工程热力学-第5章热力学第二定律(1)

1、能量之间能量之间数量数量的关系的关系热力学第一定律热力学第一定律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律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能的过程是否都能自发自发进行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大，取

2、、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!克劳修斯表述克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!法国工程师法国工程师卡诺卡诺 (S. Carnot)，18

3、24年提出年提出卡诺循环卡诺循环既然既然t =100不可能热机能达到的热机能达到的最高效率最高效率有多少？有多少？热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高S. 卡诺卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国）法国卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人热二律奠基人卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程， q1 = T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程， q2 = T2(s2-s1)t1wq2212t,C121111Tss

4、TT ssT 卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率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：卡诺提出：卡诺循环卡诺循环效率最高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年开尔文，年开尔文，1851年克劳修斯分别重新证年

5、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，外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。与原假定矛盾。2tC13001170%1000TT t1120060%2000wqt150075%2000热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性 定义定义熵熵正正循环循环逆逆循环循环可逆可逆循环循环不可逆不可逆循环循环 克劳修斯不等式克劳修斯不等式的推导的推导热二律推论之一热二律推论之

6、一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性热二律推论之三热二律推论之三 熵熵反映反映方向性方向性定义：定义：熵熵reQdST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0rQT克劳修斯不等式克劳修斯不等式可逆过程，可逆过程， ， 代表某一代表某一状态函数状态函数。TqQT比比熵熵reqdsT定义：定义：熵熵reQdST热源温度热源温度=工质温度工质温

7、度比比熵熵reqdsT0rQT克劳修斯不等式克劳修斯不等式0dS 0Q0dS 0Q0dS 可逆时可逆时0Q熵变表示可逆熵变表示可逆过程中热交换过程中热交换的方向和大小的方向和大小熵的物理意义熵的物理意义0dS可逆循环可逆循环0dS 0QTpv12ab1 22 10abQQTT2 11 2bbQQTT1 21 2abQQTT1 21 2abSS 熵变与路径无关熵变与路径无关,只与初终态有关只与初终态有关0dSdS不可逆可逆2121SS 可逆不可逆1 22 10abQQTT212112QSSST任意不可逆循环任意不可逆循环0QT2 11 2bbQQTT211 21 2abQQSTT pv12ab2

8、12112QSSST热二律表达式之一热二律表达式之一对于循环对于循环克劳修斯不等式克劳修斯不等式QST 除了传热除了传热,还有其它因素影响熵还有其它因素影响熵不可逆绝热过程不可逆绝热过程0dS 0Q不可逆因素会引起熵变化不可逆因素会引起熵变化=0总是熵增总是熵增针对过程针对过程=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程定义定义fQdST熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起g0dS gfdSdSdS结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量熵产是过程不可逆性大小的度量。QdST熵流：熵流：永远永远fgSSS 热二律表达式之一热二律表达式之一任意不可逆过程任意不可逆过程gfdSd

9、SdSfgSSS 0S f0Sg0S可逆过程可逆过程f0SS g0S不可逆绝热过程不可逆绝热过程0Sf0Sg0S可逆绝热过程可逆绝热过程0Sf0Sg0S不易求不易求理想气体理想气体2221v11lndTvScRTv仅仅可可逆逆过过程程适适用用2221p11lndTpScRTp2221pv11dvdpSccvpTs1234132131231QSSST 242141242QSSST 任何过程任何过程孤立系统孤立系统0fdS无质量交换无质量交换0giso dSdS结论：结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，孤立系统的熵只能增大，或者不变， 绝不能减小绝不能减小，这一规律称为这一规律称为孤立系统孤立系

10、统 熵增原理熵增原理。无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一孤立系统孤立系统 = 非孤立系统非孤立系统 + 相关外界相关外界iso0dS=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程最常用的最常用的热二律表达式热二律表达式RIR121222()WWQQQQQQ作功能力作功能力:以环境为基准以环境为基准,系统可能作出的最大功系统可能作出的最大功假定假定 Q1=Q1 ， WR WIR 作功能力损失作功能力损失121222101000QQQQQQTTTTTT22QQ11221100QQQQTTTT12isoTTIRRSSSSS 假定假定 Q1=Q1 ， W R WIR 作功能力损失作功能力损失02tt,C1111TQQT 1210QQTT220QQT0isoTS闭口系闭口系21fgSSS 开口系开口系out(2)in(1)ScvQWcvfgi,ini,ini,outi,out11n