工程热力学第五章 - Ch.5 热力学第二定律

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1、第五章热力学第二定律教学目标：使学生熟练掌握热力学第二定律实质、数学表达式，能进行热力过程不可逆性的判定。知识点：热力学第二定律实质及表述；卡诺循环、卡诺定理；熵与熵方程；孤立系统熵增原理。重点：热力学第二定律的实质；卡诺循环及卡诺定理对热功转换效率的指导意义，熵参数定义，过程不可逆性与熵增之间的关系，利用熵方程进行热力计算以及作功能力损失的计算。难点：热力过程的方向性与不可逆性的判定，熵的概念及其物理意义，孤立系统熵增原理对生产实践的指导意义。§5.1热力学第二定律的实质与表述一、自然过程的方向性经验告诉我们，自然界发生的许多过程是有方向性的。例如：

2、1、热功转换的方向性功转换成热的试验。如图，重物下降，搅动容器中的流体使流体温度升高，但不能让流体自动冷却而产生动力把重物举起。即重物下降能使流体温度升高，但流体温度降低不能使重物上升。１、热—功转换的方向性热功转换模拟图重物下降,将机械能转变为热能问题:给容器加入等量热量,能否将重物提升至原来高度?A物体B物体2、热量传递的方向性AB热量传递的方向性图热量传递3、自由膨胀与压缩过程的方向性真空４、混合与分离过程的方向性上述诸现象说明自然过程具有方向性，即只能自发地向一个方向进行，如果要逆向进行，就必须付出代价，或者说具备一定的补充条件，即自然过程是不

3、可逆的。自然过程的方向性可逆与不可逆过程一个热力学系统由某一初态出发，经过某一过程到达末态后，如果还存在另一过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到初态，又同时消除了原过程对外界引起的一切影响），则原过程称为可逆过程。一个热力学系统由某一初态出发，经过某一过程到达末态后，如果不存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原过程称为不可逆过程。由于摩擦等耗散因素的实际存在，不可能使系统和外界完全复原。因此有关热现象的实际宏观过程和非准静态过程都是不可逆过程。可逆过程与不可逆过程二、热力学第二定律的表述由于人们分析问题的出发点不同，所以“热力学第二定律”有

4、各种各样的说法，但无论有多少种不同的说法，它们都反映了客观事物的一个共同本质，即自然界的一切自发过程有方向性。1、克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。2、开尔文说法（1851）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功，而不引起其它变化。(第二类永动机是不可以实现的)“克氏”是从传热的角度出发，“开氏”是从功热转换的角度出发。表述的等价性举一个反证例子假如热量可以自动地从低温热源传向高温热源，就有可能从单一热源吸取热量使之全部变为有用功而不引起其它变化。（但实际上是不可能的）热力学第二定律的两种表述是等价的等价于

5、高温热源低温热源假想的自动传热装置卡诺热机高温热源低温热源§5.2卡诺循环与卡诺定理一、卡诺循环卡诺循环是1824年法国青年工程师卡诺提出的一种理想的有重要理论意义的可逆热机的可逆循环，它是由四个可逆过程组成：一个可逆热机在二个恒温热源间工作。d——a：可逆绝热压缩a——b：T1下的可逆等温吸热Q1b——c：可逆绝热膨胀c——d：T2下的可逆等温放热Q2假设用理想气体实施这个循环。循环热效率：其中：利用绝热过程状态参数间的关系：故：整理得：卡诺循环热效率的另一种计算方法：吸热量放热量循环净功循环热效率卡诺循环的计算重要结论：（1）效率只取决于、，提高和

6、降低都可以提高热效率；（2）循环效率小于1；（3）当=时，=0，所以借助单一热源连续做功的机器是制造不出来的。T0c三、逆卡诺循环卡诺制冷循环T0T2制冷T0T2Rcq1q2wTss2s1T2cT1’逆卡诺循环卡诺制热循环T0T1制热TsT1T0q1q2Rcws2s1T0’三种卡诺循环T0T2T1制冷制热TsT1T2动力卡诺定理定理一：在相同温度的高温热源(T1)和相同温度的低温热源(T2)之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪一种工质也无关。定理二：在温度同为T1的热源和温度同为T2的冷源间工作的一切不可逆

7、循环，其热效率必小于可逆循环。也可以说，对于任一在两恒温热源间工作的热机：则该热机是可逆热机；①若则该热机是不可逆热机；②若则该热机是不可能制造出来的。③若而卡诺定理1证明—反证法：设有任意的可逆热机A和可逆热机BA=WA/Q1B=WB/Q1把B逆转T1T2AQ1Q2AWAT1T2BQ1Q2BWBQ2BT1T2ABQ1WA-WBQ2AQ1假设A大于B：则WA大于WB违反开氏表述，单热源热机。所以：A>B不成立。只有：A=B同理可证：A<B不成立。A=B=C与工质无关。所以：卡诺定理2证明：有两台热机IR(不可逆)和R(可逆)工

8、作在热源和冷源T1和T2之间现考虑将可逆机逆转(热泵)T1T2IRRQ1Q1’Q2Q2’WIR