第6章 第2讲 热功间的转化及熵平衡

6.2热功转换

热力学第一定律是从能量传递或转换过程中总结出来的一条客观规律。凡违背热力学第一定律的过程一定不会发生，但不违背热力学第一定律的过程是否一定会自发发生呢？这个问题热力学第一定律是回答不了的，必须用热力学第二定律。热力学第二定律：

克劳修斯：热不可能自动从低温物体传给高温物体。

开尔文：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。6.2.1基本概念

自然界中的许多过程，如热从高温物体传递给低温物体，气体向真空或低压膨胀，水由高处流向低处，这些过程都不需要借助外力即可进行。这说明自然界中类似的自发过程的进行有一定的方向性。

自发过程是不消耗功即可进行的过程；

非自发过程是需要消耗功才可进行的过程。

热从高温物体传递给低温物体气体向真空或低压膨胀水由高处流向低处6.2.1基本概念

可逆过程：没有摩擦，推动力无限小，因此过程进行无限慢，体系内部均匀一致，处于热力学平衡；对产功的可逆过程，产功最大；对耗功的可逆过程，耗功最小。

不可逆过程：有摩擦，过程进行有一定速度，体系内部不均匀（有扰动、涡流等现象），逆向进行时体系恢复始态，环境留下痕迹，如果与相同始、终态的可逆过程相比较，产功小于可逆过程，耗功大于可逆过程。6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度

热量传递的方向性是指高温物体可自发向低温物体传热，而低温物体向高温物体传热则必须消耗功。

热量传递的限度是指温度达到一致，不存在温差。

热功转换的方向性是指功可以完全转化为热，而热只能部分转化为功。

之所以有此结果，是由于热是无序能量，而功是有序能量，自然界都遵循这样一个规律：有序运动可以自发转变为无序运动，而无序运动不能自发转变为有序运动。内容回顾与展望稳流系统热力学第一定律在稳流系统中的应用热力学第二定律三个表述可逆过程与不可逆过程热量传递方向性热功转换方向性提出问题有一种热机，从400K处吸热25000J/s，向200K处放热12000J/s，做功16000W。问：该热机是否合理？热功转换的限度？本讲主要内容：卡诺循环（难点）利用卡诺循环热效率计算判断过程的合理性（重点）卡诺循环热机:持续地将热转变为功的机器一个概念热机高温热源低温热源制冷循环示意图致冷机高温热源低温热源下一次课内容6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度

热功转换的限度——卡诺循环（1824、1830-1840）

卡诺循环是热力学的基本循环，解决了工质从高温热源吸收的热量转换为功的最大限度问题。由四个可逆过程组成。

6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度

卡诺循环分两种：正卡诺循环和逆卡诺循环。

正卡诺循环是指工质吸热温度高于排热温度，是产功过程；（热电厂、蒸汽机）

逆卡诺循环是指吸热温度低于排热温度，是耗功过程。（空调、冰机）热电厂6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度①可逆等温膨胀4→1：工作介质蒸发，吸热量QH②可逆绝热膨胀1→2：做功量WC③可逆等温压缩2→3：工作介质冷凝，放热量QL④可逆绝热压缩3→4：对液体做功Wp(可忽略)高温热源低温热源泵1234TH，QHTL，QLST1234THTLp1p26.2.2热量传递与热功转换的方向和限度

卡诺循环的结果是热部分地转化为功，热转化为功的限度用热效率来评价。热效率的物理意义为：工质从高温热源吸收的热量转化为净功的比率。

卡诺循环的热效率最大。可以根据热力学第一定律推出卡诺循环的热效率。6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度根据热力学第一定律：ΔU=Q+W内能是状态函数，一个循环ΔU=06.2.2热量传递与热功转换的方向和限度卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高。6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度讨论：6.2.2热量传递与热功转换的方向和限度

意义：虽然可逆过程只是一个理想过程，实际上无法实现，由可逆过程组成的卡诺循环发动机也无法制造，但是，卡诺循环在热力学中具有重大的意义。卡诺循环在历史上首先奠定了热力学第二定律的基本概念，对如何提高各种热机的效率指明了方向。解决问题有一种热机，从400K处吸热25000J/s，向200K处放热12000J/s，做功16000W。问：该热机是否合理？

解：思考某人称其设计了一台热机，该热机消耗热值为42000kJ/kg的燃料30kg/h，可以产生的输出功率为170kW。该热机的高温与低温热源分别为670K和330K。试判断此热机是否合理？小结卡诺循环卡诺循环热效率计算利用卡诺循环热效率计算判断过程的合理性6.3熵函数熵与熵增原理过程的熵变与过程的热温熵之间的关系。等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。孤立体系

熵增原理熵增原理或者孤立体系经历一个过程时，总是自发的向熵增大的方向进行，直到熵增大到最大值，体系达到平衡态。如果设计过程的总熵变小于0，则过程不能实现。熵增原理熵是过程进行方向的判据。孤立体系达到平衡时，熵值最大。熵是系统的性质，只要系统处于一定的状态，便有一个确定的熵值。与内能一样，熵只能求取相对值。自然界存在各种有序性，例如结构、分布、运动有序性等。晶体结构是高度有序的。从晶体熔化成液体，分子的排列由有序转向无序；扩散过程，分子由分布的有序变成无序；机械运动摩擦生热，分子由有序运动变为无序运动。所有这些过程都具有一个共同的特点，即随着无序程度增加，系统熵值增大。熵是系统分子无序程度的度量。理解几句话熵产生积分ΔSg称为熵产生由于过程的不可逆性而引起的那部分熵变。可逆过程熵产生ΔSg＝0，不可逆过程熵产生ΔSg>0。总之，熵产生永远不会小于零。熵产生

上式可以看出，系统总熵变由两部分组成。一部分是由于与外界存在热交换Q（可逆或不可逆）而引起的，被称为热熵流；另一部分是经历过程不可逆性而引起。熵与质量和能量的性质不同，无论是可逆或不可逆，孤立系统的质量和能量都是守恒的，而熵却不同，可逆过程的熵守恒，不可逆过程熵不守恒。不可逆造成了能量品位的降低，结合熵产生，可以认为熵产生ΔSg与做功能力之间必然有联系。过程的不可逆造成熵产生，减少了系统对外做功的能力。熵产生越大，造成的能量品位降低越多。熵产生熵平衡假设从环境吸收热量Q，同时对外做功W流入熵流出熵能量交换联系熵过程不可逆性产生熵敞开系统熵平衡方程式稳流体系：体系无累积，那么，ΔSA＝0熵平衡该稳流系统经历的是可逆过程，那么，ΔSg＝0熵平衡封闭系统没有物质的进出，，ΔSA该系统累积的熵变就是系统的熵变ΔS。该封闭系统经历的是可逆过程，那么，ΔSg＝0熵平衡熵平衡方程与能量守恒（热力学第一定律）和质量守恒一样，是任何一个过程必须满足的条件式，它可以用来检验过程中熵的变化，进而表明过程的不可逆程度。通过计算熵产生ΔSg的大小，找出不同化工过程的能量消耗部位。理想功、损失功与热力学效率自学系统熵增加的过程必为不可逆过程。绝热过程必是定熵过程。热温熵即过程的熵变。对一个绝热不可逆过程，是否