工程熱力學 05熱力學第二定律（1）-王永珍-2013.11.11(錄像2學時)

工程熱力學

EngineeringThermodynamics

2023年3月22日第五章熱力學第二定律2第五章熱力學第二定律

TheSecondLawofThermodynamics

熱力學第一定律的局限性

:

Example：溫差傳熱，熱量由高→低；摩擦生熱，機械能→熱能；自由膨脹。

自發(fā)過程：自發(fā)地實現(xiàn)的過程。

非自發(fā)過程：自發(fā)過程的反向過程，不能自發(fā)實現(xiàn)。自然界中的一切過程總是自發(fā)地朝著一定的方向進行。非自發(fā)過程不是不可能實現(xiàn)，其實現(xiàn)要花費一定的代價。

補償過程：伴隨著非自發(fā)過程同時進行而使其成為可能的自發(fā)過程。熱過程具有方向性，過程的進行是有條件的，并有一定的限度。2023年3月22日第五章熱力學第二定律35-1

熱機循環(huán)和制冷循環(huán)5-2

熱力學第二定律的表述5-3卡諾循環(huán)5-4卡諾定理5-5克勞修斯不等式5-6狀態(tài)參數(shù)熵及孤立系統(tǒng)熵增原理本章小結2023年3月22日第五章熱力學第二定律4吸熱放熱循環(huán)凈功5-1熱機循環(huán)和制冷循環(huán)實踐證明:企圖不向溫度較低的環(huán)境放熱而把高溫物體的熱能連續(xù)地完全轉換為機械能是不可能的。熱機循環(huán)HeatEngineCycle2023年3月22日第五章熱力學第二定律5循環(huán)熱效率

thermalefficiencyofcycle：

↑→熱機循環(huán)的工作越有效。2023年3月22日第五章熱力學第二定律6吸熱放熱耗功實踐證明，企圖不花費代價而實現(xiàn)由低溫物體向高溫物體傳遞熱量是不可能的。制冷循環(huán)RefrigerationCycle2023年3月22日第五章熱力學第二定律7制冷系數(shù)COP(coefficientofperformance)ofarefrigerator:熱泵系數(shù)

coefficientofperformanceofaheatpump:↑→制冷能力↑，但2023年3月22日第五章熱力學第二定律8這也正說明：能量轉換過程除了遵循熱力學第一定律，保持能的總量守恒，還必須遵循有關能量轉換的條件及過程的方向和限度的另一定律——熱力學第二定律。

利用熱機可實現(xiàn)熱能轉換為機械能，但卻必須有一部分熱量從高溫熱源傳向低溫熱源。

利用制冷機可以實現(xiàn)熱量q2由低溫熱源向高溫熱源的傳遞，但卻必須消耗一定的機械能w0并使之轉變?yōu)闊崮茚尫沤o高溫物體。2023年3月22日第五章熱力學第二定律95-2熱力學第二定律的表述

熱機工作時除了有高溫熱源提供熱量外，同時還必須有低溫熱源，把一部分來自高溫熱源的熱量排給低溫熱源，作為實現(xiàn)把高溫熱源提供的熱量轉換為機械功的必要補償。

Itisimpossibleforanydevicethatoperatesonacycletoreceiveheatfromasinglereservoirandproduceanetamountofwork.

開爾文-普朗克說法Kelvin-PlanckStatement：不可能建造一種循環(huán)工作的機器，其作用只是從單一熱源吸熱并全部轉變?yōu)楣Α?/p>

第二類永動機是不可能制成的。

熱機的熱效率不可能達到100%。2023年3月22日第五章熱力學第二定律10

即當利用制冷機實現(xiàn)由低溫物體向高溫物體傳遞熱量時，還必須消耗一定的機械功，并把這些機械功轉變?yōu)闊崃糠懦?，以此作為由低溫物體向高溫物體傳遞熱量的補償。

Itisimpossibletoconstructadevicethatoperatesinacycleandproducesnoeffectotherthanthetransferofheatfromalower-temperaturebodytoahigher-temperaturebody.克勞修斯說法

ClausiusStatement:

不可能使熱量由低溫物體向高溫物體傳遞而不引起其他的變化。2023年3月22日第五章熱力學第二定律11熱力學第二定律的各種說法是一致的，若假設能違反一種表述,則可證明必然也違反另一種表述。

一切自發(fā)過程都是不可逆的;

一切實際過程都是不可逆的;

孤立系統(tǒng)的熵增原理

TheIncreaseofentropyPrincipleofIsolatedSysterm；

“能質衰貶”原理ThePrincipleofEnergyDegradationOtherStatements:

證明：熱力學第二定律開爾文—普朗克說法與克勞修斯說法的等效性。2023年3月22日第五章熱力學第二定律125-3卡諾循環(huán)CarnotCycle兩個可逆定溫過程+兩個可逆絕熱過程CarnotHeatEngine當工質為理想氣體時，正向卡諾循環(huán)的各過程線如圖：正向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)的熱效率僅與高、低溫熱源溫度有關，而與工質的性質無關?！啊墒埂?。

∵∴即從單一熱源吸熱而循環(huán)做功是不可能的。

當時，2023年3月22日第五章熱力學第二定律13CarnotRefrigeratorandHeatPump2023年3月22日第五章熱力學第二定律14通常把在平均吸熱溫度和平均放熱溫度下工作的相應的卡諾循環(huán)ABCDA稱為熱力循環(huán)abcda的等效卡諾循環(huán)。

平均吸熱溫度：任意循環(huán)的等效卡諾循環(huán)熱效率：平均放熱溫度：等效卡諾循環(huán):2023年3月22日第五章熱力學第二定律15例5-1

(p91)

在內燃機中，燃燒溫度通常最高約為2000℃，排氣溫度約500℃。若有一個按卡諾循環(huán)工作的熱機也在這兩個溫度間工作，試求其熱效率。2023年3月22日第五章熱力學第二定律165-4卡諾定理CarnotPrinciples卡諾定理：在兩個給定的熱源之間工作的所有熱機，不可能具有比可逆熱機更高的熱效率。即推論

1:在兩個給定的熱源間工作的所有可逆熱機的熱效率都相等。設兩個熱機A、B為可逆熱機，且在相同的兩熱源間工作，則2023年3月22日第五章熱力學第二定律17推論2：在兩個給定的熱源之間工作的不可逆熱機，其熱效率必然小于在相同兩熱源間工作的可逆熱機的熱效率。綜合上述結論，有設有兩個熱機，機器A為不可逆熱機，機器B為可逆熱機,且兩機器在相同的兩熱源間工作，則2023年3月22日第五章熱力學第二定律18

卡諾循環(huán)的熱效率與工質的性質無關，只與高、低溫熱源溫度有關。

在相同的熱源條件下，卡諾循環(huán)的熱效率與其它可逆循環(huán)的熱效率相等，而高于不可逆循環(huán)的熱效率。

卡諾循環(huán)的熱效率代表了兩相同熱源間循環(huán)熱效率的最高極限。Conclusion

Tr1↑及Tr2↓均可使ηtc↑。2023年3月22日第五章熱力學第二定律195-5克勞修斯不等式對兩熱源循環(huán)即≤≤在兩個給定的恒溫熱源間，卡諾循環(huán)熱效率最高,則等號適用于可逆循環(huán)，不等號適用于不可逆循環(huán)。2023年3月22日第五章熱力學第二定律20

對于可逆的微元循環(huán)，有對多熱源循環(huán)任意可逆循環(huán)中吸熱和放熱過程的熱量與相應熱源溫度之比的積分等于零。上述積分式稱為克勞修斯積分等式。2023年3月22日第五章熱力學第二定律21對于不可逆循環(huán)，其中部分微元循環(huán)可逆部分微元循環(huán)不可逆對整個循環(huán)有即有克勞修斯不等式←等號適用于可逆循環(huán)，不等號適用于不可逆循環(huán)。2023年3月22日第五章熱力學第二定律225-6狀態(tài)參數(shù)熵及孤立系統(tǒng)熵增原理微元熵變一、狀態(tài)參數(shù)熵熵，狀態(tài)參數(shù)對任意循環(huán)（可逆、不可逆）由熱力學第一定律及熵變公式可得：任何過程2023年3月22日第五章熱力學第二定律23二、不可逆過程中系統(tǒng)的熵變熵流量：吸熱為正，放熱為負隨過程不可逆程度的增大而增大，且熵產(chǎn)量：不可逆過程中閉口系統(tǒng)熵的變化等于熵流量和熵產(chǎn)量的代數(shù)和。由于不可逆因素而引起系統(tǒng)的熵變。對閉口系統(tǒng)2023年3月22日第五章熱力學第二定律24溫差傳熱引起的熵產(chǎn)：由熱力學第一定律有，如圖，絕熱剛性容器，剛性透熱固定壁把容器分為兩部分，其中分別充有A、B兩種氣體。若假設TA＜TB，則由氣體B自發(fā)地向氣體A傳遞熱量。（1）分別以A、B兩種氣體為研究對象若傳熱過程中兩氣體的內部保持狀態(tài)均勻（內部可逆），0000兩氣體總熵變2023年3月22日第五章熱力學第二定律250（2）以A、B兩種氣體一起為研究對象：兩氣體的總熵變：002023年3月22日第五章熱力學第二定律26摩擦、擾動引起的熵產(chǎn)：系統(tǒng)的熵變由熱力學第一定律有：相同初、終態(tài)可逆過程系統(tǒng)作功：不可逆過程系統(tǒng)作功功耗散產(chǎn)生的熵產(chǎn)量2023年3月22日第五章熱力學第二定律27三、系統(tǒng)的微元熵變與系統(tǒng)從熱源接受的熱量除以熱源溫度的關系（即ds與δq/Tr的關系）任意不可逆循環(huán)即a-d-c為可逆過程，2023年3月22日第五章熱力學第二定律28即對于不可逆過程a-b-c,有即不可逆過程中系統(tǒng)熵的變化大于系統(tǒng)從熱源吸收的熱量除以熱源溫度所得的商值。又可逆過程中有則對于任意過程該式可作為過程可逆與否的判據(jù)：過程不可逆過程可逆過程不可能發(fā)生2023年3月22日第五章熱力學第二定律29任意過程絕熱過程特例：絕熱過程