第 热力学第二定律.pptx

1重物下落，水温升高重物下落，水温升高;水温下降，重物升高水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降内能只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。减少，不违反第一定律。电流通过电阻，产生热量电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向对电阻加热，电阻内产生反向电流电流？只要电能不大于加入热能，不只要电能不大于加入热能，不违反第一定律。违反第一定律。第1页/共30页2归纳：归纳：1）自发过程有）自发过程有方向性方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有要有附加条件附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。能量转换方向性的能量转换方向性的实质是实质是能质能质有差异有差异无限可转换能无限可转换能机械能，电能机械能，电能部分可转换能部分可转换能热能热能不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环境介质的热力学能第2页/共30页3 能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过补偿过程，其总效果表现为总体能质降低。程，其总效果表现为总体能质降低。代价代价代价代价第3页/共30页4二、第二定律的两种典型表述二、第二定律的两种典型表述1.克劳修斯叙述克劳修斯叙述热量不可能热量不可能自发地不花代价地自发地不花代价地从低温从低温 物体传向高温物体。物体传向高温物体。2.开尔文开尔文-普朗克叙述普朗克叙述不可能制造不可能制造循环循环热机，只从热机，只从一一 个热源个热源吸热，将之吸热，将之全部全部转化为功，而转化为功，而 不在外界留下任何影响不在外界留下任何影响。3.第二定律各种表述的等效性第二定律各种表述的等效性T1 失去失去Q1 Q2T2 无得失无得失热机净输出功热机净输出功Wnet=Q1 Q2例例1 等熵线与等温线有无交点等熵线与等温线有无交点？第4页/共30页552 卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理一、卡诺循环及其热效率一、卡诺循环及其热效率 1.卡诺循环卡诺循环是是两两个热源的个热源的可逆可逆循环循环第5页/共30页62.卡诺循环热效率卡诺循环热效率第6页/共30页7讨论：讨论：2）3）第二类永动机不可能制成。第二类永动机不可能制成。4）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：）实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a）一切过程不可逆；一切过程不可逆；b）气体实施等温吸热、等温放热困难；气体实施等温吸热、等温放热困难；c）气体卡诺循环气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，太小，若考虑摩擦，输出净功极微。输出净功极微。5）卡诺循环指明了一切热机提高热）卡诺循环指明了一切热机提高热 效率的方向。效率的方向。1）即即循环净功小于吸热量，必有放热循环净功小于吸热量，必有放热q2。第7页/共30页8二、逆向卡诺循环二、逆向卡诺循环 制冷系数制冷系数：TcT0-Tc 第8页/共30页9供暖系数供暖系数：TRTR-T0 第9页/共30页10三、卡诺定理三、卡诺定理 定理定理1：在在相同温度相同温度的高温热源和相同的低温热源的高温热源和相同的低温热源 之间工作的之间工作的一切可逆循环一切可逆循环，其，其热效率都相热效率都相 等等，与可逆循环的，与可逆循环的种类无关种类无关，与采用哪种，与采用哪种 工质也无关工质也无关。定理定理2：在同为温度在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的冷源的冷源 间工作的间工作的一切不可逆循环一切不可逆循环，其热效率必，其热效率必小小 于可逆循环热效率于可逆循环热效率。理论意义：理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低降低T2；2）提高热机效率的极限。提高热机效率的极限。例例2 卡诺循环热效率卡诺循环热效率第10页/共30页11循环热效率归纳：循环热效率归纳：适用于一切工质，任意循环适用于一切工质，任意循环适用于多热源可逆循环，任意工质适用于多热源可逆循环，任意工质适用于卡诺循环，概括性卡诺循环适用于卡诺循环，概括性卡诺循环,任意工质任意工质第11页/共30页1253 熵的导出熵的导出一、熵是状态参一、熵是状态参数数 可以证明可以证明，任意可逆过程可用一组任意可逆过程可用一组 初、终态相同的由可逆初、终态相同的由可逆 绝热及等温过程绝热及等温过程组成的过程替代。如图，组成的过程替代。如图，1-2可用可用1-a，a-b-c及及c-2代替。代替。用一组等熵线分割任意可逆循环，用一组等熵线分割任意可逆循环，由可逆由可逆 绝热及等温过程绝热及等温过程组成的过程替代小循环中的任意过程，组成的过程替代小循环中的任意过程，考察其热效率考察其热效率第12页/共30页13 讨论：讨论：1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；2）因）因s是状态参数，故是状态参数，故s12=s2-s1与过程无关；与过程无关；克劳修斯积分等式克劳修斯积分等式，（Tr热源温度热源温度）s是状态参数是状态参数令令3）令分割循环的可逆绝热线令分割循环的可逆绝热线无穷大无穷大，且任意两线间距离且任意两线间距离0 第13页/共30页14二、克劳修斯积分不等式二、克劳修斯积分不等式用一组等熵线分割循环用一组等熵线分割循环可逆小循环可逆小循环不可逆小循环不可逆小循环可逆小循环部分：可逆小循环部分：不可逆小循环部分：不可逆小循环部分：第14页/共30页15可逆部分可逆部分+不可逆部分不可逆部分可逆可逆“=”不可逆不可逆“TB，不可逆，取不可逆，取A为系统为系统 所以，单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若不可逆系统所以，单纯传热，若可逆，系统熵变等于熵流；若不可逆系统熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。熵变大于熵流，差额部分由不可逆熵产提供。例例4 熵增、熵流、熵产熵增、熵流、熵产例例5 熵增、熵流、熵产熵增、熵流、熵产第20页/共30页21 考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流，熵考虑系统与外界发生质量交换，系统熵变除（热）熵流，熵产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以产外，还应有质量迁移引起的质熵流，所以熵方程熵方程应为：应为：流入流入系统熵系统熵-流出流出系统熵系统熵+熵产熵产=系统系统熵增熵增其中其中流入流入流出流出热迁移热迁移质迁移质迁移造成的造成的热热质质熵流熵流三、熵方程和孤立系统熵增原理三、熵方程和孤立系统熵增原理第21页/共30页22流入流入流出流出熵产熵产熵增熵增第22页/共30页23 熵方程核心：熵方程核心：熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自熵可随热量和质量迁移而转移；可在不可逆过程中自发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移发产生。由于一切实际过程不可逆，所以熵在能量转移过程中自发产生（熵产），过程中自发产生（熵产），因此熵是不守恒的，熵产是因此熵是不守恒的，熵产是熵方程的核心熵方程的核心。闭口系熵方程：闭口系熵方程：闭口绝热系：闭口绝热系：可逆可逆“=”不可逆不可逆“”闭口系：闭口系：第23页/共30页24绝热稳流开系：绝热稳流开系：稳稳定定流流动动开开口口系系熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）熵方程（仅考虑一股流出，一股流进）稳流开系：稳流开系：例例6 判断熵变情况判断熵变情况第24页/共30页25二、孤立系统熵增原理二、孤立系统熵增原理 由熵方程由熵方程因为是孤立系因为是孤立系可逆取可逆取“=”不可逆取不可逆取“”孤立系统熵增原理：孤立系统熵增原理：孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，（其极限）一切孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，（其极限）一切过程均可逆时系统熵保持不变过程均可逆时系统熵保持不变。第25页/共30页26 3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原理判根据熵增原理判 别过程进行的方向别过程进行的方向；讨论：讨论：1）孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理Siso=Sg 0，可作为可作为第二定律第二定律 的的又一数学表达式，而且是又一数学表达式，而且是更基本的一种表达式更基本的一种表达式；2）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；）孤立系统的熵增原理可推广到闭口绝热系；4）孤立系统中一切过程孤立系统中一切过程均不改变其总内部储能，即均不改变其总内部储能，即 任意过程中任意过程中能量守恒能量守恒。但各种不可逆过程均可。但各种不可逆过程均可 造成机械能损失，而造成机械能损失，而任何不可逆过程均是任何不可逆过程均是Siso0，所以所以熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性。例。例第26页/共30页27R“=”IR“”不可逆使不可逆使孤立系熵增大孤立系熵增大造成后果是造成后果是机械能（功）减少机械能（功）减少a)热能热能机械能机械能第27页/共30页28b)R“=”IR“”若不可逆，若不可逆，TATB,，以以A为热源为热源B为冷源，利用热机可使为冷源，利用热机可使一部分热能转变成机械能，所以一部分热能转变成机械能，所以孤立系熵增大孤立系熵增大这里也意味着这里也意味着机械能损失机械能损失。第28页/共30页29 c)机械功（或电能）转化为热能机械功（或电能）转化为热能输入输入WsQ（=Ws），），气体由气体由T1 上升到上升到T2，v1=v2。工质熵变工质熵变外界外界 S外外=0 由于热能不可能由于热能不可能100%转变成机械能而不留任何影响，故这转变成机械能而不留任何影响，故这里里Siso0还是意味还是意味机械能损失机械能损失。孤立系熵增意味机械能损失孤立系熵增意味机械能损失例例7 熵增原理熵增原理例例8 数据可靠性分析数据可靠性分析第29页/共30页30感谢您的观看！第30页/共30页