第四章 热力学第二定律

1、热力学第二定律揭示了热力过程的发生是有方向、条件和限度的。本章主要内容自发过程的方向性与热力学第二定律的表述1卡诺循环与卡诺定理2熵31. 1. 自发过程的方向性自发过程的方向性 不需要任何外界作用而自动进行的过程称为。 Q QQ Q ? ?有温差传热有温差传热4-1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述重物下落，水温升高水温下降，重物升高？有摩擦功热转换有摩擦功热转换汽车的动能通过摩擦全部变成热能，造成地面和轮胎的升温，最后散失于环境。4-1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述电流通过电阻，产生热量。对电阻加热，电阻内产生反向电流？电阻加热电阻加热要想使自发过程逆向进行，就必须付出某种

2、代价，或者说给外界留下某种变化。 4-1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述摩擦、涡流、电阻、磁滞、有温差传热、自由膨胀、混合、自发过程：工质内部有耗散效应：系统与外界之间有势差：过程不可逆自发过程有方向性4-1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有 附加条件；（补偿过程）即：能量转换时，不仅遵守热力学第一定律，而且在过程进行的方向、条件、限度上遵守热力学第二定律：归纳：归纳：有序无序；1）自发过程有方向性，3）热效率小于1；并非所有不违反第一定律的过程均可进行。4-1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述2 2热力学第二定律的表述热力学第

3、二定律的表述 随自然界中热过程的种类不同，热力学第二定律有多种表述方式，并且彼此是等效的。 不可能将热从低温物体传至高温物体而。 克劳修斯 不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而。开尔文-普朗克 第二类永动机第二类永动机是不可能制造成功的。 压缩制冷装置理想气体的定温膨胀过程4-1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 1. 1. 热力循环热力循环 热力循环：工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。可逆循环： 全部由可逆过程组成的循环不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆过程的循环。(1) (1) 正向循环：正向循环：将热能转变为机械能的循环，也称为或。 p v4

4、-2 卡诺循环与卡诺定理正向循环示意图：正向循环示意图：在p-v与T-s图上，正向循环按顺时针方向进行。 netWnetQ4-2 卡诺循环与卡诺定理1432223411221baWWWbanet面积面aQQQnet面积面积高温热源高温热源吸热吸热Q1热机热机Wnet放热放热Q2低温热源低温热源经过一个正向循环，经过一个正向循环， 根据热力学第一定律，根据热力学第一定律， 循环热效率循环热效率 ：循环热效率t用来评价正向循环的热经济性。显然，t 1。4-2 卡诺循环与卡诺定理1212111QQQQQQWnett21QQWnet 0dU(2) (2) 逆向循环：逆向循环：

5、消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如或。 在p-v与T-s图上，逆向循环按逆时针方向进行。 4-2 卡诺循环与卡诺定理高温热源高温热源放热Q1热泵热泵Wnet吸热Q2低温热源低温热源根据热力学第一定律， 通常用评价逆向循环的热经济性。 制冷系数制冷系数 ： 制冷装置工作系数 供热系数供热系数 ：热泵工作系数 12111QQQWQnet2122QQQWQnet21QQWnetnetWQQ214-2 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环是法国工程师卡诺卡诺（S. Carnot）于1824年提出的一种理想热机工作循环，它由两个可逆定温过程可逆定温过程和两个可逆绝热过程可逆绝热过程组成。 卡诺循环热效

6、率：卡诺循环热效率：2C11qq 2211211TssT ss 211TT 2.2.卡诺循环卡诺循环4-2 卡诺循环与卡诺定理2C11qq 2111lngvqR Tv3234lngvqR Tv113223vTvT114114vTvT113232vTTv3214vvvv32C1111TqqT 22C1111qTqT 对于理想气体：4-2 卡诺循环与卡诺定理2C11TT (1) 卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度与低温热源的温度，而与工质的性质无关; (2) 卡诺循环的热效率总是小于1，不可能等于1，因为T1 或T20K都是不可能的。这说明通过热机循环不可能将热能全部转变为机械能; (3) 当

7、T1=T2时，卡诺循环的热效率等于零，这说明没有温差是不可能连续地将热能转变为机械能，只有一个热源的热机（第二类永动机）是不可能的。4-2 卡诺循环与卡诺定理逆向卡诺循环：（1）卡诺制冷循环：制冷系数2C12TTT（2）卡诺热泵循环：供热系数1C12TTT 3. 3. 卡诺定理卡诺定理：在相同的高温热源和低温热源间相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有，与工质的性质无关。 4-2 卡诺循环与卡诺定理单一热源热机，违背热力学第二定律 假如t,R1t,R2R1带动带动R2逆向运行逆向运行12RRWW22QQR1带动R2逆向运行22QQ12RRWWt,R1t,R2、 t,R1不可逆）对于微

8、元过程， 可判断过程能否进行、是否可逆、不可逆性大小。热力学第二定律热力学第二定律表达式表达式dQST，dSf 称为熵流熵流。fdQST吸热：dSf 0；放热：dSf 0； 绝热：dSf 0。4-2 熵gddQSSTfgddSSdSg称为熵产熵产过程不可逆性愈大，熵产愈大， dSg 0 。gfdSdSdS是由于过程不可逆造成的熵变。4-2 熵闭口系统的熵方程闭口系统的熵方程注意：注意： fgdddSSSfgSSS 对于质量为 m的工质，（1）比熵是状态参数，只要初、终态相同，无论经历什么过程，工质熵的变化都相等；（2）不可逆过程熵的变化可以在给定的初、终态之间任选一可逆过程进行计算。 （3）对

9、于固体或液体，压缩性很小，dV 0。pVcccddQmc TSTT21lnTSmcTc=const4-2 熵3.3.孤立系统熵增原理与作功能力损失孤立系统熵增原理与作功能力损失当系统和外界没有任何形式的能量交换和物质质量交换时,该系统即为孤立系统。对于孤立系统， fd0QSTisog0SS 上式表明：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。这一规律称为。 4-2 熵dSiso=dSg 0揭示了一切热力过程进行时所必须遵循的客观规律，突出地反映了热力学第二定律的本质，。 4-2 熵说明，一切实际过程都一定朝着使孤立系统的熵增大的方向进行，任何使孤立系统的熵减小的过程都是不能发生的。 (2)

10、(2) 作功能力的损失作功能力的损失高温热源高温热源 ThRIR环境环境 TLQ1Q1Q2Q2WRWIR4-2 熵作功能力作功能力: :在给定的环境条件下，系统达到与环境热力平衡时可能作出的最大有用功。 无论任何系统，只要经历不可逆过程，就将造成作功能力损失，就会使包含其在内的孤立系统的熵增加。作功能力损失与孤立系统熵作功能力损失与孤立系统熵增的关系：增的关系：由卡诺定理可知， IRtRt,11QWQWIRR4-2 熵由不可逆引起的功的损失为 如果将如果将热源热源、环境环境、可逆热机可逆热机R R、不可逆热机不可逆热机IR及及蓄功蓄功器器合起来看作一个合起来看作一个孤立系统孤立系统，则经过一个

11、工作循环后，则经过一个工作循环后，此此孤立系统的熵增孤立系统的熵增为：为： ，又对于可逆热机， 令11QQ IRRWW IRRWWI222121QQQQQQ0TTisoSSS020211TQTQTQTQ因为11QQ 021TQTQ00220202TITQQTQTQSiso4-2 熵由上式可得由此可见，当环境的热力学温度T0确定后，作功能力的损失I与孤立系统的熵增Siso成正比。上式建立了作功能力的损失与孤立系统的熵增之间的关系。 孤立系统的熵增是衡量作功能力损失的尺度。孤立系统的熵增是衡量作功能力损失的尺度。 上式适用于计算任何不可逆因素引起的作功能力的损失。isoSTI0状态参数熵的几个要点

12、：状态参数熵的几个要点：熵是任意物质的状态参数,从一定的初态到一定的终态,ds=0孤立系统的熵可以增大,理想上也可以保持不变,但,凡使孤立系统熵增的过程,才有可能发生,使熵减少的任何过程都不可能发生孤立系统的,表示系统内部发生了不可逆变化,4-2 熵试判断下列各情况的熵变是： a）正；b）负；c）可正可负；d）其他1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变 。gfSSSS122）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变 。3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程,装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，

13、流体进出口熵变。gfSSSS12思考题4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，经历一可逆过程，装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。5）流体在稳态稳流的情况下按可逆绝热变化，系统对外作功10kJ，此开口系统的熵变。思考题例题：某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，如图，试判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?700KR R400KQ1Q2 =4000kJWR =10000kJkJQWQQQWnetnet1400040001000021212211rrrTQTQTQ不可能设为制冷循环：KkJTQTQTQrrr104004000700140002211符合克氏不等式，是不可逆制冷循环方法1：设为热机循环010400400070014000KkJ方法2：设为热机循环4286. 070040011hLtcTT不可能tct设为制冷循环33.ccTTT可能但不可逆c7126. 014000100001112QWQQne