第四章熱力學(xué)第二定律

1、 第第四四章章 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程一、熱力過(guò)程的方向性一、熱力過(guò)程的方向性自發(fā)過(guò)程：自發(fā)過(guò)程：不需要任何外界作用而自動(dòng)進(jìn)不需要任何外界作用而自動(dòng)進(jìn) 行的過(guò)程。行的過(guò)程。l 熱量由高溫物體傳向低溫物體熱量由高溫物體傳向低溫物體l 摩擦生熱摩擦生熱l 水自動(dòng)地由高處向低處流動(dòng)水自動(dòng)地由高處向低處流動(dòng)l 電流自動(dòng)地由高電勢(shì)流向低電勢(shì)電流自動(dòng)地由高電勢(shì)流向低電勢(shì)4-1 4-1 熱力學(xué)第二定律的任務(wù)熱力學(xué)第二定律的任務(wù)1.一杯熱水一杯熱水: 熱量從水傳給空氣熱量從水傳給空氣 （自發(fā)過(guò)程）（自發(fā)過(guò)程） 將散失到空氣中的熱量將散失到空氣中的熱量自發(fā)地自發(fā)地聚

2、集起來(lái)，聚集起來(lái)，使水變熱行嗎？使水變熱行嗎？2.運(yùn)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)械: 摩擦生熱，功量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃磕Σ辽鸁?，功量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚ㄗ园l(fā)過(guò)程）（自發(fā)過(guò)程） 將散失到空氣中的熱量將散失到空氣中的熱量自發(fā)地自發(fā)地聚集起來(lái)，聚集起來(lái)，使機(jī)械重新運(yùn)動(dòng)行嗎？使機(jī)械重新運(yùn)動(dòng)行嗎？3.氣體向真空自由膨脹氣體向真空自由膨脹: 氣體壓力降低（自氣體壓力降低（自發(fā)過(guò)程）發(fā)過(guò)程） 讓氣體讓氣體自動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)行嗎？恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)行嗎？自然界自發(fā)過(guò)程都具有方向性自然界自發(fā)過(guò)程都具有方向性自發(fā)過(guò)程的特點(diǎn) 自發(fā)過(guò)程都是有方向性自發(fā)過(guò)程都是有方向性 有限溫差傳熱、自由膨脹、自由混合等等有限溫差傳熱、自由膨脹、自由混合等等 自發(fā)過(guò)

3、程不可逆過(guò)程，其逆向過(guò)程如果進(jìn)自發(fā)過(guò)程不可逆過(guò)程，其逆向過(guò)程如果進(jìn)行需要外界的作用行需要外界的作用(付出代價(jià)付出代價(jià)) 并非所有不違反熱一律的過(guò)程均可進(jìn)行并非所有不違反熱一律的過(guò)程均可進(jìn)行 低溫物體向高溫物體傳熱并不違反熱一律低溫物體向高溫物體傳熱并不違反熱一律功量功量摩擦生熱熱量熱量100%熱量熱量發(fā)電廠功量功量40%放熱放熱 自然界過(guò)程的自然界過(guò)程的方向性方向性表現(xiàn)在不同的方面表現(xiàn)在不同的方面 熱功轉(zhuǎn)換熱功轉(zhuǎn)換 傳傳 熱熱 1851年年 開(kāi)爾文普朗克表述開(kāi)爾文普朗克表述 熱功轉(zhuǎn)換的角度熱功轉(zhuǎn)換的角度 1850年年 克勞修斯表述克勞修斯表述 熱量傳遞的角度熱量傳遞的角度4-4-2 2 熱力學(xué)

4、第二定律各種表述的等效性熱力學(xué)第二定律各種表述的等效性開(kāi)爾文普朗克表述開(kāi)爾文普朗克表述 不可能制造出從不可能制造出從單一熱源單一熱源吸取熱量并使吸取熱量并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹耆D(zhuǎn)變?yōu)楣Χ涣粝缕渌魏巫兓臒釞C(jī)。而不留下其它任何變化的熱機(jī)。 熱機(jī)不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變熱機(jī)不可能將從熱源吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?，而必須將某一部分傳給冷源。為有用功，而必須將某一部分傳給冷源。但違反了熱但違反了熱力學(xué)第二定律力學(xué)第二定律第二類永動(dòng)機(jī)：第二類永動(dòng)機(jī)：設(shè)想的從單一熱源取熱并設(shè)想的從單一熱源取熱并使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)。使之完全變?yōu)楣Φ臒釞C(jī)。這類永動(dòng)機(jī)這類永動(dòng)機(jī)并不違反熱力并不違反熱力 學(xué)第一定

5、律學(xué)第一定律第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的環(huán)境是個(gè)大熱源環(huán)境是個(gè)大熱源克勞修斯表述克勞修斯表述 熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。低溫物體傳至高溫物體?？照{(diào)空調(diào),制冷制冷代價(jià)：耗功代價(jià)：耗功兩種表述的關(guān)系兩種表述的關(guān)系開(kāi)爾文普朗克表述開(kāi)爾文普朗克表述兩種表述的關(guān)系 兩種表述形式不同兩種表述形式不同, ,但實(shí)質(zhì)一致但實(shí)質(zhì)一致, ,若假設(shè)若假設(shè)能違反一種表述能違反一種表述, ,則可證明必然也違反另一則可證明必然也違反另一種表述。種表述。 如假設(shè)機(jī)器如假設(shè)機(jī)器A違反開(kāi)爾文違反開(kāi)爾文- -普朗克說(shuō)法普朗克說(shuō)法能從高溫?zé)嵩慈〉?/p>

6、熱量能從高溫?zé)嵩慈〉脽崃縬/1而把它全部轉(zhuǎn)變而把它全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功為機(jī)械功w0，即即w0 q/1，則可利用這些功則可利用這些功來(lái)帶動(dòng)制冷機(jī)來(lái)帶動(dòng)制冷機(jī)B，由低溫?zé)嵩慈〉脽崃坑傻蜏責(zé)嵩慈〉脽崃縬2而而向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃肯蚋邷責(zé)嵩捶懦鰺崃縬1 。即即A機(jī)機(jī)：10qwB機(jī)機(jī)：012wqq由于由于112qqq 有有211qqq 即低溫?zé)嵩唇o出熱量即低溫?zé)嵩唇o出熱量q2，而高溫?zé)嵩吹玫搅藷崃慷邷責(zé)嵩吹玫搅藷崃縬2，此外沒(méi)有其它的變化。這此外沒(méi)有其它的變化。這顯然違反了克勞修斯說(shuō)法。顯然違反了克勞修斯說(shuō)法。 熱一律否定第一類永動(dòng)機(jī)熱一律否定第一類永動(dòng)機(jī)熱機(jī)的熱效率最大能達(dá)到多少？熱機(jī)的熱效率最大能達(dá)到多

7、少？又與哪些因素有關(guān)？又與哪些因素有關(guān)？t 100不可能熱二律否定第二類永動(dòng)機(jī)熱二律否定第二類永動(dòng)機(jī)t =100不可能熱一律與熱二律熱一律與熱二律4-4-3 3 卡諾循環(huán)示意圖4-1過(guò)程，對(duì)內(nèi)作功過(guò)程，對(duì)內(nèi)作功1-2過(guò)程，過(guò)程， q1 = T1(s2-s1)2-3過(guò)程，對(duì)外作功過(guò)程，對(duì)外作功3-4過(guò)程，過(guò)程， q2 = T2(s2-s1)1211qqqwt2212t,C121111TssTT ssT 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱機(jī)效率熱機(jī)效率卡諾循環(huán)熱機(jī)效率卡諾循環(huán)熱機(jī)效率T1T2Rcq1q2w122111qqqqq 2212t , C121 11 1T ssTT ssT t,c只取決于恒溫?zé)嵩粗蝗Q于

8、恒溫?zé)嵩碩1和和T2 而與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)；而與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)；2t,C11TT 卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的說(shuō)明卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的說(shuō)明 T1 t,c , T2 c ，溫差越大，溫差越大， t,c越高越高 當(dāng)當(dāng)T1=T2， t,c = 0, T1 = K, T2 = 0 K, t,c ：不可逆過(guò)程：不可逆過(guò)程熱二律表達(dá)式之一熱二律表達(dá)式之一作功能力損失作功能力損失RQ1Q2WR卡諾定理卡諾定理 tR tIR RIR121222()WWQQQQQQT1T0IRWIRQ1Q2作功能力作功能力:以環(huán)境為基準(zhǔn)以環(huán)境為基準(zhǔn),系統(tǒng)可能作出的最大功系統(tǒng)可能作出的最大功假定假定 Q1=Q1 ， WR WIR 作功能力損失

9、作功能力損失L121222101000QQQQQQTTTTTT作功能力損失作功能力損失T1T0RQ1Q2W22QQ11221100QQQQTTTTIRWQ1Q212isoTTIRRSSSSS 假定假定 Q1=Q1 ， W R WIR 作功能力損失作功能力損失02tt,C1111TQQT 1210QQTT220QQT0isoTSL例例3：某熱機(jī)循環(huán)工作于熱源某熱機(jī)循環(huán)工作于熱源t1=500oC及冷源及冷源t2=20oC之間，它進(jìn)行的是一個(gè)之間，它進(jìn)行的是一個(gè)abcda不可逆循環(huán)，不可逆循環(huán)，如圖所示，如圖所示，ab為可逆等溫吸熱，為可逆等溫吸熱，bc為不可逆絕熱為不可逆絕熱膨脹，工質(zhì)熵增加膨脹，

10、工質(zhì)熵增加0.1kJ/（kgK），），cd為可逆等溫為可逆等溫放熱過(guò)程，放熱過(guò)程，da為定熵壓縮過(guò)程。循環(huán)工質(zhì)為為定熵壓縮過(guò)程。循環(huán)工質(zhì)為1kg空空氣，熱源放熱量氣，熱源放熱量q1=1000kJ/kg。求循環(huán)凈功及孤。求循環(huán)凈功及孤立系統(tǒng)作功能力損失。立系統(tǒng)作功能力損失。kgkJTqs/294. 15002731000111)/(394. 11 . 01222KkgkJsTqskgkJsTq/4 .408394. 12932225916. 010004 .4081112qqtkgkJqqqwt/6 .5915916. 010001210)/(1 . 0394. 10294. 1201KkgkJ

11、ssssisokgkJww/3 .296 .5919 .6200max, 0kgkJqwtc/9 .620773293110001max, 0kgkJsTiso/3 .291 . 02932LL能量轉(zhuǎn)換能力能量轉(zhuǎn)換能力可以完全轉(zhuǎn)換的能量，如可以完全轉(zhuǎn)換的能量，如機(jī)械能、電能機(jī)械能、電能可部分轉(zhuǎn)換的能量，如可部分轉(zhuǎn)換的能量，如熱量、熱力學(xué)能等熱量、熱力學(xué)能等不能轉(zhuǎn)換的能量，如不能轉(zhuǎn)換的能量，如環(huán)境狀態(tài)下的熱力學(xué)環(huán)境狀態(tài)下的熱力學(xué)能能火用與火無(wú)的定義：當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)可火用與火無(wú)的定義：當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆轉(zhuǎn)變到與環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，能最大限逆轉(zhuǎn)變到與環(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，能最大限度轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為度轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為火用火用。不能。不能轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為火無(wú)火無(wú)。能量轉(zhuǎn)換能力能量轉(zhuǎn)換能力可以完全轉(zhuǎn)換的能量，可以完全轉(zhuǎn)換的能量，火用火用可部分轉(zhuǎn)換的能量，可部分轉(zhuǎn)換的能量，火用和火無(wú)火用和火無(wú)不能轉(zhuǎn)換的能量，不能轉(zhuǎn)換的能量，火無(wú)火無(wú)能量能量=火用火用+火無(wú)火無(wú)AnExEn熱力學(xué)第一定律：能量守恒，即火用