1、51 51 热力学第二定律热力学第二定律一、自发过程的方向性一、自发过程的方向性自然过程具有方向性，例如：自然过程具有方向性，例如：1 1 通过通过摩擦功转变为热摩擦功转变为热是不可逆过程。是不可逆过程。2 2 有限温差传热有限温差传热是不可逆过程。是不可逆过程。3 3 空气空气向真空自由膨胀向真空自由膨胀是不可逆过程。是不可逆过程。只要只要Q不大于不大于Q，并不违反第一定律并不违反第一定律重物下落，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。内能减少，不违反第一定律。电流通过电阻，产生热量
2、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。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0TT 不可转换能不可转换能环境介质的热力学能环
3、境介质的热力学能二、热力学第二定律的表述二、热力学第二定律的表述1 1 克劳修斯说法克劳修斯说法：热不可能自发地、不付任何：热不可能自发地、不付任何代价地从低温传递到高温物体。代价地从低温传递到高温物体。2 2 开尔文说法开尔文说法：不可能从单一热源吸热，使之：不可能从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下任何变化。全部转化为功而不留下任何变化。两种说法等价。两种说法等价。52 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 p a b c d T a b c d s v a-ba-b：定温膨胀定温膨胀，从高温热源工质吸热，从高温热源工质
4、吸热q q1 1。b-cb-c：绝热膨胀绝热膨胀，对外作功。，对外作功。c-dc-d：定温压缩定温压缩，工质向低温热源放热，工质向低温热源放热q q2 2。d-ad-a：绝热压缩绝热压缩，消耗功。，消耗功。2 2 热效率热效率1211qqqwnettabvvdcvv121)(kbcvvTT121)(kadvvTTadbcvvvv12TTq1=RgT1ln q2=RgT2ln又：，所以：最终：t=1-3 3 讨论讨论热效率只取决于热效率只取决于高温热源高温热源和和低温热源低温热源的的温度温度，与，与工质的性质无关。工质的性质无关。T T1 1不可能达到不可能达到无穷大无穷大，T T2 2不可能为
5、不可能为0 0，所以效率，所以效率小于小于1 1。如如T T1 1=T T2 2，t t=0=0，单热源热机单热源热机不存在。不存在。增大增大T T1 1，减小，减小T T2 2，可提高热效率。，可提高热效率。卡诺循环是卡诺循环是理想循环理想循环，用于，用于衡量衡量其他循环的完善其他循环的完善程度。程度。二、概括性卡诺循环二、概括性卡诺循环工作于两个热源间的其余可逆循环称为概括工作于两个热源间的其余可逆循环称为概括性卡诺循环。性卡诺循环。1 1 循环组成循环组成循环由循环由多变过程多变过程bcbc和和dada代替了卡诺循环中的绝热过程。代替了卡诺循环中的绝热过程。2 2 循环实现的条件循环实现
6、的条件要使该循环成为可逆循环，需满足要使该循环成为可逆循环，需满足：bcbc与与dada 的的多变指数多变指数n n必须相等。必须相等。工质在工质在bcbc中中放出的热量放出的热量必须在必须在dada过程中被工质过程中被工质吸收吸收，并且为等温传热。，并且为等温传热。采用采用回热回热实现该循环。实现该循环。回热回热：采用无限多个蓄热器实现：采用无限多个蓄热器实现.T1 T1-dT T2 T2-dT 3 3 热效率热效率1211qqqwnett)()(112abdcssTssT121TT三、有多个热源的可逆循环三、有多个热源的可逆循环cdaefabcfeqq面积面积112如图所示，对于热源多于一
7、个的任意可逆循环如图所示，对于热源多于一个的任意可逆循环abcdaabcda，有：，有：吸热过程吸热过程：abcabc，q q1 1=面积面积abcfeabcfe。放热过程放热过程：cdacda，q q2 2=面积面积cdaefcdaef。热效率热效率：t=1-平均放热温度平均放热温度和和平均吸热温度平均吸热温度：做一个卡诺循环做一个卡诺循环ABCDABCD，使面积，使面积ABfeABfe=abfeabfe，面，面积积CDefCDef=cdefcdef，则，则ABCDABCD与与abcdabcd热效率热效率相等相等。12TT1T2Tt=1-：平均吸热温度平均吸热温度。：平均放热温度平均放热温度
8、。四、逆向卡诺循环四、逆向卡诺循环循环按循环按adcbaadcba逆时针逆时针进行，向进行，向高温热源放热高温热源放热q q1 1，从，从低温热源吸热低温热源吸热q q2 2。p a b c d T a b c d s v v1 1 用做用做制冷制冷：v2 用做用做取暖取暖：2122122TTTqqqwq2112111TTTqqqwq5-3卡诺定理卡诺定理 定理定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源在相同温度的高温热源和相同的低温热源 之间工作的一切可逆循环，其热效率都相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，与采用哪种等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种 工质也
9、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 间工作的一切不可逆循环，其热效率必小间工作的一切不可逆循环，其热效率必小 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。证明证明：用反证法。：用反证法。T1 T2 Q1 Q2A Q2B Q1 A B 54 熵和热力学第二定律的数学表达式熵和热力学第二定律的数学表达式 T s a b g f A B c e 1 2 e f 一、熵参数一、熵参数dRqsT 讨论
10、讨论：1）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质）因证明中仅利用卡诺循环，故与工质性质无关；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；s是状态参是状态参数，数，比熵比熵令令与过程无关,TQrrev0若循环是若循环是不可逆循环不可逆循环，有：，有：可逆可逆“=”不可逆不可逆“”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，其极孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限限一切过程均可逆时系统熵保持不变一切过程均可逆时系统熵保持不变。3）一切实际过程都不可逆，所以可）一切实际过程都不可逆，所以可根据熵增原根据熵增原理判别过程进行的
11、方向理判别过程进行的方向；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第二定律律 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）一个系统）一个系统熵的减小，熵的减小，必然伴随着必然伴随着其他系统熵的其他系统熵的增加，增加，并且并且熵的总和不可能减小熵的总和不可能减小。T1 T2 W 1 1 热转化为功热转化为功S=ST1+ST2=2211TQTQ0若若T T1 1TT2 2T1 T2 2 2 温差传热温差传热 若T1T2，ds=2
12、1TQTQ0v3 3 机械能不可逆转化为热能机械能不可逆转化为热能v通过摩擦使机械能转化为热能。通过摩擦使机械能转化为热能。v损失功损失功dwdwl l。v系统熵增加：系统熵增加：dsds=0Tdwl57 系统的作功能力（系统的作功能力（）及熵产与作功能力损失及熵产与作功能力损失 可可100%被利用，无限转换的能量称为被利用，无限转换的能量称为 。机。机械能、电能械能、电能100%是是一一.热源热量的热源热量的热源传出的热量中理论上可转化为热源传出的热量中理论上可转化为 的热量。的热量。2100STQTQTQEQ,x二二.能量贬值原理能量贬值原理 损失损失可用能的损失可用能的损失：gSTI0一热机在一热机在A A，B B，C C三个热源之间工作，三个热源之间工作，T TA A=1000K=1000K，T TB B=700K=700K，T TC C=300K=300K。热机为可。热机为可逆热机，工作一段时间后热机从热源逆热机，工作一段时间后热机从热源A A吸吸热热1000kJ1000kJ，对外做功，对外做功W=400kJW=400kJ，请计算该，请计算该热机与热机与B B、C C热源之间交换的热量是多少？热源之间交换的热量是多少？是吸热还是放热？是吸热还是放热？
