工程热力学课件第2章热力学基本定律(热二律)

第二章

热力学基本定律

（热二律)引言热力学第一定律揭示了能量转换时能量间数量的关系否定了第一类永动机满足热一律的热机都能实现吗?第二类永动机

(Thesecondkind

of

perpetualmotionmachine)定义:从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响

空气或海水热机q1ww=q1,满足热一律海水W氨Q例:zero-engine(1881,JohnGamgee)但从未获得成功!§2.6.1自发过程自然界自发过程都具有方向性、自发过程都是不可逆过程,要实现,需补充条件可自动逆行吗?自发过程:不需任何外界作用而自动进行的过程热量:高温物体

低温物体水流:高处

低处电流:高电势

低电势扩散:高浓度

低浓度用何办法使其逆行?可进行到什么程度?条件、限度。例:01自然界的自发过程多种多样,其方向性表现各异,条件和限度不同02热力学第二定律03能不能找出共同的规律性?能不能找到一个统一判据?2.6.2热二律的表述与实质理解:No!系统和外界"不可能建造一种循环工作的热机，只从单一热源吸热使之完全变为有用功，而不产生其它变化”。

1)开尔文－普朗克表述（1851年，热功转换的角度)：若允许产生其它变化，则热能全变功，如理想气体定温过程:U=f(T)，ΔU=0，Q=W。变化:系统P↓2.热二律：功可全变热、而热不能全变功？热机的热效率<100%1.第二类永动机不可能实现，如:空调制冷但要付出代价:耗功克劳修斯表述（1850年，从热量传递的方向性角度)：“热量不可能自动地、无偿地从低温物体传至高温物体”不能理解为:热量不能从低温物体传至高温物体2)克劳修斯表述热二律的实质1.自发过程都是具有方向性的，不可逆的。

2.要使非自发过程得以进行，必须伴随一个适当的自发过程作为补充条件1.热量：高温→低温：例:自发过程,不可逆补充条件：W→Q（空调)，自发2.W→Q：自发过程,不可逆补充条件:向低温热源放热，自发低温→高温:Q→W（电厂)：热机的热效率热机的热效率最大能达到多少?又与哪些因素有关????热一律否定了第一类永动机

t

>100％不可能热二律否定了第二类永动机

t

=100％不可能§2.7卡诺循环—理想可逆热机循环

（法国，S.Carnot，1824年提出)4-1绝热压缩过程,对内作功1-2定温吸热过程,q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀过程,对外作功w3-4定温放热过程,q2=T2(s2-s1)q1q2w卡诺循环热机效率卡诺循环热效率:T1T2Rcq1q2w任意正循环的热效率:STT2S1S2Q1Q2T1t,c的说明•当T1=T2,

t,c=0,单热源热机不可能实现•T1≠∞,T2≠0K,

t,c<100%，

热二律•T1或

T2

或温差

t,c•

t,c只取决于T1和T2，而与工质的性质无关;[例1]某热机工作于1500K的高温热源和300K的低温热源之间，从高温热源吸取1000kJ热量，最多能做多少功?逆向卡诺循环制冷T0↑

c↓T0T2Rcq1q2wT0T2制冷Tss2s1T2

↓

c

↓

[例2]室外35℃，为使室内维持25℃，每秒钟需要从室内排除29.8kJ热量。若采用逆向卡诺循环机，其最小功率为多少?逆向卡诺循环热泵T0T1制热Tss2s1T1↑

′↓T0

↓

′↓T0T2Rcq1q2w[例3]冬季室外－10℃，为使室内维持20℃，需向室内供热14400kJ/h。则供暖机的最小功率为多少?2.7.2卡诺定理定理1:在给定的两恒温热源间工作的一切可逆循环，具有相同的热效率，且与工质的性质无关。

STT2S1S2Q1Q2T1STT2S4Q1Q2T1S11234S3S21234Q3Q4卡诺循环极限回热卡诺循环卡诺定理2定理2:在给定的高低温热源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于相应可逆循环的热效率。

T1T2Q1Q2w热机2.8多热源可逆循环卡诺循环(恒温热源):吸热Q1，放热Q2可逆循环(变温热源):吸热Q’1，放热Q’2Q1>Q’1，Q2<Q’2多热源可逆循环t<

tc引入:平均吸热温度:

平均吸热温度:STT1S1S2Q1Q’1Q2Q’2T2AB从理论上确定了通过热机循环,实现热能转变为机械能的条件。

指出了提高热机热效率的方向,是研究热机性能不可缺少的准绳。对热力学第二定律的建立具有重大意义。

0102卡诺定理的意义该循环能否实现?1000K300KE2000kJ800kJ1200kJ可能如果:W=1500kJ1500kJ不可能500kJ卡诺定理应用举例卡诺循环只有理论意义,实际上定T、定s都难实现火力发电:t1=600℃，t2=25℃卡诺循环

：

tC=65.9%；实际：t=40%内燃机:t1=2000℃，t2=300℃卡诺循环：tC=74.7%；

实际：t=30~40%实际循环与卡诺循环§2.9熵与克劳修斯不等式§2.9.1熵的引入STT2S1S2Q1Q2T1Q1=T1(S2-S1)Q1/T1=S2-S1Q2=T2(S1-S2)Q2/T2=S1-S2两式相加，得:∵Q已作正负号规定，Q1.Q2可统一写成Q；T1.T2可为热源温度（=工质温度），可统一写成T∴1.卡诺循环的Q/T2.任意可逆循环的Q/T过作P、Q等熵线PM、QN,构成微元可逆循环PQNMPS当P→Q时,TP→TQ,P-Q→等温过程。则PQNMP为微元卡诺循环。这样,ABA可由无穷个微元卡诺循环组成。

积分:第i个微元:热量统一用δQ表示，温度统一用T表示:（δQ/T为某函数的全微分---微分特性)TδQ1ABPQMNδQ23.A→B沿不同路径APQB和AMNB的Q/T上已导出:与路径无关,满足积分特性显然，δQ/T是一个状态参数。1865年，克劳修斯引入entropy1923年，I.R.Plank来华讲学，东大胡刚复教授根据entropie的定义"热温商”，译为："熵”。

AMNB逆行:TδQ1ABPQMNδQ24.熵的定义和物理意义熵的定义:1kg:比熵:可逆过程热源温度熵的物理意义:熵变表示可逆过程中热量交换的方向和大小。

可逆时系统吸热系统放热无热交换克劳修斯不等式由卡诺定理:不可逆循环的t小于卡诺循环的c:取一包含不可逆过程的微元循环，则:对整个循环积分，得:综合前面导出的可逆循环公式，有:克劳修斯不等式:热二律数学表达式之一克劳修斯不等式的说明2.克劳修斯不等式是针对循环而言的，Q的正、负以工质为对象，T为热源温度。

<0:说明循环可实现，但不可逆=0:说明循环可实现，且可逆>0:循环不可能实现1.可作为循环能否进行或是否可逆的判据：克劳修斯不等式应用举例可能实现

如果:W=1500kJ1500

kJ不可能实现注意:Q的正、负是站在工质的立场上T1=1000

KT2=300

KE2000

kJ1200

kJQ1Q2<0>0该循环能否实现?§2.9.3不可逆过程的熵变任意不可逆循环:pv12ab

S12与过程无关，可按可逆过程1a2计算:代入上式，得:综合:=可逆>不可逆不可逆过程的熵变说明1.微元过程：1kg:2.也是热二律数学表达式。

3.过程能否进行或是否可逆的判据：

（δQ的正、负以工质为对象）=可逆>不可逆<不可能4.对于循环克劳修斯不等式5.绝热过程(δQ=0)：由不可逆因素引起的可逆:

S=0，定熵过程不可逆:

S>0，熵增=0§2.9.4熵流和熵产熵产：dSg，不可逆因素（摩擦、温差传热)引起的熵变（2)熵产是过程不可逆性大小的度量。

熵流:热二律表达式之一在不可逆过程中:，因而可写成:系统与外界交换热量引起的熵变注:（1)即不可能为负值!摩擦引起的熵产pv12ba微元不可逆过程1a2:吸热Q，对外做功W，摩擦耗功Wg微元可逆过程1b2:吸热QR，对外做功WR

W＝

WR－

Wg

Q＝dU

＋

W

QR＝dU

＋

WR

QR＝

Q＋

Wg

推导中:dU、dS相同Why?有温差传热引起的熵产工质与假想热源无温差传热，其熵变:RQ2WT2T1

Q1工质温度∴

Q1假想热源有温差传热时

为熵流:§2.10孤立系统熵增原理孤立系统:dSf=0孤立系统熵增原理:孤立系统的熵只能增大或者不变，不可能减小。

=:可逆过程>:不可逆过程<0:不可实现dSiso=dSf+

dSg=dSg≥0或:

Siso≥0热二律数学表达式之一,最为常用。

孤立系统熵增原理说明可用于判断过程、循环能否实现、是否可逆对于非孤立系,可将环境划入系统,构成孤立系。方向：

Siso≥0，自发进行，=为可逆;<0不能自发进行条件：

要使

Siso<0的过程实现，必须寻找一个熵增大的过程与原孤立系伴随进行，且使新孤立系Siso>02.揭示了过程进行的方向、条件和限度：01限度:随着孤立系中过程的进行，S不断增大，增至某最大值时，系统达到平衡，过程终止。

3.计算时，以孤立系内所有物质为对象。

Siso是各物质S代数和。孤立系内可以存在S减小的过程，但最终∑

S≥002§2.11熵方程dSiso=dScv+

+(s2dm2–s1dm1)

=dSg

dSg=dScv-dSf–

s1dm1

+s2dm2dSg=dScv－dSf

－

s1dm1+

s2dm2≥0有多股流体进、出时:1.开口系统熵方程孤立系统s1dm1s2dm2dSg=dScv-dSf-s1dm1+s2dm2闭口系统：dm1=dm2=0;dSv=dS闭口绝热:dSf=0Sg=S稳流系统：dScv=0；dm1=dm2

Sg=（S2-S1)-dSf绝热稳流：dSf=0;dSv=0;dm1=dm2

Sg=S2-S1熵方程特例:例1能否实现?根据孤立系统熵增原理:可能

如果:W=1500kJ1500

kJ不可能注意:孤立系熵增原理以系统内各物质为对象1000

K300

KE2000

kJ1200

kJQ1Q2>0由循环+环境构成孤立系：包含高温热源H、低温热源L、循环工质C.热机E、环境。

循环:=0功不引起S变:=0例2：下列说法是否正确?为什么?•熵增原理表明:任何过程的熵只增不减•系统从状态1,经过可逆与不可