热力学第二定律的实质及计算方法课件

热力学第二定律的热力学第二定律的实质及计算方法实质及计算方法本章知识点本章知识点理理解解热热力力学学第第二二定定律律的的实实质质，卡卡诺诺循循环环，卡卡诺诺定定理理，孤孤立立系系统统熵熵增增原原理理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟熟练练应应用用熵熵方方程程，计计算算任任意意过过程程熵熵的的变化，以及作功能力损失的计算，变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无了解火用、火无 的概念。的概念。本章重点（本章重点（1）l深深入入理理解解热热力力学学第第二二定定律律的的实实质质，它它的的必必要要性性。它它揭揭示示的的是是什什么么样样的的规规律律；它它的的作用。作用。2 2深深入入理理解解熵熵参参数数。为为什什么么要要引引入入熵熵。是是在在什什么么基基础础上上引引出出的的。怎怎样样引引出出的的。它它有有什么特点。什么特点。3 3系系统统熵熵变变的的构构成成，熵熵产产的的意意义义，熟熟练练地地掌握熵变的计算方法。掌握熵变的计算方法。本章重点（本章重点（2）4 4深深入入理理解解熵熵增增原原理理,并并掌掌握握其其应应用。用。5 5深深入入理理解解能能量量的的可可用用性性，掌掌握握作功能力损失的计算方法作功能力损失的计算方法能量之间能量之间数量数量的关系的关系热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律所有满足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的过程是否都能自发自发进行进行自发过程的方向性自发过程的方向性自发过程：自发过程：不需要任何外界作用而自动进不需要任何外界作用而自动进 行的过程。行的过程。自然界自发过程都具有方向性自然界自发过程都具有方向性l 热量由高温物体传向低温物体热量由高温物体传向低温物体l 摩擦生热摩擦生热l 水自动地由高处向低处流动水自动地由高处向低处流动l 电流自动地由高电势流向低电势电流自动地由高电势流向低电势自发过程的方向自发过程的方向性性功量功量自发过程具有方向性、条件、限度自发过程具有方向性、条件、限度摩擦生热热量热量100%热量热量发电厂功量功量40%放热放热 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质能不能找出能不能找出共同共同的规律性的规律性?能不能找到一个能不能找到一个判据判据?自然界过程的自然界过程的方向性方向性表现在不同的方面表现在不同的方面热力学第二定律热力学第二定律55-1 -1 第第二定律的表述与实质二定律的表述与实质 热功转换热功转换 传传 热热 热二律的热二律的表述表述有有 60-7060-70 种种 1851年年 开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 热功转换的角度热功转换的角度 1850年年 克劳修斯表述克劳修斯表述 热量传递的角度热量传递的角度开尔文普朗克表述开尔文普朗克表述 不可能从不可能从单一热源单一热源取热取热，并使之完全，并使之完全转变为转变为有用功有用功而不产生其它影响而不产生其它影响。热机不可能将从热机不可能将从热源热源吸收的热量全部转吸收的热量全部转变为有用功，而必须将某一部分传给变为有用功，而必须将某一部分传给冷源冷源。理想气体理想气体 T 过程过程 q=w冷热源冷热源:容量无限大，取、放热其温度不变容量无限大，取、放热其温度不变 但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律热二律与第二类永动机热二律与第二类永动机第二类永动机：设想的从第二类永动机：设想的从单一热源单一热源取热并取热并使之完全变为功的热机。使之完全变为功的热机。这类永动机这类永动机并不违反热力并不违反热力 学第一定律学第一定律第二类永动机是不可能制造成功的第二类永动机是不可能制造成功的环境是个大热源环境是个大热源第二类永动机第二类永动机?如果三峡水电站用降温法发电，使水如果三峡水电站用降温法发电，使水温降低温降低5 C，发电能力可提高发电能力可提高11.7倍。倍。设水位差为设水位差为180米米重力势能转化为电能：重力势能转化为电能：mkg水降低水降低5 C放热放热：克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能将热从低温物体传至高温物体不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化而不引起其它变化。热量不可能自发地、不付代价地从低不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体温物体传至高温物体。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功两种表述的关系两种表述的关系开尔文普朗克开尔文普朗克表述表述 完全等效!克劳修斯表述克劳修斯表述：违反一种表述,必违反另一种表述!5-2 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理法国工程师法国工程师卡诺卡诺(S.Carnot)，1824年提出年提出卡诺循环卡诺循环既然既然t=100不可能热机能达到的热机能达到的最高效率最高效率有多少？有多少？热二律奠基人热二律奠基人效率最高效率最高S.卡诺卡诺 Nicolas Leonard Sadi Carnot（1796-1832）法国法国卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理,热二律奠基人热二律奠基人卡诺循环卡诺循环 理想可逆热机循环理想可逆热机循环卡诺循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程，q1=T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程，q2=T2(s2-s1)卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率卡诺循环卡诺循环热机效率热机效率T1T2Rcq1q2w t,c只取决于只取决于恒温恒温热源热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关；卡诺循环卡诺循环热机效率的说明热机效率的说明 T1 t,c ,T2 c ，温差越大，温差越大，t,c越高越高 当当T1=T2，t,c=0,单热源热机不可能单热源热机不可能 T1=K,T2=0 K,t,c tR2 tR2 tR1 WR2 只有：只有：tR1=tR2 tR1=tR2=tC与工质无关与工质无关卡诺定理卡诺定理推论二推论二 在两个不同温度的在两个不同温度的恒温热源恒温热源间工作的任间工作的任何何不可逆热机不可逆热机，其热效率，其热效率总小于总小于这两个热源这两个热源间工作的间工作的可逆热机可逆热机的效率。的效率。T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIR 已证：已证：tIR tR 只要证明只要证明 tIR=tR 反证法反证法,假定：假定：tIR=tR 令令 Q1=Q1 则则 WIR=WR 工质循环、冷热源均恢复原状，工质循环、冷热源均恢复原状，外界无痕迹，只有可逆才行外界无痕迹，只有可逆才行，与原假定矛盾。与原假定矛盾。Q1-Q1=Q2 -Q2=0 WR卡诺定理小结卡诺定理小结1、在两个不同在两个不同 T T 的的恒温热源恒温热源间工作的一切间工作的一切 可逆可逆热机热机 tR=tC 2、多多热源间工作的一切可逆热机热源间工作的一切可逆热机 tR多多 同温限间工作卡诺机同温限间工作卡诺机 tC 3、不可逆不可逆热机热机 tIR 同热源间工作同热源间工作可逆可逆热机热机 tR tIR tR=tC 在给定的温度界限间在给定的温度界限间工作的工作的一切热机一切热机，tC最高最高 热机极限热机极限 卡诺定理的意义卡诺定理的意义 从理论上确定了通过热机循环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。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对热力学第二定律的建立具有重大意义。重大意义。卡诺定理举例卡诺定理举例 A 热机是否能实现热机是否能实现1000 K300 KA2000 kJ800 kJ1200 kJ可能可能 如果：如果：W=1500 kJ1500 kJ不可能不可能500 kJ5-3 克劳修斯不等式克劳修斯不等式5-3、5-4 熵熵、5-5 孤立系熵增原理孤立系熵增原理 围绕方向性问题，围绕方向性问题，围绕方向性问题，围绕方向性问题，不等式不等式不等式不等式热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性 定义定义熵熵克劳修斯不等式克劳修斯不等式克劳修斯不等式的研究对象是克劳修斯不等式的研究对象是循环循环 方向性的方向性的判据判据正正循环循环逆逆循环循环可逆可逆循环循环不可逆不可逆循环循环 克劳修斯不等式克劳修斯不等式的推导的推导5-4 熵熵热二律推论之一热二律推论之一 卡诺定理卡诺定理给出热机的给出热机的最高理想最高理想热二律推论之二热二律推论之二 克劳修斯不等式克劳修斯不等式反映反映方向性方向性热二律推论之三热二律推论之三 熵熵反映反映方向性方向性熵的导出熵的导出定义：定义：熵熵于于19世纪中叶首先克劳修斯世纪中叶首先克劳修斯(R.Clausius)引入，式中引入，式中S从从1865年起称为年起称为entropy，由由清华刘仙洲清华刘仙洲教授译成为教授译成为“熵熵”。小知识克劳修斯不等式克劳修斯不等式可逆过程，可逆过程，代表某一代表某一状态函数状态函数。=可逆循环可逆循环可逆循环可逆循环 不可逆不可逆 S与传热量与传热量的关系的关系=可逆可逆不可逆不可逆：不可逆过程：不可逆过程定义定义熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起结论：结论：熵产是过程不可逆性大小的度量熵产是过程不可逆性大小的度量。熵流：熵流：永远永远热二律表达式之一热二律表达式之一熵流、熵产和熵变熵流、熵产和熵变任意不可逆过程任意不可逆过程可逆过程可逆过程不可逆绝热过程不可逆绝热过程可逆绝热过程可逆绝热过程不易求不易求熵变的计算方法熵变的计算方法理想气体理想气体仅仅可可逆逆过过程程适适用用Ts1234任何过程任何过程 5-5 孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理孤立系统孤立系统无质量交换无质量交换结论：结论：孤立系统的熵只能增大，或者不变，孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小绝不能减小，这一规律称为这一规律称为孤立系统孤立系统 熵增原理熵增原理。无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程热二律表达式之一热二律表达式之一为什么用为什么用孤立系统？孤立系统？孤立系统孤立系统=非孤立系统非孤立系统+相关外界相关外界=：可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程最常用的最常用的热二律表达式热二律表达式作功能力损失作功能力损失RQ1Q2WR卡诺定理卡诺定理 tR tIR 可逆可逆T1T0IRWIRQ1Q2作功能力作功能力:以环境为基准以环境为基准,系统可能作出的最大功系统可能作出的最大功假定假定 Q1=Q1，WR WIR 作功能力损失作功能力损失作功能力损失作功能力损失T1T0RQ1Q2WIRWQ1Q2假定假定 Q1=Q1，W R WIR 作功能力损失作功能力损失 5-4 熵方程熵方程闭口系闭口系开口系开口系out(2)in(1)ScvQW稳定流动稳定流动熵的性质和计算熵的性质和计算 不可逆过程的熵变可以在给定的初、终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。态之间任选一可逆过程进行计算。l 熵是状态参数，状态一定，熵有确定的值；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，与过程的路熵的变化只与初、终态有关，与过程的路 径无关径无关 熵是广延量熵是广延量