第十五章热力学第二定律精选文档.ppt

第十五章热力学第二定律本讲稿第一页，共二十七页WABCD 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算 A B 等温膨胀等温膨胀 B C 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温压缩等温压缩 D A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环A B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热本讲稿第二页，共二十七页C D 等温压缩放热等温压缩放热WABCD D A 绝热过程绝热过程B C 绝热过程绝热过程 本讲稿第三页，共二十七页 卡诺热机效率卡诺热机效率WABCD 卡诺热机效率与工作物卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高则卡诺循环的效率越高.本讲稿第四页，共二十七页WABCD高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数本讲稿第五页，共二十七页 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗？讨讨 论论本讲稿第六页，共二十七页 1 开尔文说法：不可能制造出这样一种开尔文说法：不可能制造出这样一种循循环环工作的热机，它只使工作的热机，它只使单一单一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量给其他物体，或者说放出热量给其他物体，或者说不不使使外外界发生任界发生任何变化何变化.第二定律的提出第二定律的提出1 功热转换的条件第一定律无法说明功热转换的条件第一定律无法说明.2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明逆性问题第一定律无法说明.一一 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 第三节、热力学第二定律第三节、热力学第二定律本讲稿第七页，共二十七页 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单单一热源吸热作功，一热源吸热作功，而而不不放放出热量给其它物体出热量给其它物体,但它但它非循环过程非循环过程.12W W低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 卡诺卡诺循环是循循环是循环过程，环过程，但需两个但需两个热源，且热源，且使外界发使外界发生变化生变化.本讲稿第八页，共二十七页 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化物体，但需外界作功且使环境发生变化.2 克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机WABCD本讲稿第九页，共二十七页注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结热力学第二定律是大量实验和经验的总结.3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性法都反映了自然界过程进行的方向性.2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性法具有等效性.本讲稿第十页，共二十七页准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程 可逆过程可逆过程:在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过程能如果逆过程能重复正过程的每一状态重复正过程的每一状态,而不引起其他变化而不引起其他变化,这样的过这样的过程叫做可逆过程程叫做可逆过程.二二 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程本讲稿第十一页，共二十七页 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程.不可逆不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程.可逆过程的条件可逆过程的条件本讲稿第十二页，共二十七页非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的可逆的.热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发本讲稿第十三页，共二十七页 1）在在相同相同高温热源和低温热源之间工作的任高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的意工作物质的可逆机可逆机都具有都具有相同相同的效率的效率.三三 卡诺定理卡诺定理 2）工作在工作在相同相同的高温热源和低温热源之间的一切的高温热源和低温热源之间的一切不不可逆机的效率都可逆机的效率都不可能不可能大于可逆机的效率大于可逆机的效率.(不不可逆机可逆机)（可逆可逆机机）以卡诺机为例，有以卡诺机为例，有本讲稿第十四页，共二十七页可以用反证法证明以上结果：可以用反证法证明以上结果：首先，根据热机效率和制冷机制冷系数的定义，对于一首先，根据热机效率和制冷机制冷系数的定义，对于一个可逆热机，其效率越高，则制冷系数越低，反之亦然。个可逆热机，其效率越高，则制冷系数越低，反之亦然。把两个可逆热机联合工作于两个热源之间，一个为热机，把两个可逆热机联合工作于两个热源之间，一个为热机，一个为制冷机，热机输出的功驱动制冷机工作，则如果一个为制冷机，热机输出的功驱动制冷机工作，则如果热机从高温热源吸取的热量为热机从高温热源吸取的热量为Q1,低温热源放出的热量低温热源放出的热量为为Q2,则一个循环后制冷机从低温热源吸收的热量则一个循环后制冷机从低温热源吸收的热量Q2和和在高温热源放出的热量在高温热源放出的热量Q1都大于前者，那么两机器联都大于前者，那么两机器联合工作的最终效果是从低温热源传于高温热源，这是与热合工作的最终效果是从低温热源传于高温热源，这是与热力学第二定律相矛盾的；同理，两个机器变换，也得到同力学第二定律相矛盾的；同理，两个机器变换，也得到同样的结果，最终只能承样的结果，最终只能承本讲稿第十五页，共二十七页认，它们的效率相等。认，它们的效率相等。对于不可逆热机，得到其效率不可能大于可逆热机效率的结论。对于不可逆热机，得到其效率不可能大于可逆热机效率的结论。注意：卡诺定理指出，任意的工作于两热源间的可逆热机的效注意：卡诺定理指出，任意的工作于两热源间的可逆热机的效率都相同，则前边根据卡诺热机（理想气体为工作物质）得到率都相同，则前边根据卡诺热机（理想气体为工作物质）得到的结果是普遍成立的结论，使之具有了更为重要的意义。的结果是普遍成立的结论，使之具有了更为重要的意义。虽然这种可逆热机是不可能实现的，但是起码这个定理给出了任虽然这种可逆热机是不可能实现的，但是起码这个定理给出了任意工作方式的热机的效率上限，对于实际工作有指导意义。意工作方式的热机的效率上限，对于实际工作有指导意义。另外，这个结果对于理论上的发展也有重大意义，可以使我另外，这个结果对于理论上的发展也有重大意义，可以使我们把热力学第二定律数学化。们把热力学第二定律数学化。本讲稿第十六页，共二十七页 结论结论：可逆卡诺循环中可逆卡诺循环中,热温比总和为零热温比总和为零.热温比热温比 等温过程中吸收或放出的热量等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比与热源温度之比.可逆卡诺机可逆卡诺机一一 熵概念的引进熵概念的引进 如何判断如何判断孤立孤立系统中过程进行的系统中过程进行的方向方向？本讲稿第十七页，共二十七页任一微小可逆卡诺循环任一微小可逆卡诺循环对所有微小循环求和对所有微小循环求和当当时，则时，则 任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成 结论结论:对任一可逆循环过程对任一可逆循环过程,热温比之和为零热温比之和为零.本讲稿第十八页，共二十七页 在可逆过程中，系统从状态在可逆过程中，系统从状态A改变到状态改变到状态B,其热温比其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无关的积分只决定于始末状态，而与过程无关.据此可知热温比的据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此积分是一态函数的增量，此态函数态函数称称熵熵.二二 熵是态函数熵是态函数 可逆过程可逆过程*ABCD可逆过程可逆过程本讲稿第十九页，共二十七页无限小可逆过程无限小可逆过程 热力学系统从初态热力学系统从初态 A 变化到末态变化到末态 B，系统，系统熵熵的增量的增量等于初态等于初态 A 和末态和末态 B 之间任意一可逆过程之间任意一可逆过程热温比（热温比（）的积分）的积分.物理意义物理意义 熵的单位熵的单位*ABCDE 可逆过程可逆过程 本讲稿第二十页，共二十七页三三 熵变的计算熵变的计算 1）熵是态函数，当始末两平衡态确定后，熵是态函数，当始末两平衡态确定后，系系统的熵变也是确定的统的熵变也是确定的,与过程无关与过程无关.因此因此,可在两平可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变.2）当系统分为几个部分时，当系统分为几个部分时，各部分的熵变之各部分的熵变之和等于系统的熵变和等于系统的熵变.本讲稿第二十一页，共二十七页 例例1 计算不同温度液体混合后的熵变计算不同温度液体混合后的熵变.质量为质量为0.30 kg、温度为、温度为 的水的水,与质量为与质量为 0.70 kg、温度为温度为 的水混合后，最后达到平衡状态的水混合后，最后达到平衡状态.试求水的熵变试求水的熵变.设整个设整个系统与外界间无能量传递系统与外界间无能量传递.解解 系统为孤立系统系统为孤立系统,混合是不可逆的等压过程混合是不可逆的等压过程.为计算为计算熵变熵变,可假设一可逆等压混合过程可假设一可逆等压混合过程.设设 平衡时水温为平衡时水温为 ,水的定压比热容为水的定压比热容为由能量守恒得由能量守恒得本讲稿第二十二页，共二十七页各部分热水的熵变各部分热水的熵变显然显然孤立孤立系统中系统中不不可逆过程熵是可逆过程熵是增加增加的的.本讲稿第二十三页，共二十七页绝热壁绝热壁例例2 求热传导中的熵变求热传导中的熵变 设在微小时间设在微小时间 内内,从从 A 传到传到 B 的热量为的热量为 .同样，此同样，此孤立孤立系统中系统中不不可逆过程熵亦是可逆过程熵亦是增加增加的的.本讲稿第二十四页，共二十七页四四 熵增加原理：熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少孤立系统中的熵永不减少.平衡态平衡态 A平衡态平衡态 B（熵不变）（熵不变）可逆可逆过程过程非平衡态非平衡态平衡态（熵增加）平衡态（熵增加）不可逆不可逆过程过程自发过程自发过程 孤立系统孤立系统不不可逆过程可逆过程孤立系统孤立系统可逆可逆过程过程 孤立系统中的孤立系统中的可逆可逆过程，其熵不变；过程，其熵不变；孤立系统中的孤立系统中的不不可逆过程，其熵要增加可逆过程，其熵要增加.熵增加原理成立的熵增加原理成立的条件条件:孤立系统或绝热过程孤立系统或绝热过程.本讲稿第二十五页，共二十七页 热力学第二定律亦可表述为热力学第二定律亦可表述为：一切自发过程一切自发过程总是向着熵增加的方向进行总是向着熵增加的方向进行.熵增加原理的应用熵增加原理的应用：给出自发过程进行方向：给出自发过程进行方向的判椐的判椐.五五 熵增加原理与热力学第二定律熵增加原理与热力学第二定律本讲稿第二十六页，共二十七页证明证明 理想气体真空膨胀过程是不可逆的理想气体真空膨胀过程是不可逆的.在态在态1和态和态2之间假设一可逆等之间假设一可逆等温膨胀过程温膨胀过程不可逆不可逆12本讲稿第二十七页，共二十七页