热工基础-于秋红—第4章-热力学第二定律

1、1,第4章 热力学第二定律,4.1 热力学第二定律,4.1.1 热力过程的方向性,自发过程：,不需要任何外界作用而自动进行的过程,自发过程是不可逆的 。要想使自发过程逆向进行，就必须付出某种代价，或者说给外界留下某种变化。,2,4.1.2 热力学第二定律的表述,克劳修斯表述：,不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。 （热量传递）,开尔文表述：,不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。（热功转换）,3,法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出 卡诺循环,热机能达到的最高效率有多少？,效率最高,4.2 卡诺循环与卡诺定理,4,4.2.1 卡诺循环,卡诺

2、循环是一种理想热机工作循环，它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。,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,3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1),5,卡诺循环热效率：,t,c,6,概括性卡诺循环,吸热和放热的多变指数相同,b,c,d,a,c,d,T1,T2,T,s,这个结论提供了一个提高热效率的途径,7,4.2.2 卡诺定理,定理一：,在相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关。,定理二：,在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率

3、。,8,单一热源热机，违背热力学第二定律,假如AB,A带动B逆向运行,A带动B逆向运行,AB、AB不可能,AB,WAWB，Q2A Q2B,Q2B-Q2A= WA-WB,9,结论：,c只取决于高温热源与低温热源的温度，而与工质的性质无关。,当T1=T2，c = 0, 没温差不可能连续将热能转变为机械能，单热源热机不存在。,T1 = K, T2 = 0 K, c 100%， 通过热机循环不可能将热能全部转变为机械能。,c,10,4.3 熵及孤立系统熵增原理,4.3.1 熵的导出,比熵的定义式,比熵是由热力学第二定律导出的状态参数。,根据卡诺定理，在温度分别为T1与T2的两个恒温热源间工作的一切可逆

4、热机的热效率都相同，与工质的性质无关。,式中q1、q2均为绝对值，若取代数值，吸热正，放热负，则,11,对于任意一个可逆循环，可以用一组可逆绝热线，将其分割成无数微元卡诺循环。,对整个循环积分，则得,克劳修斯积分等式,对于每一个微元卡诺循环，,q,12,可逆过程的积分值相等，与路径无关。,根据状态参数的特点断定，q/T一定是某一状态参数的全微分。这一状态参数被称为比熵，用s 表示。,注意：由于是可逆过程，T 既是工质的温度，也等于热源的温度。,质量为m，则,13,克劳修斯不等式,根据卡诺定理，在相同的恒温高温热源T1和恒温低温热源T2之间工作的不可逆热机的热效率一定小于可逆热机的热效率，即,1

5、4,一个不可逆循环可以用无数不可逆绝热线分割成无数微元循环，对任意一个不可逆微元循环，,对整个不可逆循环积分,上式称为克劳修斯不等式，适用于任意不可逆循环。,克劳修斯不等式与克劳修斯等式合写成,上式可用于判断一个循环是否能进行，是否可逆。,15,4.3.2 不可逆过程熵的变化,对于由不可逆过程1-A-2与可逆过程2-B-1组成的不可逆循环1A2B1，根据克劳修斯不等式,对于可逆过程2-B-1，,（可逆；不可逆）,2B1,1A2,1A2,16,对于微元过程，,可判断过程能否进行、是否可逆、不可逆性大小。,热力学第二定律表达式,可逆与否的判别：,（1） ， 用于判断循环；,（2） ，用于判断过程；

6、,（3） ，用于微元过程。,17,根据上式，可以将熵的变化分成两部分：,dSf 称为熵流，,吸热：dSf 0；,放热：dSf 0；,绝热：dSf 0；,dSg称为熵产，是由于过程不可逆造成的熵变。,过程不可逆性愈大，熵产愈大， dSg 0 。,熵产是过程不可逆性大小的度量。,18,4.3.3 孤立系统熵增原理与作功能力损失,1. 孤立系统熵增原理,对于孤立系统，,上式表明：孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。这一规律称为孤立系统熵增原理。孤立系统的熵增完全由熵产组成，其大小取决于系统内部的不可逆性。,它还说明，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。,19,2. 作功能力的损失,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。,作功能力损失与孤立系统熵增的关系：,由卡诺定理可知，,20,令,由不可逆引起的功的损失为,如果将热源、环境、可逆热机R、不可逆热机IR合起来看作一个孤立系统，则经过一个工作循环后，此孤立系统的熵增为,，又对于可逆热机，,因为,21,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