熱力學(xué)第二定律演示圖

熱功轉(zhuǎn)換模擬圖第5章熱力學(xué)第二定律熱功轉(zhuǎn)換模擬圖１)熱—功轉(zhuǎn)換的方向性

5.1熱力學(xué)第二定律的表述5.1.1自然過程的方向性第5章熱力學(xué)第二定律2)熱量傳遞的方向性熱量傳遞的方向性圖A物體B物體第5章熱力學(xué)第二定律5.1.1自然過程的方向性自發(fā)過程的方向性只要Q'不大于Q，并不違反第一定律QQ'?真空3)自由膨脹與壓縮過程的方向性自由膨脹過程模擬圖第5章熱力學(xué)第二定律5.1.1自然過程的方向性4)混合(擴(kuò)散)與分離過程的方向性第5章熱力學(xué)第二定律5.1.1自然過程的方向性上面各例表明:1）自發(fā)過程均具有方向性。自發(fā)過程都只能向著與熱力系外界趨于平衡的方向進(jìn)行。2）自發(fā)過程均是不可逆過程。熱力系統(tǒng)經(jīng)過一自發(fā)過程后，若要使其反向進(jìn)行回復(fù)到初始狀態(tài)，則必須提供補(bǔ)償條件。3）引起不可逆過程的因素分析。（1）過程中存在不平衡勢(shì)差引起的非平衡損失。（2）過程中存在耗散損失。當(dāng)熱力過程既無(wú)非平衡損失又無(wú)耗散損失則就是可逆過程。

第5章熱力學(xué)第二定律5.1.1自然過程的方向性高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2熱機(jī)能量守恒:熱機(jī)和制冷機(jī)的工作原理示意圖高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2制冷機(jī)第5章熱力學(xué)第二定律5.1.2

熱力學(xué)第二定律的表述（可以證明各種表述是一致的，教材85-86頁(yè)）。第二定律的實(shí)質(zhì)？教材85頁(yè)或下頁(yè)P(yáng)PT熱力學(xué)第二定律的表述第5章熱力學(xué)第二定律開爾文：不可能從單一熱源取熱，并使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌绊??？藙谛匏梗翰豢赡軐崃繌牡蜏匚矬w傳至高溫物體而不引起其它變化。熱力學(xué)第二定律也可以表達(dá)成：“第二類永動(dòng)機(jī)是造不出來(lái)的?！保?卡諾循環(huán)的組成

a—b

定溫吸熱過程；

b—c

定熵膨脹過程；

c—d

定溫放熱過程；

d—a

定熵壓縮過程。5.2.1

卡諾循環(huán)5.2卡諾循環(huán)、卡諾定理能量轉(zhuǎn)換方向性的實(shí)質(zhì)是能質(zhì)有差異無(wú)限可轉(zhuǎn)換能—機(jī)械能，電能部分可轉(zhuǎn)換能—熱能不可轉(zhuǎn)換能—環(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能２)卡諾循環(huán)的計(jì)算內(nèi)容吸熱量放熱量循環(huán)凈功循環(huán)熱效率卡諾循環(huán)的計(jì)算第5章熱力學(xué)第二定律5.2.1卡諾循環(huán)

(1)（2）（3）當(dāng)T1=T2

時(shí)，討論:(4)提高循環(huán)熱效率的途徑是:②降低

放熱的。①提高吸熱溫度,且與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān);第5章熱力學(xué)第二定律5.2.2逆向卡諾循環(huán)1243高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2制冷機(jī)右圖所示為一逆向卡諾循環(huán)。此循環(huán)消耗了外界提供的機(jī)械功即循環(huán)凈功，而將從低溫?zé)嵩次〉臒崃窟B同循環(huán)凈功一起排放給高溫?zé)嵩?。若以制冷為目的的逆向循環(huán)稱為制冷循環(huán),以供熱為目的的稱為供熱循環(huán)。制冷循環(huán)中制冷量為制冷系數(shù)供熱循環(huán)中供暖量為供暖系數(shù)

討論：教材88頁(yè)1,2，3，4注：引入卡諾循環(huán)與逆卡諾循環(huán)的意義

5.2.3卡諾定理（可用反證法，教材88頁(yè)）第5章熱力學(xué)第二定律5.2.3卡諾定理卡諾定理1:在兩不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，它們的熱效率都相等，且與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)?？ㄖZ定理2:在兩不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的一切不可逆熱機(jī),它們的循環(huán)熱效率都小于可逆熱機(jī)的熱效率。即ηt不可逆<ηt可逆=ηt最大。上面兩定理作為兩恒溫?zé)嵩撮g工作熱機(jī)的判據(jù):則該熱機(jī)是可逆熱機(jī)；①若則該熱機(jī)是不可逆熱機(jī)；②若則該熱機(jī)是不可能制造出來(lái)的。③若即例題：教材89頁(yè)例題1

例題2

5.3

狀態(tài)參數(shù)熵及其計(jì)算第5章熱力學(xué)第二定律5.3.1

熵的導(dǎo)出---克勞修斯積分（下式中q2為負(fù)值）可得取代數(shù)值后得或?qū)τ诳ㄖZ循環(huán)有或Ts對(duì)于任一微元卡諾循環(huán)有

或?qū)懗蓪o(wú)窮多個(gè)式子相加得即稱為克勞修斯積分。表明：若工質(zhì)經(jīng)歷一可逆循環(huán)，其吸熱量（或放熱量）除以吸熱時(shí)熱源的溫度（或放熱時(shí)冷源的溫度）的循環(huán)積分等于零。

討論：

1）因s是狀態(tài)參數(shù)，故有限過程：Δs12=s2-s1，

與過程無(wú)關(guān)；克勞修斯積分等式，（Tr–熱源溫度）式中s是狀態(tài)參數(shù)，稱熵。表明，工質(zhì)熵的變化等于傳熱量與熱源溫度的比值被積函數(shù)的循環(huán)積分為零，表明被積函數(shù)是狀態(tài)參數(shù)，令被積函數(shù)變化量：2）第5章熱力學(xué)第二定律5.3.2克勞修斯不等式（對(duì)不可逆循環(huán)。下式中q2符號(hào)？）Ts也可寫成取代數(shù)值后得或兩熱源間工作的卡諾熱機(jī)A有兩熱源間工作的不可逆熱機(jī)B有由卡諾定理可知即強(qiáng)調(diào)：此時(shí)T是從可逆循環(huán)中引出的，故應(yīng)理解為T是熱源的溫度。對(duì)于任一微元不可逆循環(huán)有

或?qū)懗蓪o(wú)窮多個(gè)式子相加得即上面得到的兩個(gè)積分式可合寫為可用此式作為工質(zhì)循環(huán)的判據(jù):①若為可逆循環(huán)，則工質(zhì)在循環(huán)過程中的傳熱量(工質(zhì)吸熱,熱量為正；工質(zhì)放熱，熱量為負(fù)）除以傳熱時(shí)熱源的溫度的循環(huán)積分等于零。②若為不可逆循環(huán)，其循環(huán)積分小于零。（是否有疑問？熵是狀態(tài)參數(shù)，為何不同過程熵的變化不同？）③若為不可能出現(xiàn)的循環(huán)，其循環(huán)積分大于零。第5章熱力學(xué)第二定律5.3.2克勞修斯不等式第5章熱力學(xué)第二定律5.3.3不可逆過程的熵或所以有表明:傳熱量除以傳熱時(shí)熱源的溫度,若工質(zhì)的熵變量等于其值則為可逆過程,若工質(zhì)的熵變量大于其值則為不可逆過程,若工質(zhì)的熵變量小于其值則此過程不可能進(jìn)行。右圖不可逆循環(huán)中1-A-2為不可逆過程，2-B-1為可逆過程,對(duì)于由此組成的不可逆循環(huán),應(yīng)滿足或或Ts第5章熱力學(xué)第二定律5.3.3不可逆過程的熵１)熵的計(jì)算①.工質(zhì)總熵與比熵之間的關(guān)系②.任何物系的熵變量例:物系定溫吸熱;③復(fù)合系統(tǒng)的熵變量2)熵的組成稱為熵流，是由熱量流動(dòng)帶來(lái)的熵變，取決于過程。工質(zhì)可吸熱、放熱,則熵流可正、可負(fù)；為熵產(chǎn)，由過程的不可逆性引起的熵變，取決于過程。熵產(chǎn)永為正。稱---為做功能力的損失。兩邊同除以T,得將(1)式代入(2)式顯然,若過程可逆有若過程不可逆有可逆過程不可逆過程熱力學(xué)能變化相等(2)盡管熵流和熵產(chǎn)取決于過程，但是熱力過程熵的變化量取決于初終態(tài)。

不可逆過程熵差計(jì)算如下：

即設(shè)計(jì)一組或一個(gè)初、終態(tài)與不可逆過程相同的可逆過程，計(jì)算該組可逆過程的熵差即可。例如：教材92頁(yè)圖5-9所示的兩種情況理想氣體可逆過程熵變?nèi)Q于初終態(tài)?？赡孢^程熵變計(jì)算如下：三個(gè)公式推導(dǎo)（結(jié)論見教材117頁(yè)例6-2）第5章熱力學(xué)第二定律任意熱力系的熵方程分析模型可表示成5.4熵方程、熵增原理與做功能力損失或?qū)懗伸胤匠蹋?.4.1熵方程1)閉口系統(tǒng)的熵方程因所以有,或表明:閉口系統(tǒng)的熵變化取決于熱力系統(tǒng)與外界交換熱量引起的熵流，以及由交換熱量、功量時(shí)的不可逆性而引起的熵產(chǎn)。2)開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)的熵方程因穩(wěn)定流動(dòng)所以有表明:工質(zhì)流經(jīng)開口系統(tǒng)時(shí)引起的熵變化取決于過程中與外界交換熱量引起的熵流，以及由交換熱量、功量時(shí)的不可逆性而引起的熵產(chǎn)。熵增原理第5章熱力學(xué)第二定律而熵dSg

總是正的，則有或?qū)τ诠铝⑾到y(tǒng)因稱為孤立系統(tǒng)的熵增原理。孤立系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的一切實(shí)際過程都是朝著熵增加的方向進(jìn)行,極限情況維持不變；任何使孤立系統(tǒng)熵減小的過程都是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以有熵方程或5.4.2

孤立系統(tǒng)的熵方程─熵增原理表明孤立系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的過程是可逆過程。表明孤立系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的過程是不可逆過程。使孤立系統(tǒng)的熵減小的過程是不可能發(fā)生的。熵增原理可作為孤立系統(tǒng)內(nèi)熱力過程能否進(jìn)行的判據(jù):若若若

可逆取“=”不可逆取“>”孤立系統(tǒng)熵增原理：

孤立系內(nèi)一切過程均使孤立系統(tǒng)熵增加，其極限—一切過程均可逆時(shí)系統(tǒng)熵保持不變。

3）一切實(shí)際過程都不可逆，所以可根據(jù)熵增原理判別過程進(jìn)行的方向；討論：

1）孤立系統(tǒng)熵增原理ΔSiso=Sg≥0，可作為第二定律的又一數(shù)學(xué)表達(dá)式，而且是更基本的一種表達(dá)式；熵增原理表達(dá)了熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容：過程向熵增方向進(jìn)行。因此常把熱力學(xué)第二定律稱熵定律，把式子：ΔSiso=Sg≥0稱熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2）孤立系統(tǒng)的熵增原理可推廣到閉口絕熱系；4）孤立系統(tǒng)中一切過程均不改變其總內(nèi)部?jī)?chǔ)能，即任意過程中能量守恒。但各種不可逆過程均可造成機(jī)械能損失。（而任何不可逆過程均是ΔSiso>0，所以熵可反映某種物質(zhì)的共同屬性）孤立系統(tǒng)的熵產(chǎn)

可以通過該系統(tǒng)各組成部分的熵變進(jìn)行計(jì)算：如教材94頁(yè)例5-5

5.4.3作功能力損失

一切過程都是不可逆過程，都伴隨熵的產(chǎn)生和作功能力損失。那么，這二者的關(guān)系如何？公式：作功能力損失等于環(huán)境溫度乘熵增加量。

（可由熵產(chǎn)的定義引出，此處以環(huán)境狀態(tài)作為衡量系統(tǒng)做功能力大小的參考狀態(tài)，即認(rèn)為系統(tǒng)與環(huán)境狀態(tài)平衡時(shí)系統(tǒng)不再具有做功能力，故以環(huán)境溫度乘熵的增加量）舉例證明上述結(jié)論：教材95頁(yè)兩處有誤

例5-1若熱機(jī)工作在T1=2000K,T2=300K兩熱源間。判斷下列1.2.3各條件下，各熱機(jī)的工作是可逆、不可逆或不可能。結(jié)論

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

123克勞修斯不等式不可能可逆不可逆方法熵增原理計(jì)算結(jié)果結(jié)論卡諾定理計(jì)算結(jié)論不可能可逆不可逆計(jì)算結(jié)果結(jié)果不可能可逆不可逆已知條件5.5

能量貶值原理第5章熱力學(xué)第二定律5.5.1和當(dāng)系統(tǒng)由一狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時(shí)，理論上可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的那部分能量，稱為(exergy)或有效能,用符號(hào)Ex表示。余下的不可能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的部分能量稱為該能量中的無(wú)效能部分，稱為（anergy)或無(wú)效能,用Ａn表示。這樣，總能量Ｅ可以表示成:Ｅ（總能量）＝Ex（）＋Ａn（）

1)完全可用能(電能、風(fēng)能、水能),被稱為高級(jí)能量。能量中Ｅx＝Ｅ；

2)部分可用能(Ｔ>Ｔ環(huán)境時(shí)的熱能),被稱為低級(jí)可用能。能量中Ｅx<Ｅ;從能量轉(zhuǎn)換為(或可用能)的可能性來(lái)說(shuō)，能量可分為三類:3)完全無(wú)用能(Ｔ＝Ｔ0時(shí)的熱能)。能量中Ｅ＝Ａn,Ex=0。

如處于環(huán)境狀態(tài)的熱能，如大氣和淺層海水中的內(nèi)能，是一種完全不可能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的能量。即它們中的有效能量，全部都是無(wú)效能。第5章熱力學(xué)第二定律5.5

能量貶值原理熱量，表示為ExQ

環(huán)境溫度為T0，有一溫度為Ｔ的熱源，假定在環(huán)境與熱源間有一可逆熱機(jī)，熱機(jī)內(nèi)的工質(zhì)在一循環(huán)中從熱源吸熱Q

，由卡諾定理可知此熱機(jī)對(duì)外能輸出的凈功最大，稱該功為最大功，此部分能量就是Q的有效能或稱為熱量

變溫?zé)嵩垂釙r(shí)5.5.2熱量Q中的熱量熱量Q中的熱量是熱量在給定的環(huán)境條件下所能轉(zhuǎn)換的最大有用功，是熱量的基本屬性，與其是否進(jìn)行循環(huán)無(wú)關(guān)。