不可逆 传质传质 不可逆不可逆 生命运动生命运动 不可逆不可逆 社会发展社会发展 不可逆不可逆 热力学第二定律可有多种表述热力学第二定律可有多种表述 （现象现象），但），但本质本质上是一致的上是一致的 13系学习部 热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述(1851) 循环热机从单一热循环热机从单一热 源吸热并使之完全源吸热并使之完全 变成功而不产生其变成功而不产生其 它影响是不可能的它影响是不可能的 第二类永动机第二类永动机 1 T E Engine 1 Q W 热源热源 第二类永动机第二类永动机 （Perpetua

6、l Motion Perpetual Motion of the Second Kindof the Second Kind） 是不可能实现的是不可能实现的 1 QW NO! 13系学习部 单一热源吸热也能转变为功单一热源吸热也能转变为功 1 T 2 T 2 Q 1 Q W E 没全变为功并对没全变为功并对 环境产生了影响环境产生了影响 理想气体可逆等温膨胀理想气体可逆等温膨胀 QUWW 环境一个热源环境一个热源,吸收热量全部吸收热量全部 转变成功但不能构成循环转变成功但不能构成循环 13系学习部 热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述(1850) 热量不能自动地不花热量不能

7、自动地不花 代价地从较冷的物体代价地从较冷的物体 移到较热的物体移到较热的物体 1 T Cooler 1 Q 高温高温热源热源 12 QQ NO! 0W 2 Q C YES！ 12 0WQQ 代价代价 低低温温热源热源 2 T 13系学习部 开尔文表述与克劳修斯表述的等效性开尔文表述与克劳修斯表述的等效性 AB AB if AB then AB 1 T A=开开B=克克 2 T 2 Q 2 Q 1 Q W 12 TT E B 1 T 12 QQQ W E A QW 12 QQ 13系学习部 5-3. 卡诺定理卡诺定理 热机的最大可能效率是多少热机的最大可能效率是多少？ 推论一：推论一：在两个热

8、源间的可逆机的效率都相在两个热源间的可逆机的效率都相 等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工 质也无关。质也无关。 定理：定理：在两个热源间的任何热机的效率不大在两个热源间的任何热机的效率不大 于可逆机的效率于可逆机的效率 推论二：推论二：在两个热源间的不可逆机的效率小在两个热源间的不可逆机的效率小 于可逆机的效率于可逆机的效率 13系学习部 2R Q 1 Q R W R 卡诺定理的证明卡诺定理的证明 2E Q 1 Q E W E 热源温度和系统热源温度和系统 温度有何关系？温度有何关系？ 1 RRR R RR WWW QQQ :E任何任何:R可逆可逆 1

9、 E E W Q 若若 ER ER WW 2R Q 1 Q R W R 2E Q 1 Q E W E 22RE QQQ ER WWW ER 高温热源高温热源 高温热源高温热源 低温热源低温热源 低温热源低温热源 13系学习部 推论一的证明：推论一的证明： 2R Q 1 Q R W R 2E Q 1 Q E W E :I不可逆不可逆 2R Q 1 Q R W R 2I Q 1 Q I W E 1 ER 令令由卡定理由卡定理 1RR 且且 1RR 1RR 推论二的证明推论二的证明：EI 令令则则 IR IR 若若 IR WW 22IR QQ 复合系复合系00QW可逆可逆I系可逆系可逆 IR 高温热

10、源高温热源高温热源高温热源 低温热源低温热源低温热源低温热源 13系学习部 5-4. 热力学温标热力学温标 1 1 Q C C W 1 Q 3 Q 3 2 A B 3 Q 2 Q 2 Q A W B W 由卡推一由卡推一 可逆机可逆机 2 12 1 1 A Q Q ， 2 12 1 Q F Q ， C=A+BC=A+B 3 13 1 Q F Q ， 3 23 2 Q F Q ， 13 12 23 F F F ， ， ， 131 232 ff ff 13系学习部 5-4. 热力学温标热力学温标(P190) T Q tr T R tr Q R W 1 2 12 fQ Qf 测温函数（人为）测温函数

11、（人为） 设设 ( )g z 测温物性测温物性 ( ( )( )f g zz 取取( )Tz 22 11 QT QT 热力学温标热力学温标 令令 11 QQ TT， 2tr2tr QQTT， 三相点三相点 tr tr T TQ Q 22 11 11 QT QT 可逆可逆 13系学习部 如何量测热力学温度如何量测热力学温度？ P146P146 T 理想气体温标理想气体温标 22 11 11 A QT QT 22 11 QT QT 22 11 TT TT T T trtr TT TT 273.16 trtr TTK令令 22 11 QT QT 13系学习部 5-5. 卡诺循环卡诺循环 两恒温热源间

12、的可逆循环两恒温热源间的可逆循环 一、卡诺循环及其热效率一、卡诺循环及其热效率 L T 1 2 T s H T 21 绝热压缩 32 等温吸热 43 绝热膨胀 14 等温放热 1 L c H T T 3 4 13系学习部 讨论：讨论： cHL ,f T T 2）LH 0,TT 3） LHc ,0TT若第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。 4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：）实际循环不可能实现卡诺循环，原因： a）一切过程不可逆；一切过程不可逆； b）气体实施等温吸热，等温放热困难；气体实施等温吸热，等温放热困难； c）气体卡诺循环气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，太小，若考

13、虑摩擦， 输出净功极微。输出净功极微。 5）卡诺循环指明了一切热机提高热卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的方向。效率的方向。 L c H 1 T T 1） c HL ,TT c 1 13系学习部 二、逆向卡诺循环二、逆向卡诺循环 制冷系数制冷系数： cc c net0c qq wqq 1 c 可大于，小于，或等于 c 00 11 11 cc qqT T 制冷机制冷机 0c T T 13系学习部 供暖系数供暖系数： 22 c net21 qq wqq 120 11 1/1/ R qqTT c 1 c 热泵热泵 0 / R TT 13系学习部 23 判断正误判断正误 3. 功的能质比热高功的能质比热高 1. 过程的方向性即不可逆性过程的方向性即不可逆性 压压 2. 自发过程的逆过程一定不能实现自发过程的逆过程一定不能实现 4. 热力学第二定律的各种表述是等价的热力学第二定律的各种表述是等价的 5. 系统从单一热源吸热不可能全部转为功系统从单一热源吸热不可能全部转为功 6.工质不同的可逆机的热效率不等工质不同