热力学课件：4章 热力学第二定律

1、第四章 热力学第二定律 6-1 自发过程6-1-1 自发过程的方向性 温差传热 压差做功 功变热 有序到无序6-1-2 自发过程的不可逆性 如果逆向， 环境会留下痕迹6-1-3 自发过程的等效性 6-2-1 Kelvin-Planck 表述 (1) 热库 当一个热力系的热容量极大以至于吸、放热不会使物体的温度发生改变，这种热力系就被称为热库 (2) 热机 吸收热量并将其一部分转变为功的机械6-2 热力学第二定律的表述 高温热源热沉热机QinQout热库热库WnetoutnetinQWQ innetQW inoutQQ 1 能节省Qout?热效率=热机输出净功/热机吸热 (3) 制冷机与热泵高温

2、热库底温热库制冷机WQLQHLnetHQWQ (3) Kelvin-Planck 表述 Its Impossible for any device that operates on a cycle to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work6-2-2 Clausuis 表述 It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer

3、of heat from a lower temperature body to a higher temperature 6-2-3 两种表述的对等性 若违背 Kelvin-Planck 表述:那么就可以制造出效率 100% 的热机 低温热库高温热库热机QHW= QH制冷机制冷机QH+QLQL=制冷机制冷机低温热库低温热库高温热库高温热库QLQL6-3 卡诺（ Carnot ）循环在在18世纪中叶世纪中叶 热机的效热机的效率的极限率的极限是多少是多少 ?6-3-1 卡诺循环Carnot, (Nicolas Leonard) Sadi(1796-1832)法国军事工程师和科学家。对热力学有奠基

4、性的贡献高温热库低温热库THTL(1) 卡诺循环的构建Ts1234q1q2 (2) 效率 11qwQW)(121ssTqH)(432ssTqL121qqq )()()(124312ssTssTssTHLHq1q2w因为1-4、2-3 是绝热过程23ss 41ss )()()(124312ssTssTssTHLHHLHTTT HLTT16-3-2 逆卡诺循环环境温度THTLTsRefrigerator:对于制冷循环人们更关心机器从低温热库提取出的热量 - q2q1q2wwqCOPR2212qqqLHLTTTTHTLTsq1q2因此制冷机的性能指数 ( COPR ) can 可表达为：wCOPR

5、可以 , = or 1 6-3-3 卡诺定律 在两个相同热库之间，可逆热机的效率最高 两个相同热库之间，所有可逆热机的效率相同6-4 克劳修斯不等式6-4-1 克劳修斯积分式 对于单一卡诺循环121211TTqq 1212TTqq 即：1122TqTq 考虑 q1、 q2 符号，有：02211 TqTq 对于普通循环: 可按照如下图的办法将它分解为无数个卡诺循环1121112111TTqq11211121TTqq11112121TqTq) 1 (021211111TqTq那么：)2(022221212TqTq)(02211nTqTqnnnn将上述方程叠加起来0Tq0 Tq 6-4-2 克劳修斯

6、不等式 若不可逆1121112111TTqq11211121TTqq11112121TqTq) 1 (021211111TqTq)2(022221212TqTq)(02211nTqTqnnnn累加式子 (1).(n):0Tq0 Tq 这就是克劳修斯不等式，请注意克劳修斯不等式只适用于循环0Tq对于任意循环（包括可逆和不可逆循环）它在热力学里被称为热温商。可见循环的热温商是小于等于零的6-5 熵6-5-1 可逆过程的熵0ds1221badsds2121badsds2121bass6-5-1. 不可逆过程的熵变化对于不可逆过程 1-b-2.添加一段可逆过程1-a-2形成循环0Tq01221abTq

7、Tq1221abTqTq因为过程 1-a-2 是可逆过程所以：2121abTqTq2121sTdqb显然这时熵的变化大于 ，即热温商的变化。Tq6-5-3 熵流和熵产Sg 是由于不可逆效应产生的因此被称为熵产Tdqs因此，存在一数值大于零的熵Sg ，使得：gsTdqsTdq 热温商积分的这一项的变化是由于传热引起的，被称为熵流 Sf 熵流可以大于、等于或小于零熵产只能大于或等于零 上述讨论表明熵有二重特性：一方面熵通过熵流体现热力系的传热特性；另一方面熵通过熵产展现出热力系不逆效应的大小；6-5-4 可逆定温过程的熵变化0isothermalTdqsdqT010Tq6-6 孤立系熵增原理6-6

8、-1. 熵增原理 对于孤立系： Sf = 0所以： Sisolated= Sg = 0 6-6-2. 温差传热过程的熵增 系统环境边界TsysTsurrQsurrsurrsyssysTdQTdQsisolateddQTdQTsurrsys11syssurrTTQ116-6-3. 做功能力的损失TsT1T2122绝热过程ss损失)(0ssTloss 6-6-4. 宇宙的熵与热寂假说Hawking Stephen6-7 熵的本质6-7-1. 波尔兹曼关系式 )ln(pkS kJ/kmol.K103086. 1 23波尔兹曼常数k热力学或然率p6-7-2. 熵的定义 熵: 衡量热力系混乱或自由程度大

9、小的物理量 热是一种无序的能量，因此热力系的吸热或放热就增加或减少了系统的无序性，这种效应可以通过熵流来计算；热力系内部发生的耗散效应引起了混乱程度的增加，这种效应的大小体现在熵产； 6-8 （exergy)6-8-1. 的定义 在某状态下，系统由该状态可逆地变化到与环境平衡的状态时，理论上可转化为净有序能的那部分能量，称为 ，用E 表示（e单位化）6-8-2. 热量 ExQ对于具有某一温度T的热量Q，若此时环境温度为Tsur，根据卡诺定律能够转化为功的部分为：TTQWsur1QTTWsurxQ1EQTTQsurTsur这就是热量QTTQsurxQETQTQsurdssurTQssurTQ6-

10、8-3. 冷量 ExQ0QQT-sEsurxQ06-8-3. 焓 ex) 1 (wzg2c)(s20whhq根据热力学第一定律：0)(00sss根据熵平衡方程，因可逆没有熵产，则进、出热力系的总熵等于零，即：sss00现：00sTq)(00ssT将上列各式代入(1)式：) 1 (wzg2c)(s20whhq) 1 (wzg2c)(s20whhqs2000wzg2cwhhssT-)()(xeswwzg2chhss-T2000)()(zg2cs-sThh2000)()(忽略动能、势能的变化：)()(000 xs-sThhe6-8-3.内能 Exu)()(1WWUUQe0根据热力学第一定律：0SS(S00 )根据熵平衡方程，因可逆没有熵产，则进、出热力系的总熵等于零，即：SSS00现：0