第5章热力学第二定律

1、l能量之间数量的关系能量之间数量的关系能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行律的过程是否都能自发进行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l 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l 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l 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自发过程具有方向性、条件、限度自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热100%发电厂40% 。理想气体理想气体 t 过程过程 q = = w冷热源冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限

2、大，取、放热其温度不变 有吸热，有放热有吸热，有放热但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律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！环境是个大热源环境是个大热源设水位差为设水位差为180米，米，重力势能转化为电能：重力势能转化为电能：1800 emghm jmkg水降低水降低5 c放热放热：21000 qcm tm j 2100011.71800qmem 。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功 完全等效完全等效!克劳修斯表述克劳修斯表述：违反一种表述违反一种表述,必违反另一种表述必违反另一种表述!法

3、国工程师法国工程师卡诺卡诺 (s. carnot)，1824年提出年提出既然既然 t =100不可能不可能热机能达到的最高效率是多少？热机能达到的最高效率是多少？热二律奠基人热二律奠基人卡诺循环卡诺循环效率最高效率最高s. 卡诺卡诺 nicolas leonard sadi carnot（1796-1832）法国人）法国人热二律奠基人热二律奠基人卡诺卡诺循环循环示意示意图图4-1绝热压缩过程，对内作功绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过程，定温吸热过程， q1 = t1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程，对外作功绝热膨胀过程，对外作功3-4定温放热过程，定温放热过程， q2 = t2(s2-s

4、1)t1wq2212t,c121111tsstt sst 卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率122111qqqqq 2t,c11tt t0t2制冷制冷2212cqqwqq221202122102()()()t sstt sst sstt0211tttss2s1t2 c t0t1制热制热ts1112qqwqq121112102110()()()t sstt sst sstt0111tts2s1t0 卡诺提出：卡诺循环效率最高卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温即在恒温t1、t2下下t,rt,任 结论正确，但推导过程是错误的结论正确，但推导过程是错误的 当时盛行当时盛行“热质说热质说” 1850年开尔

5、文，年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证年克劳修斯分别重新证明明 tr1 = tr2= tc与工质无关与工质无关工质循环、冷热源均恢复原状，工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行，与外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。原假定矛盾。 2tc13001170%1000tt t1120060%2000wqt150075%2000热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理给出热机的最高理想卡诺定理给出热机的最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式反映方向性克劳修斯不等式反映方向性 定义熵定义熵，是一状态函数。该函数与积分路径无关的循环积分为零，表明上式为克劳修斯等式。对于整

6、个可逆循环：为负值，即得：考虑到rerebatctqtqtqtqtqtqqttqq001112222111221121212)/()./(:kjmsskkgjtqdstqrere即：令，是一状态函数。该函数与积分路径无关的循环积分为零，表明1212)(ssdstqdsre对于有限过程：温度等于热源温度。因为是可逆传热，工质热源温度的比值。吸热或放热时的热量与可逆条件下表明：工质熵变等于在0001112222111221112,12irrirrbacttqtqtqtqtqtqttqq得到克劳修斯不等式：对于整个不可逆循环：得：于克劳修斯积分。在不可逆时系统熵变大等于克劳修斯积分；即：系统熵变在可

7、逆时对于有限过程，即有：循环，即有：考虑可逆循环和不可逆210tqsdstq得证！即：为可逆过程有：因为按克劳修斯不等式有：为可逆过程为不可逆过程，一不可逆循环，大于克劳修斯积分证明：不可逆过程熵变irrirrrereirrreirrirrtqsssstqsstqbtqtqtqtqtqba211212211221212112210)(1201221reqdst于于19世纪中叶首先克劳修斯世纪中叶首先克劳修斯(r.clausius)引入，式中引入，式中s从从1865年起称为年起称为entropy，由，由清华刘仙洲清华刘仙洲教授译成为教授译成为“熵熵”。小知识0rqttqqtreqdstreqds

8、treqdst0rqt0ds 0q0ds 0q0ds 0q0ds0ds 0qtpv12ab1 22 10abqqtt2 11 2bbqqtt1 21 2abqqtt1 21 2abss 0dsds不可逆可逆2121ss 可逆不可逆1 22 10abqqtt212112qssst0qt2 11 2bbqqtt211 21 2abqqstt pv12ab212112qssstqst 0ds 0q=0=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程fqdstg0ds gfdsdsdsqdst永远永远fgsss gfdsdsdsfgsss 0s f0sg0sf0ss g0s0sf0sg0s0sf0sg0

9、s2221v11lndtvscrtv2221p11lndtpscrtp2221pv11dvdpsccvpts1234132131231qssst 242141242qssst 21fgsss 212112qssst联系联系熵流熵流熵流熵流 熵产熵产两种不同途径到达同一状态，即系统熵变相等，即：s21(a)=s21(b)(a)：s21=sf+sg=sg 熵变来自熵产(b)：s21=sf+sg=sf 熵变来自熵流out(2)in(1)scvqwcvfgi,ini,ini,outi,out11nniidsdsdsmsmsout(2)in(1)scvqwcv0dsinoutmmmfginout0()d

10、sdsssm21fgdsdsds21fgsss 解：取气轮机为控制体，连同它的外界空气解：取气轮机为控制体，连同它的外界空气质源及功源构成孤立系统。质源及功源构成孤立系统。0fds0giso dsds孤立系统孤立系统 = 非孤立系统非孤立系统 + 相关外界相关外界iso0dsrir121222()wwqqqqqq121222101000qqqqqqtttttt22qq11221100qqqqtttt12isottirrsssss 假定假定 q1=q1 ， w r wir 02tt,c1111tqqt 1210qqtt220qqt0isotspvabcdt1t2一、一、“火用火用”与与“火无火无

11、”的定义的定义能量能量“质质”的指标视根据它的作功能力来判断的，的指标视根据它的作功能力来判断的，因此，可以根据能量转换能力将能量分为三种类因此，可以根据能量转换能力将能量分为三种类型。型。1、可以完全转换的能量，如机械能、电能等。、可以完全转换的能量，如机械能、电能等。2、可部分转换的能量，如热量、内能等。、可部分转换的能量，如热量、内能等。3、不能转换的能量，如环境内能。、不能转换的能量，如环境内能。当系统由任意状态当系统由任意状态可逆可逆变到与环境状态变到与环境状态相平衡时，能最大限度转换为相平衡时，能最大限度转换为“可完全转可完全转换能量换能量”的那部分能量被称为的那部分能量被称为“火

12、用火用”（exergy）。）。不能转换为火用的那部分能量称为不能转换为火用的那部分能量称为“火火无无”（anergy）。）。 能能 量火用火无量火用火无热力学第一定律：热力学第一定律：能量守恒，即火用和火无的总量守恒，可表示为能量守恒，即火用和火无的总量守恒，可表示为(ex +an)iso=0热力学第二定律：热力学第二定律：一切实际热力过程中不可避免地发生部分一切实际热力过程中不可避免地发生部分“火用火用”退化为退化为“火无火无”，而火无不能再转化为，而火无不能再转化为“火用火用”，可称为孤立系统可称为孤立系统“火用火用”降原理，并表示为降原理，并表示为exiso0 max0fqfq0fxwqtnxqqqt ssqet s0qqqte1t式中 随热流携带的熵流。热量火无：att0tqqw0max0tts0ss121234exanqqtts0ss121234exanqq变温热源变温热源恒温热源恒温热源 定义：当系统温度（定义：当系统温度（t）低于环境温度（）低于环境温度（t0)时，从制冷角度理解，按逆循环进行，从时，从制冷角度理解，按逆循环进行，从系统（冷源）获取冷量系统（冷源）获取冷量q0，外界消耗一定，外界消耗一定量的功，将量的功，将q0连同消耗的功一起转移到环连同消耗的功一起转移到环境中