第5章 热力学第二定律

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1、工程热力学教案第5章热力学第二定律热力学第一定律揭示了这样一个自然规律：热力过程中参与转换与传递的能量在数量上是守恒的。但是并没有说明是否符合能量守恒定律的过程都能够实现。实践经验告诉我们，自然过程进行都是具有方向性的。热力学第二定律就是揭示热力过程方向、条件与限度的定律。只有同时满足一二定律的过程才能够实现。5．1热力学第二定律的实质与表述5.1.1自然过程的方向性一、磨擦过程功可以自发转为热，但热不能自发转为功。例如钻木取火。在刚性绝热密闭容器中带有搅拌器，靠重物下降带动搅拌，摩擦工质生热，气体温度升高，这

2、个过程可以自发进行，但是反方向让气体把热量放出来拉动重物上升却无法自发进行。二、传热过程热量只能自发从高温传向低温，温差越大，传热越多，反之却无法自发进行，制冷热泵过程的发生都不是自发进行的。三、自由膨胀过程绝热自由膨胀为无阻膨胀，但压缩过程却不能自发进行。四、混合过程两种气体或者液体混合是常见的自发过程，混合后再分开就无法自发进行。五、燃烧过程燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等)，只要达到燃烧条件即可自发进行，而燃烧产物越无法不花代价就还原为燃料。结论:自然的过程是具有方向性的，是不可逆的。如果要逆向进行，就必须付

3、出某种代价或者具有补充条件。5.1.2热力学第二定律的实质人们通过长期的实践发现自然过程进行的方向性，这些经验被总结为热力学第二定律，方向性是根本的内容。在这里要注意，热力学第一、第二定律都是根据实践经验得来的，与所有经验型定律一样，不能被证明，只能验证。热力学第二定律涉及范围非常广泛，如热功转换、化学反应、燃料燃烧、气体的扩散混合、辐射、生物化学、低温物理、信息理论、气象学等，都需要用到它来判断过程进行的方向性、发生条件和进行深度，因此在应用到哪个领域的时候都有适应于该领域的表述方法。不同角度的叙述方式描述的

4、本质都是相同的。下面介绍两种应用最广的叙述方式：-10-工程热力学教案1、克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。这种说法针对热量传递的方向性这个角度的表述方法，称为热力学第二定律的克劳修斯说法。制冷并不违背这一定律，因为热量从低温物体传递到高温物体是花费了一定的代价的，即机械能，这部分机械能最终也转化为了热能传递给高温热源。2、开尔文—普朗克说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变为机械能而不引起其它变化的循环发动机。蒸汽机出现后，人们一直致力于提高蒸汽机效率的研究，通过研究人们认识

5、到使热能转化为机械能，必须存在温度差，即高低温热源，通常我们都是以大气或者常温水作为低温热源，另有高于环境温度的物质（如高温高压的蒸汽、燃料燃烧产生的高温烟气等）作为高温热源。只有一个热源的热机是无法工作的。此外人们还认识到，机械能和热能的转化是有限度的，无论如何高温热源提供的热量不肯能全部转化为机械功，不可避免的要有一部分传递给低温热源。以上经验的总结就是从能量转化角度描述的热力学第二定律。定温过程虽然可以从单一热源吸热并完全转化为功，但是却引起了气体的比容的变化。两种表述方法的关键之处都在于“不引起其他变化

6、”。我们把违背第二定律的热机叫做第二类永动机。第二类永动机认为可以不引起其他变化就可以从单一热源吸热并完全转化为功。如果这样的热机存在的话，那么就可以利用大气、海洋等单一热源来获取能量，把热能转换为功，那么显然就有取之不尽的能量了。显然这是错误的。幻想第一类永动机的人已经很少了，但是关于第二类永动机的研究却还有很多人在进行着，更为可悲的是，这些做着毫无意义尝试的人们却并不意识到这违背了第二定律，甚至否认第二类永动机。因此，深入理解热力学第二定律，正确分析、解释、指导创造性活动显得尤为重要。5.1.3热力学第二定

7、律各种说法的一致性表面上看以上两种说法针对不同的现象表述，没有什么联系，但是他们反映的却都是热过程的方向性，因此实质上是统一的，等效的。可以用反证法证明。-10-工程热力学教案5.2卡诺循环与卡诺定理热力学第二定律告诉我们，热效率为100%的热机是不存在的。那么进行提高热效率的研究，最大效率到底是多大呢，又和哪些因素有关呢？卡诺循环给了我们答案。卡诺循环的意义就在于解决了热变功最大限度的转换效率的问题。一、卡诺循环及其热效率1824年，卡诺在《论火的推动力》一文中描述了一个由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组

8、成的循环，被命名为“卡诺循环”。当时卡诺还相信热素学说，把热量从高温热源传递到低温热源做功的过程看作是水从高处流向低处能做功一样，现在看来肯定是错误的，但是这种方法却有利于我们理解问题。理想状况下，利用水轮机做功可以把水送回原来的高处，那么利用热机同样可以把热量从冷源送回热源，这种理想状况即：可逆情况。怎样才能够实现可逆呢，他认为有水位差而不设置水轮机，水从高处流下所做的功就浪费了，就