1、第三章第三章 熵和热力学第二定律熵和热力学第二定律要求要求n理解热力学第二定律的实质，卡诺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理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。意义。n熟练应用熵方程，计算任意过程熵熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，的变化，以及作功能力损失的计算，n了解火用、火无了解火用、火无 的概念。的概念。概述概述n热一律： 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律能量之间能量之间数量数量的关系的关系所有满足能量守恒与转换定律的过所有满足能量守恒与转换定律的过程是否都能程是否都能自
2、发自发进行进行1、功和热的转换、功和热的转换2、不等温传热、不等温传热3、自由膨胀、自由膨胀4、混合过程、混合过程定义：可逆过程；不可逆过程；不可逆因定义：可逆过程；不可逆过程；不可逆因素（温差、压差等）；内部不可逆因素；素（温差、压差等）；内部不可逆因素；外部不可逆因素外部不可逆因素过程的不可逆性过程的不可逆性功量功量摩擦生热热量热量100%热量热量发电厂功量功量40%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? 自然界过程的进行表现在不同的方面自然界过程的进行表现在不同的方面热力学第二定律热力学第二定律n热二律：热二律： 揭示了过程进行的方向、条件和
3、限制揭示了过程进行的方向、条件和限制作用作用热力学第二定律的几种描述热力学第二定律的几种描述 热功转换热功转换 传传 热热 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v不可能从不可能从单一热源单一热源取热，并使之完全转取热，并使之完全转变为变为有用功有用功而不产生其它影响。而不产生其它影响。v不可能制造一部机器，它在循环动作中不可能制造一部机器，它在循环动作中把重物升高而同时使一热库冷却把重物升高而同时使一热库冷却但违反了热但违反了热力学第二定律力学第二定律第
4、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 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：1800mJmkg水降低水降低5 C放热放热：21000mJ克劳修斯表述克劳修斯表述n不可能将热从低温物体传至高温物体而不可能将热从
5、低温物体传至高温物体而不引起其它变化不引起其它变化。空调空调,制冷制冷代价：耗功代价：耗功 热量不可能自发地、不付代价地从低热量不可能自发地、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。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!等效性证明等效性证明 T1 T1RQ1Q2W=Q1-Q2Q2开尔文说法开尔文说法成立，证明成立，证明克劳修斯说克劳修斯说法也成立法也成立卡诺定理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
6、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卡诺定理的结论卡诺定理的结论n1、不能制造出在两个温度不同的热源间、不能制造出在两个温度不同的热源间工作的热机，而使其效率超过同样热源工作的热机，而使其效率超过同样热源见工作的可逆热机见工作的可逆热机n2、在两个热源间工作的一切可逆热机具、在两个热源间工作的一切可逆热机具有相同的效率有相同的效率结论一：可逆热机效率最高结论一：可逆热机效率最高T1T2IRRQ1Q1Q2Q2WIRW T1T2R1R2Q1Q1Q2Q2WR1WR2结论一：一切可逆热机效率相等结论一：一切可逆热机效率相等卡诺循环卡诺循环T1T2Rcq1q2wT1T0Rcq1
7、q2w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)循环效率 t,c =1-T2/T1卡诺循环结论卡诺循环结论 t,c只取决于恒温热源只取决于恒温热源T1和和T2 而与工质的性质无关；而与工质的性质无关； 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 不可逆不可逆熵增
8、原理孤立系统孤立系统无质量交换无质量交换无热量交换无热量交换无功量交换无功量交换0gisoSTQdSfQdST熵流：熵流：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gfdSdSdSfgSSS 0S f0Sg0S可逆过程可逆过程f0SS g0S不可逆绝热过程不可逆绝热过程0Sf0Sg0S可逆绝热过程可逆绝热过程0Sf0Sg0S不易求不易求闭口系闭口系21fgSSS 开口系开口系out(2)in(1)ScvQWcvfgi,ini,ini,outi,out11nniidSdSdSmsms稳定流动稳定流动cv0dSinoutmmmfginout0()dSdSssm21fgdSdSdS
9、21fgSSS 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。熵产：纯粹由不可逆因素引起熵产：纯粹由不可逆因素引起Sg-熵产Sg=0熵增原理=可逆不可逆热力系的有效能n定义：系统的做功能力n能转换为最大功量的能量为火用n不能转
10、换为功的能量称火无例题n例题例题3.23.2 将 2 kg 温度为300 的铅；投入盛有 4 kg 温度为 15 的水的绝热容器中，最后达到温度平衡。试求此过程中系统熵的变化。 )/(1868.4),/(13.02KkgkJcKkgkJcOHPb不等温传热n 设想有两个物体，温度分别维持为 T1 及 T2 且T1 T2 。若两物体发生直接热接触则在温差作用下会有热从高温物体传向低温物体。例题n若两物体分别推持温度 T1 = 800 K及 T2 =500 K，让二物体直接接触，如图 3-13 ，其间传过热量 2 000 kJ，求传热过程引起的总熵产及有效能损失，假定环境温度为 300 K。 扩散
11、过程 n气体向真空扩散的过程，即无功自由膨胀过程。初始时容器的一边盛有气体，另一边为真空，当隔板抽开后气体会自发向真空部分扩散，这是一个典型的不可逆过程。假定过程为绝热，膨胀前后气体分别处于 1、2 状态， 分析熵的变化例题n 某容器被隔板分隔为相等的两半，一边盛有空气另一边为真空，今将隔板抽去并使气体在定温下自由膨胀，最后充满整个容器。若空气可视为理想气体，求1kg 气体在自由膨胀中的熵产及有效能损失(环境温度为 20 ，空气 028JkgK)。 摩擦过程 n设想有一铁块在一平面上克服摩擦力而产生运动，运动过程中消耗摩擦功W，此功转换为摩擦热 Q 全部散发于温度为 T0 的大气环境中（T0 近似为不变）。气体在气轮机中的绝热膨胀 n假想有气体在气轮机中可逆绝热膨胀作功，流动过程为稳定过程，
