热力学第二定律演示图

热功转换模拟图第5章热力学第二定律热功转换模拟图１)热—功转换的方向性

5.1热力学第二定律的表述5.1.1自然过程的方向性第5章热力学第二定律2)热量传递的方向性热量传递的方向性图A物体B物体第5章热力学第二定律5.1.1自然过程的方向性自发过程的方向性只要Q'不大于Q，并不违反第一定律QQ'?真空3)自由膨胀与压缩过程的方向性自由膨胀过程模拟图第5章热力学第二定律5.1.1自然过程的方向性4)混合(扩散)与分离过程的方向性第5章热力学第二定律5.1.1自然过程的方向性上面各例表明:1）自发过程均具有方向性。自发过程都只能向着与热力系外界趋于平衡的方向进行。2）自发过程均是不可逆过程。热力系统经过一自发过程后，若要使其反向进行回复到初始状态，则必须提供补偿条件。3）引起不可逆过程的因素分析。（1）过程中存在不平衡势差引起的非平衡损失。（2）过程中存在耗散损失。当热力过程既无非平衡损失又无耗散损失则就是可逆过程。

第5章热力学第二定律5.1.1自然过程的方向性高温热源T1低温热源T2热机能量守恒:热机和制冷机的工作原理示意图高温热源T1低温热源T2制冷机第5章热力学第二定律5.1.2

热力学第二定律的表述（可以证明各种表述是一致的，教材85-86页）。第二定律的实质？教材85页或下页PPT热力学第二定律的表述第5章热力学第二定律开尔文：不可能从单一热源取热，并使之完全变为功而不引起其他影响。克劳修斯：不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。热力学第二定律也可以表达成：“第二类永动机是造不出来的。”１)卡诺循环的组成

a—b

定温吸热过程；

b—c

定熵膨胀过程；

c—d

定温放热过程；

d—a

定熵压缩过程。5.2.1

卡诺循环5.2卡诺循环、卡诺定理能量转换方向性的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—环境介质的热力学能２)卡诺循环的计算内容吸热量放热量循环净功循环热效率卡诺循环的计算第5章热力学第二定律5.2.1卡诺循环

(1)（2）（3）当T1=T2

时，讨论:(4)提高循环热效率的途径是:②降低

放热的。①提高吸热温度,且与工质的性质无关;第5章热力学第二定律5.2.2逆向卡诺循环1243高温热源T1低温热源T2制冷机右图所示为一逆向卡诺循环。此循环消耗了外界提供的机械功即循环净功，而将从低温热源吸取的热量连同循环净功一起排放给高温热源。若以制冷为目的的逆向循环称为制冷循环,以供热为目的的称为供热循环。制冷循环中制冷量为制冷系数供热循环中供暖量为供暖系数

讨论：教材88页1,2，3，4注：引入卡诺循环与逆卡诺循环的意义

5.2.3卡诺定理（可用反证法，教材88页）第5章热力学第二定律5.2.3卡诺定理卡诺定理1:在两不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，它们的热效率都相等，且与工质的性质无关。卡诺定理2:在两不同温度的恒温热源间工作的一切不可逆热机,它们的循环热效率都小于可逆热机的热效率。即ηt不可逆<ηt可逆=ηt最大。上面两定理作为两恒温热源间工作热机的判据:则该热机是可逆热机；①若则该热机是不可逆热机；②若则该热机是不可能制造出来的。③若即例题：教材89页例题1

例题2

5.3

状态参数熵及其计算第5章热力学第二定律5.3.1

熵的导出---克劳修斯积分（下式中q2为负值）可得取代数值后得或对于卡诺循环有或Ts对于任一微元卡诺循环有

或写成将无穷多个式子相加得即称为克劳修斯积分。表明：若工质经历一可逆循环，其吸热量（或放热量）除以吸热时热源的温度（或放热时冷源的温度）的循环积分等于零。

讨论：

1）因s是状态参数，故有限过程：Δs12=s2-s1，

与过程无关；克劳修斯积分等式，（Tr–热源温度）式中s是状态参数，称熵。表明，工质熵的变化等于传热量与热源温度的比值被积函数的循环积分为零，表明被积函数是状态参数，令被积函数变化量：2）第5章热力学第二定律5.3.2克劳修斯不等式（对不可逆循环。下式中q2符号？）Ts也可写成取代数值后得或两热源间工作的卡诺热机A有两热源间工作的不可逆热机B有由卡诺定理可知即强调：此时T是从可逆循环中引出的，故应理解为T是热源的温度。对于任一微元不可逆循环有

或写成将无穷多个式子相加得即上面得到的两个积分式可合写为可用此式作为工质循环的判据:①若为可逆循环，则工质在循环过程中的传热量(工质吸热,热量为正；工质放热，热量为负）除以传热时热源的温度的循环积分等于零。②若为不可逆循环，其循环积分小于零。（是否有疑问？熵是状态参数，为何不同过程熵的变化不同？）③若为不可能出现的循环，其循环积分大于零。第5章热力学第二定律5.3.2克劳修斯不等式第5章热力学第二定律5.3.3不可逆过程的熵或所以有表明:传热量除以传热时热源的温度,若工质的熵变量等于其值则为可逆过程,若工质的熵变量大于其值则为不可逆过程,若工质的熵变量小于其值则此过程不可能进行。右图不可逆循环中1-A-2为不可逆过程，2-B-1为可逆过程,对于由此组成的不可逆循环,应满足或或Ts第5章热力学第二定律5.3.3不可逆过程的熵１)熵的计算①.工质总熵与比熵之间的关系②.任何物系的熵变量例:物系定温吸热;③复合系统的熵变量2)熵的组成称为熵流，是由热量流动带来的熵变，取决于过程。工质可吸热、放热,则熵流可正、可负；为熵产，由过程的不可逆性引起的熵变，取决于过程。熵产永为正。称---为做功能力的损失。两边同除以T,得将(1)式代入(2)式显然,若过程可逆有若过程不可逆有可逆过程不可逆过程热力学能变化相等(2)尽管熵流和熵产取决于过程，但是热力过程熵的变化量取决于初终态。

不可逆过程熵差计算如下：

即设计一组或一个初、终态与不可逆过程相同的可逆过程，计算该组可逆过程的熵差即可。例如：教材92页图5-9所示的两种情况理想气体可逆过程熵变取决于初终态。可逆过程熵变计算如下：三个公式推导（结论见教材117页例6-2）第5章热力学第二定律任意热力系的熵方程分析模型可表示成5.4熵方程、熵增原理与做功能力损失或写成熵方程：5.4.1熵方程1)闭口系统的熵方程因所以有,或表明:闭口系统的熵变化取决于热力系统与外界交换热量引起的熵流，以及由交换热量、功量时的不可逆性而引起的熵产。2)开口系统稳定流动的熵方程因稳定流动所以有表明:工质流经开口系统时引起的熵变化取决于过程中与外界交换热量引起的熵流，以及由交换热量、功量时的不可逆性而引起的熵产。熵增原理第5章热力学第二定律而熵dSg

总是正的，则有或对于孤立系统因称为孤立系统的熵增原理。孤立系统内部进行的一切实际过程都是朝着熵增加的方向进行,极限情况维持不变；任何使孤立系统熵减小的过程都是不可能实现的。所以有熵方程或5.4.2

孤立系统的熵方程─熵增原理表明孤立系统内部进行的过程是可逆过程。表明孤立系统内部进行的过程是不可逆过程。使孤立系统的熵减小的过程是不可能发生的。熵增原理可作为孤立系统内热力过程能否进行的判据:若若若

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。

3）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向；讨论：

1）孤立系统熵增原理ΔSiso=Sg≥0，可作为第二定律的又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式；熵增原理表达了热力学第二定律的基本内容：过程向熵增方向进行。因此常把热力学第二定律称熵定律，把式子：ΔSiso=Sg≥0称热力学第二定律的数学表达式。

2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失。（而任何不可逆过程均是ΔSiso>0，所以熵可反映某种物质的共同属性）孤立系统的熵产

可以通过该系统各组成部分的熵变进行计算：如教材94页例5-5

5.4.3作功能力损失

一切过程都是不可逆过程，都伴随熵的产生和作功能力损失。那么，这二者的关系如何？公式：作功能力损失等于环境温度乘熵增加量。

（可由熵产的定义引出，此处以环境状态作为衡量系统做功能力大小的参考状态，即认为系统与环境状态平衡时系统不再具有做功能力，故以环境温度乘熵的增加量）举例证明上述结论：教材95页两处有误

例5-1若热机工作在T1=2000K,T2=300K两热源间。判断下列1.2.3各条件下，各热机的工作是可逆、不可逆或不可能。结论

Q1=1000JW=900JQ1=2000JQ2=300JQ2=500JW=1500J

123克劳修斯不等式不可能可逆不可逆方法熵增原理计算结果结论卡诺定理计算结论不可能可逆不可逆计算结果结果不可能可逆不可逆已知条件5.5

能量贬值原理第5章热力学第二定律5.5.1和当系统由一状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以转换为机械功的那部分能量，称为(exergy)或有效能,用符号Ex表示。余下的不可能转换为机械功的部分能量称为该能量中的无效能部分，称为（anergy)或无效能,用Ａn表示。这样，总能量Ｅ可以表示成:Ｅ（总能量）＝Ex（）＋Ａn（）

1)完全可用能(电能、风能、水能),被称为高级能量。能量中Ｅx＝Ｅ；

2)部分可用能(Ｔ>Ｔ环境时的热能),被称为低级可用能。能量中Ｅx<Ｅ;从能量转换为(或可用能)的可能性来说，能量可分为三类:3)完全无用能(Ｔ＝Ｔ0时的热能)。能量中Ｅ＝Ａn,Ex=0。

如处于环境状态的热能，如大气和浅层海水中的内能，是一种完全不可能转换为机械功的能量。即它们中的有效能量，全部都是无效能。第5章热力学第二定律5.5

能量贬值原理热量，表示为ExQ

环境温度为T0，有一温度为Ｔ的热源，假定在环境与热源间有一可逆热机，热机内的工质在一循环中从热源吸热Q

，由卡诺定理可知此热机对外能输出的净功最大，称该功为最大功，此部分能量就是Q的有效能或称为热量

变温热源供热时5.5.2热量Q中的热量热量Q中的热量是热量在给定的环境条件下所能转换的最大有用功，是热量的基本属性，与其是否进行循环无关。