,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 热力学第二定律,第五章 热力学第二定律,1,本章知识点,理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。,熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，,了解火用、火无 的概念。,本章知识点理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立,2,本章重点（1）,l,深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。,2深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。,3系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。,本章重点（1）l深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。,3,本章重点（2）,4深入理解熵增原理,并掌握其应用。,5深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法,本章重点（2）4深入理解熵增原理,并掌握其应用。,4,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,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,5,一、热力过程的方向性,自发过程,：,不需要任何,附加条件,就可以自,然进行的过程,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,5-1 热力学第二定律的实质与表述,一、热力过程的方向性自发过程：不需要任何附加条件就可以自自然,6,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,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,7,二、,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,论述热力过程的,方向性,及,能质退化,或,贬值,二、热力学第二定律的实质能不能找出共同的规律性?自然界,8,三、热力学第二定律的表述,热功转换,传 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,三、热力学第二定律的表述 热功转换,9,开尔文普朗克表述,不可能制造只从,一个热源,取热使之完全变成机械能而不引起其他变化的,循环发动机,。,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,开尔文普朗克表述 不可能制造只从一个热,10,理想气体,T,过程,q,=,w,T,s,p,v,1,2,热机：连续作功,构成循环,1,2,有吸热，有放热,理想气体 T 过程q=wT s p v 1 2 热机：,11,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,第二类永动机是不可能制造成功的,环境是个大热源,但违反了热热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从单一热源,12,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,克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体,13,两种表述的关系,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!,两种表述的关系开尔文普朗克完全等效!克劳修斯表述：违反,14,5-2 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,既然,t,=,100不可能,热机能达到的,最高效率,有多少？,热二律奠基人,效率最高,5-2 卡诺循环与卡诺定理法国工程师卡诺(S.Carn,15,S.,卡诺,Nicolas Leonard Sadi Carnot,（1796-1832）法国,卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人,S.卡诺 Nicolas Leonard Sadi Ca,16,一、卡诺循环,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，,q,1,=,T,1,(,s,2,-,s,1,),2-3,绝热膨胀,过程，对外作功,3-4,定温放热,过程，,q,2,=,T,2,(,s,2,-,s,1,),一、卡诺循环卡诺4-1绝热压缩过程，对内作功1-2定温吸热过,17,卡诺循环热机效率,卡诺循环,热机效率,T,1,T,2,Rc,q,1,q,2,w,卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率T1T2Rcq1q2w,18,t,c,只取决于,恒温,热源,T,1,和,T,2,而与工质的,性质,无关；,卡诺循环,热机效率的说明,T,1,t,c,T,2,c,，,温差越大，,t,c,越高,当,T,1,=,T,2,，,t,c,=0,单热源热机不可能,T,1,=,K,T,2,=0 K,t,c,100%，热二律,t,c只取决于恒温热源T1和T2 卡诺循环热机效,19,T,1,c,二、,逆,卡诺循环,T,1,T,2,制冷,T,1,T,2,Rc,q,1,q,2,w,T,s,s,2,s,1,T,2,c,T1 c二、逆卡诺循环T1T2制冷T1T2R,20,T,1,逆,卡诺循环,T,2,T,1,制热,T,s,T,1,T,2,Rc,q,1,q,2,w,s,2,s,1,T,2,T1 逆卡诺循环T2T1制热TsT1T2R,21,三、卡诺定理,定理1：在两个不同温度的,恒温热源,间工作,的一切,可逆热机,，具有,相同,的,热效,率,，且与工质的性质无关。,T,1,T,2,A,B,Q,1,Q,1,Q,2,Q,2,W,0,三、卡诺定理 定理1：在两个不同温度的恒温热源间工作T1T2,22,定理2：在两个不同温度的,恒温热源,间工作的任何,不可逆热机,，其热效率,总小于,这两个热源间工作的,可逆热机,的效率。,W,R,T,1,T,2,A,B,Q,1,Q,1,Q,2,Q,2,W,0,假设：,定理2：在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热,23,违背热力学第二定律,违背热力学第二定律,24,假设：,T,1,T,2,A,B,Q,1,Q,1,Q,2,Q,2,W,0,违背热力学第二定律,假设：T1T2ABQ1Q1Q2Q2W0违背热力学第二定,25,卡诺定理小结,1,、,在两个不同,T,的,恒温热源,间工作的一切,可逆,热机,tR,=,tC,2,、,多,热源间工作的一切可逆热机,tR,多,同温限间工作卡诺机,tC,3,、,不可逆,热机,tIR,同热源间工作,可逆,热机,tR,tIR,tR,=,tC,在给定的温度界限间,工作的,一切热机,，,tC,最高,热机极限,卡诺定理小结1、在两个不同 T 的恒温热源间工作的一切2、多,26,卡诺定理的意义,从理论上确定了通过热机循环,实现热能转变为机械能的条件，指,出了提高热机热效率的方向，是研,究热机性能不可缺少的准绳。,对热力学第二定律的建立具有,重大意义。,卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环,27,卡诺定理举例,A,热机是否能实现,1000,K,300,K,A,2000 kJ,800,kJ,1200,kJ,可能,如果：,W,=1500 kJ,1500,kJ,不可能,500,kJ,卡诺定理举例 A 热机是否能实现1000 K300 KA,28,5-3 状态参数熵及熵方程,一、熵的导出,p,v,a,c,b,d,克劳修斯等式：,5-3 状态参数熵及熵方程一、熵的导出pvacbd克劳修,29,定义：,熵,于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中,S,从,1865年起称为,entropy,，由,清华刘仙洲,教授译成为“,熵,”。,小知识,可逆过程，代表某一,状态函数,。,比,熵,定义：熵于19世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引,30,熵的物理意义,定义：,熵,热源温度=工质温度,比,熵,克劳修斯不等式,可逆时,熵变表示可逆过程中热交换的方向和大小,熵的物理意义,熵的物理意义定义：熵热源温度=工质温度比熵克劳修斯不等式可逆,31,熵是状态量,可逆循环,p,v,1,2,a,b,熵变与路径无关,只与初终态有关,熵是状态量可逆循环pv12ab熵变与路径无关,只与初终态有关,32,克劳修斯不等式,=,可逆循环,不可逆,不可逆过程S与传热量的关系任意不可逆循环pv12ab=可,34,=,可逆,不可逆,：不可逆过程,热二律表达式之一,一、,孤立系统熵增原理,5-4 孤立系统熵增原理与做功能力损失孤立系统无质量交,43,熵增原理的理论意义,（1）可通过孤立系统的熵增原理,判断,过程进行的,方向,（2）熵增原理可作为系统平衡的,判据,当孤立系统的,熵,达到,最大值,时，,系统处于热平衡。,（3）熵增原理与过程的,不可逆性,密切相,关，不可逆程度越大，熵增也越,大，由此可以,定量地,评价过程的热,力学性能的,完善性,。,熵增原理的理论意义（1）可通过孤立系统的熵增原理判断（2）熵,44,二、作功能力损失,R,Q,1,Q,2,W,R,卡诺定理,tR,tI,R,可逆,T,1,T,0,IR,W,IR,Q,1,Q,2,作功能力:,以环境为基准,系统可能作出的最大功,假定,Q,1,=,Q,1,，,W,R,W,IR,作功能力损失,二、作功能力损失RQ1Q2WR卡诺定理tR tIR可逆,45,作功能力损失,T,1,T,0,R,Q,1,Q,2,W,IR,W,Q,1,Q,2,假定,Q,1,=,Q,1,，,W,R,W,IR,作功能力损失,作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRWQ1Q2假定 Q,46,熵的性质和计算,不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之间任选一可逆过程进行计算。,熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；,熵的变化只与初、终态有关，与过程的路,径无关,熵是广延量,熵的性质和计算 不可逆过程的熵变可以在给定的初、终 态之,47,