南师大工程热力学课件第5章 热力学第二定律.ppt

第五章热力学第二定律**热力学第一定律只讨论了能量转化的数量关系，但对于无序能：热与有序能：功之间质的区别未加讨论。事实上，有序和无序之间的转化问题不仅是热力学问题，也是许多其他学科要解决的问题。本章的许多概念已被应用到其他领域。但要研究它们应从自然界自发过程入手。第一节自发过程第二节热力学第二定律的实质与表述第三节卡诺循环卡诺定理第四节熵第五节孤立系熵增原理第六节能量的可用性第七节熵的统计学意义一、自发过程的方向性温差传热高温----低温压差做功高压----低压功变热功----热上述三种情形的逆过程不能无代价地自动进行，可见自然界事物的发展是有方向性的。定义：在孤立系中不需外界帮助能够自动进行的过程称为自发过程。二、自发过程的不可逆性同样是上面三例，如进行逆过程则无法自发进行，这便是其不可逆性。如果进行逆过程，必须付出一定代价才能使该逆过程进行下去。第一节自发过程三、不可逆过程的等效性一个不可逆过程发生后，会留下某种不可逆变化的结果，欲消除之就只能用另一种不可逆变化来补偿，但又产生了一个新的不可逆效应。如若要使低温物体向高温物体传热，即通常的制冷，则必须做功，而功只能是由热转变而来，而热变功又是一个不可逆过程，会产生一个低温的废热，这就又留下了不可逆的“效应”。四、过程进行的动力传热温差膨胀压差电功电势差由上述情形可见，使过程进行的动力是一种差，一种能量的品质差。正是这种差产生了自然界的推动力。但这种差越大，其逆过程就越难发生。一、热二律的表述在能量转换过程中，热力学第一定律只说明了能量传递和相互转换时的数量关系，只阐明了能量转换当量这一方面，但并没有叙述过程进行的方向和限度问题。能量转换规律的另一方面：转换的条件，则由热力学第二定律来确定。自发过程的表现形式是多样的，但其内在的本质与共同特点都是单向进行，不可逆。热力学第二定律的实质是指出过程进行的可能方向和达到平衡的必要条件，以及不可逆性对过程性能的影响。1.开尔文说法：不可能从单一热源吸热，并使之全部转变为功而不留下任何变化。(第二类永动机造不成。)2.克劳修斯说法：不能将低温热源的热自动(自发)地、无代价地传到高温热源，而不留下任何变化。第二节热力学第二定律的实质与表述二、两种表述的统一性违反了开尔文的说法就必然违反克劳修斯的说法一、循环定义：自封闭的过程。1.正循环：热机循环，热变功。其效益用效率η衡量：第三节卡诺循环卡诺定理2.逆循环：致冷循环，低温向高温传热。效益用致冷系数ε衡量：或者用热泵系数ε’衡量注意制冷系数可以大于小于或等于1，但是热泵系数永远大于1二、卡诺循环及其热效率1.卡诺循环及其热效率①卡诺循环的构成为什么要构成卡诺循环?②效率因为1-4、2-3过程定熵将上述结果代入得：致冷循环中致冷系数为：2.卡诺逆循环热泵循环中热泵系数为：三、卡诺定理1.定义卡诺定理指出：在两个不同温度恒温热源间工作的所有热机中，以可逆热机效率最高。证明：用反证法，若上述定理不存在，如图所示图中EB为某一热机，EA为可逆热机。T1T2EAEBq1q2q1q’2wAwB若卡诺定律不成立则应ηBηA因此如果按照下图连接系统，则T1T2EAEBq1q2q1q’2wAw显然这个复合系统有功输出但是对于T1热源，两热机吸放热相等，所以等于不存在。这样就构成了从单一热源（T2）吸热而不向其他热源放热并做功的第二类永动机，违反热力学第二定律这说明原假设不成立，得证推论一：在两个不同温度恒温热源间工作的所有可逆热机，均具有相同热效率，而与工质性质无关。推论二：在两个不同温度恒温热源间工作的所有不可逆循环，其热效率必小于在两个同样的恒温热源间工作的可逆循环。2.卡诺定律的推论3.讨论：①工作于两恒温热源间的可逆机，其热效率取决于高温热源和低温热源的温度，而与工质的性质无关。②热效率随加热温度的增加和排热温度的降低而增大。③热机的效率总小于100%，且不可能等于100%。④当两热源的温度相等时，卡诺循环的热效率等于零。⑤工作于两恒温热源间的一切热机，以卡诺热机的效率为最高