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第五章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics5-1热力学第二定律5-2卡诺循环和卡诺定理5–3熵和热力学第二定律数学表示式5–4熵方程与孤立系统熵增原理1归纳:1)自发过程有方向性;2)自发过程反方向过程并非不可进行,而是要有附加条件;3)并非全部不违反第一定律过程均可进行。能量转换方向性实质是能质有差异无限可转换能—机械能,电能部分可转换能—热能不可转换能—环境介质热力学能5–1热力学第二定律2能质降低过程可自发进行,反之需一定条件—赔偿过程,其总效果是总体能质降低。代价代价3二、第二定律两种经典表述1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造循环热机,只从一个热源吸热,将之全部转化为功,而
不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述等效性T1
失去Q1–Q2T2
无得失热机净输出功Wnet=Q1–Q242.卡诺循环热效率5–2卡诺循环和卡诺定理5讨论:2)3)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:
a)一切过程不可逆;
b)气体实施等温吸热,等温放热困难;
c)气体卡诺循环wnet太小,若考虑摩擦,输出净功极微。
5)卡诺循环指明了一切热机提升热效率方向。1)即循环净功小于吸热量,必有放热q2。6四、卡诺定理
定理1:在相同温度高温热源和相同低温热源之间工作一切可逆循环,其热效率都相等,与可逆循环种类无关,与采取哪种
工质也无关。
定理2:在同为温度T1热源和同为温度T2冷源间工作一切不可逆循环,其热效率必小
于可逆循环热效率。
理论意义:1)提升热机效率路径:可逆、提升T1,降低T2;
2)提升热机效率极限。例A4401557循环热效率归纳:讨论:热效率适合用于一切工质,任意循环适合用于多热源可逆循环,任意工质适合用于卡诺循环,概括性卡诺循环,任意工质8讨论:1)因证实中仅利用卡诺循环,故与工质性质无关;2)因s是状态参数,故Δs12=s2-s1与过程无关;克劳修斯积分等式,(Tr–热源温度)s是状态参数令3)5–3熵和热力学第二定律数学表示式9可逆部分+不可逆部分可逆“=”不可逆“<”注意:1)Tr是热源温度;2)工质循环,故q符号以工质考虑。结合克氏等式,有例A443233克劳修斯不等式10所以可逆“=”不可逆,不等号第二定律数学表示式讨论:1)违反上述任一表示式就可导出违反第二定律;2)热力学第二定律数学表示式给出了热过程方向判据。三、热力学第二定律数学表示式115–4熵方程与孤立系统熵增原理一、熵方程1.熵流和熵产其中吸热
“+”放热“–”系统与外界换热造成系统熵改变。(热)熵流12
所以,单纯传热,若可逆,系统熵变等于熵流;若不可逆系统熵变大于熵流,差额部分由不可逆熵产提供。
2.熵方程
考虑系统与外界发生质量交换,系统熵变除(热)熵流,熵产外,还应有质量迁移引发质熵流,所以熵方程应为:
流入系统熵-流出系统熵+熵产=系统熵增其中流入流出热迁移质迁移造成热质熵流例A4412553例A44226513二、孤立系统熵增原理
由熵方程因为是孤立系可逆取“=”不可逆取“>”孤立系统熵增原理:
孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加,其极限—一切过程均可逆时系统熵保持不变。14
3)一切实际过程都不可逆,所以可依据熵增原理判别过程进行方向;讨论:
1)孤立系统熵增原理ΔSiso=Sg≥0,可作为第二定律
又一数学表示式,而且是更基本一个表示式;
2)孤立系统熵增原理可推广到闭口绝热系;4)孤立系统中一切过
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