工程热力学 第5章　热力学二定律

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1、第五章热力学第二定律能量之间数量的关系热力学第一定律能量守恒与转换定律所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能自发进行自发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。自然界自发过程都具有方向性热量由高温物体传向低温物体摩擦生热水自动地由高处向低处流动电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向性功量自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量100%热量发电厂功量40%放热热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?能不能找到一个判据?自然界过程的方向性表现在不同的方面热力学第二定律§5-1热二律的表述与实质热功转换传

2、热热二律的表述有60-70种1851年开尔文－普朗克表述热功转换的角度1850年克劳修斯表述热量传递的角度开尔文－普朗克表述不可能从单一热源取热，并使之完全转变为有用功而不产生其它影响。热机不可能将从热源吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给冷源。理想气体T过程q=w冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变理想气体T过程q=wTspv12热机：连续作功构成循环12有吸热，有放热但违反了热力学第二定律热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从单一热源取热并使之完全变为功的热机。这类永动机并不违反热力学第一定律第二类永动机是不

3、可能制造成功的环境是个大热源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。热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。空调,制冷代价：耗功两种表述的关系开尔文－普朗克表述完全等效!!!克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!!!证明1、违反开表述导致违反克表述Q1’=WA+Q2’反证法：假定违反开表述热机A从单热源吸热全部作功Q1=WA用热机A带动可逆制冷机B取绝对值Q1’-Q2’=WA=Q1Q1’-Q1=Q2’违反克表述T1热源AB冷源T2

4、A=Q1-Q2反证法：假定违反克表述Q2热量无偿从冷源送到热源假定热机A从热源吸热Q1冷源无变化从热源吸收Q1-Q2全变成功WA违反开表述T1热源A冷源T2100％不可能热二律否定第二类永动机t=100％不可能§5-2卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carnot)，1824年提出卡诺循环

5、热二律奠基人效率最高卡诺循环—理想可逆热机循环卡诺循环示意图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)卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w•t,c只取决于恒温热源T1和T2而与工质的性质无关；卡诺循环热机效率的说明•T1t,c,T2c，温差越大，t,c越高•当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能•T1=K,T2=0K,t,c<100%，热二律T0c卡诺逆循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2

6、Rcq1q2wTss2s1T2cT1’卡诺逆循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0Rcq1q2ws2s1T0’三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力有一卡诺热机,从T1热源吸热Q1,向T0环境放热Q2,对外作功W带动另一卡诺逆循环,从T2冷源吸热Q2’,向T0放热Q1’例题T1T2(>T0则例题T1T2(>T0解：例题T1T2(>T0解：0概括性卡诺循环如果吸热和放热的

7、多变指数相同bcdafeT1T2完全回热Tsnn∴ab=cd=ef这个结论提供了一个提高热效率的途径多热源（变热源）可逆机多热源可逆热机与相同温度界限的卡诺热机相比，热效率如何？Q1C>Q1R多Q2CtR多Q1R多=T1(sc-sa)Q2R多=T2(sc-sa)Ts卡诺定理—热二律的推论之一定理：在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，以可逆热机的热效率为最高。卡诺提出：卡诺循环效率最高即在恒温T1、T2下结论正确，但推导过程是错误的当时盛行“热质说”1850年开尔文

8、，1851年克劳修斯分别重新证明开尔文的证明—反证法若tIR>tRT1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIRWIR-WR=Q2’-Q2>0T1无变化从T2吸热Q2’-Q2违反开表述，单热源热机WR假定Q1=Q1’要证明把R逆转-WRWIR=Q1-