第五章 热力学第二定律 刘英光

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1、第五章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics一、自然过程的方向性第一定律：能量数量上的守恒。例：1.摩擦WQW=Q§5-1热力学第二定律但是，加热并不能使物体动力起来。第二定律：过程的方向性问题。说明：功转化为热，能自发进行；热转化为功，不能自发进行。但用热机能实现2.温差传热QQ′AB?B向A传热并不违反第一定律说明：可以自发进行不能自发进行。但用热泵能实现低温高温重物下落，水温升高;水温下降，重物升高？只要重物位能增加小于等于水降内能减少，不违反第一定律。电流通过电阻，产生热量对电阻加热，电阻内产生反向电流？只要电能

2、不大于加入热能，不违反第一定律。归　纳：1）自发过程有方向性；2）自发过程的逆过程并非不可进行，而是不能自发进行。若满足一定的附加条件，也是可以进行的；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。其它例子：自由膨胀，混合过程，等等能量转换方向性的实质是能质（或能级）有差异：无限可转换能—机械能，电能部分可转换能—热能不可转换能—环境介质的热力学能能质降低的过程可自发进行；反之则需一定条件——补偿过程，其总效果是总体能质降低。热力学第二定律的任务研究热力过程的方向性，以及由此而引起的非自发过程的补偿和补偿限度是热力学第二定律的任务。二、热力学第二定律的表述

3、克劳修斯说法：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他任何变化。说明：T1>T2T1T2QQT1T2RT1T2QQ+WW自发过程不能自发进行。要付代价才能进行。用逆循环使Q由T2传给T1，代价为W，W变为热使T1共吸收Q+W。开尔文——普朗克说法：不可能从单一热源取热并使之完全转变为功而不产生其他影响。解释：单一热源，只有一个温度；多热源：多个温度；无穷多热源，温度连续变化。全部转化：吸热=作功其他任何变化：除热变功这种变化之外的任何变化。例子：1.理想气体定温膨胀过程实现了Q＝W，此外，还有工质状态变化(无则不能现)；另外，过程有终点，不能连续

4、实现热变功。TQW第二类永动机不可能实现（第二定律的又一说法）第一类永动机：不消耗能量作功。违反第一定律。第二类永动机：从单一热源吸热并全部转化功，即热效率为百分之百。违反第二定律。热力学第二定律的各种说法是等效的。表面上看，二者完全不同，实则是等效的。可用反正法证明。克氏说法：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他任何变化。开—普说法：不可能从单一热源取热并使之完全转变为功而不产生其他影响。等效性的证明开尔文说法不正确，即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。克劳修斯说法正确，即热不能从低温物体传向高温物体而不产生其它影响。假设

5、：制造联合热机，如下图。Q1=W+Q2=Q+Q2QQ=WQ2W制冷机R：吸热Q2，放热Q1=W+Q2=Q+Q2热机E：吸热Q=作功W；总效果：T2放热Q2，T1吸热Q1-Q=Q2；即相当于Q2从T2传到T1没有产生其它影响。RET2T1结论：假设开尔文说法不正确是不对的，即它是正确的。学生自己证明克劳修斯说法不正确，即热能自发地从低温物体传向高温物体而不产生其它影响。开尔文说法正确，即不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。反之，也可假设：这样，就可以证明二种说法是完全等效的。14试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。证明：令工质从

6、A经等温线到B，再经等熵过程返回A，完成循环。此循环中工质在等温过程中从单一热源吸热，并将之转换为循环净功输出。这是违反热力学第二定律的，故原假设不可能成立。设等熵线S与同一条等温线T有两个交点A和B。热一律否定第一类永动机热机的热效率最大能达到多少？又与哪些因素有关？t>100％不可能热二律否定第二类永动机t=100％不可能§5-2卡诺循环和多热源可逆循环分析法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环效率最高一、卡诺循环（是两个热源的可逆循环）组成：四个可逆过程1.绝热压缩d—a；2.定温吸热a—b；3.绝热膨胀b—c；4.定温放

7、热c—d。cPvabdT2T1Tsbadc17由定温过程ab、cd，分别有Ta=Tb=T1；由绝热过程bc、da，有及Tc=Td=T2cPvabdT2T1Tsbadc即知可见卡诺循环的热效率可表达为T1——高温热源的温度;T2——低温热源的温度卡诺循环是可逆循环，上式中：4.实际循环不可能实现卡诺循环，原因：a）一切过程不可逆；b）气体实施等温吸热，等温放热困难；c）气体卡诺循环wnet太小，若考虑摩擦，输出净功微小。5.卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向性。二.概括性卡诺循环双热源之间的极限回热循环，称为概括性卡诺循环热效率：三、逆向卡诺循环ab

8、c••••d△sTs四、多热源的可逆循环任意可逆循环，如右图之1H2L1。吸热过程：1H2，工