热工基础电子教案(3)

热力学第二定律 第一定律将不同形式的能量在数量上联系了起来 指出不同形式的能量可以互相转换 而且在转换中数量不变 比如 电能 动能 势能 热能 热能 机械能 电能等 第二定律的发现 但在长期的生产实践中 人们发现满足第一定律的过程不一定能够实现 也就是说 热过程是有方向性的 比如 电可以很方便地转化为热 而热要变成电就困难得多 低温物体的热量不会自动地传至高温物体 揭示热过程方向性的是第二定律 第二定律的发现 热力学第二定律揭示 能量不但有数量之分 还有方向之别 品质之别 电热 100 但热电 100 1000 的热能比100 的热能更有用 更有价值 能量的品质不能自动升高 只能自动降低 理想情况是不变 热过程是有方向性的 是不可逆的 这种不可逆性的例子在热过程中是很多的 不同的过程不可逆性的大小是不同的 2 1热力过程的方向性 不等温传热过程是不可逆的 两个物体 设 那么 接触 就有 从 中传出 就有 流入 第一定律指出 但相反的过程 即 放热 吸热 即使满足 也不会发生 即低温物体热量不会自动流入高温物体 否则将会出现很多怪现象 ATA BTB 自由膨胀过程是不可逆的 第一定律指出 膨胀前与后必须满足 但相反过程 即使仍满足 也不可能发生 没有谁见过气体能自动恢复一半真空的 1 2 功热转换过程是不可逆的 功可以自动地转换为热 注意 自发 自动 焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动 通过摩擦使功自发变为热 相反的过程不可能发生 总之 有摩擦 电阻 磁阻 非弹性形变等耗散效应存在的过程都是不可逆的 混合过程是不可逆的 混合过程是不可逆的 任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的 虽然 实际过程是不可逆的 但减小不可逆因素 过程的不可逆性就会相应减少 减少到可以忽略 过程就趋于可逆过程 可逆过程的共同特征 a 它必须是准平衡过程 力 热 化学平衡 b 过程中不包括有摩擦 磁电阻等耗散效应 上述不可逆过程 我们强调了不能 自动 发生 不是说不能发生 不然盐 真空 冷饮从何来 如果要发生 外界必须提供能量 某种补偿 制冷过程就必须消耗机械作为补偿 2 2第二定律的表述 第二定律是大量观察 无数经验总结 千百次重复没有一次例外总结出来的 它指出 一切实际的宏观热过程都是不可逆的 具有方向性 这是热过程的基本特征 也正是第二定律要揭示的基本事实和基本规律 由于热过程种类很多 它们的不可逆性并不是孤立的 是彼此相关的 等效的 因此 第二定律有多种表述 但它们是等效的 一种表述成立则另一种表述也必然成立 典型说法 克劳修斯 1850年 不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化 开尔文 1851年 不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化 普朗克 不可能制造一部机器 它在循环中把一重物升高而同时使一热源冷却 第二类永动机 历史上出现过违反能量守恒定律的第一类永动机的设想 还出现过违反第二定律的第二类永动机的设想 不违反第一定律 它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影响 如果这种设想能成立 就可利用环境中无限的热能做功 所以 第二类永动机是造不成的 一切不可逆过程是相互联系的 各种表述是等效的 它反映的是热力过程的不可逆性 第二定律是经验定律 但没有违反之例 只有同时遵守一 二定律的过程才能发生 一切不可逆过程是等效的 热力学第二定律的其他表述 喀喇氏表述 在一个任意给定的初始状态附近 总是存在着一些经绝热过程不能达到的状态 单一公理法则 约束系统可以从一个初始的允许状态 经过一系列的中间允许状态 变化到最终唯一确定的稳定平衡状态 而不会在外界产生任何影响 稳定平衡定律 过程总是朝着单一的方向进行的 单向性 每个中间允许状态只能经历一次 演进性 过程的终态是唯一的 唯一性 当系统达到稳定平衡态时过程就结束 有限性 过程中系统的能量保持不变 守恒性 但是 系统能量的做功能力 能质 是下降的 衰变性 过程中在外界不会产生任何影响 孤立性 第二定律有多种表述 但是等效的 一种表述成立则另一种表述也必然成立 但第二定律推广到宇宙空间去时 会产生热寂说 这种学说是错误的 2 3卡诺定理 历史上 卡诺定理是第二定律的出发点 早在一 二定律建立之前 卡诺就在分析影响蒸汽机的功热转换的各种因素的基础上 于1824年提出了卡诺定理 但他对这个定理的证明是错误的 依据热质说和第一类永动机不能实现 前者后来被证明是错误的 后者不可能证明卡诺定理 克劳修斯与开尔文正是从卡诺定理得到思路提出热力学第二定律的 定理一 相同热源和冷源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率 与工质无关 均等于 定理二 相同热源和冷源间工作的可逆热机的效率恒高于不可逆热机的效率 卡诺定理的结论 所有可逆热机效率相等 不可逆热机效率恒小于可逆热机效率 于是 所有可逆热机效率只与热源温度有关 与所使用工质无关 2 4卡诺循环 Carnotcycle 它是恒温热源间工作的理想可逆循环 它由 个定温过程及2个可逆绝热过程构成 原因 为使循环在吸放热过程中可逆 在吸 放热过程中 与冷热源的温差为无限小 只能是等温过程 要组成循环 还需加入其它过程 这些过必须在 与 之间变温 所以 只能是绝热过程 因此有两条绝热线 在图T S图和p V图上可表示为 吸热量 放热量 完成功量 效率 对卡诺循环分析可得到如下结论 1 卡诺循环效率仅与热源温度有关 而与工质和热机类型无关 2 提高 和降低 L 可以提高 但 所以 3 当 时 c 0 单热源热机不可能造成的 2 5状态参数熵第二定律有多种表述 各种表述是等效的 最根本是告诉我们 所有热过程都是不可逆的 它们的发展是有方向性的 当然 不同的热过程有不同的可逆性 但不同的可逆性不是孤立的 彼此是相互联系的 它们有共同的本质特征 因此 可用同一物理量描述这一本质特征 这个物理量就是熵 所以熵是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力学参数 它是一个状态参数 直接引入熵概念的方式 功 p d 可逆过程 是一个过程量 dx 牛顿力学中 p是作功的推动力 容积变化dV是作功的标志 而功和热都是过程的特征量 单位相同 地位相同 必有共性 所以也应有类似关系 可