西工大冯青版工程热力学课件第4章 热力学第二定律(新).pdf

第四章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics§４-１自然过程进行的方向性（Directionofnatureprocess)§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)1.热力循环的定义（DefinitionoftheCycles）2.热力循环的分类（ClassificationoftheCycles）3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）1)正向循环(Forwardcycle)２)逆向循环(Reversedcycle)３)可逆循环(Reversiblecycle)4)不可逆循环(Irreversiblecycle)1 第四章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法１.克劳修斯说法(Clausiusstatement)2.开尔文-普朗克说法（Kelvin-Planckstatement）3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)4.热力学第二定律的实质和热力学第二定律的N种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明1）由开尔文-普朗克说法→克劳修斯说法2）由克劳修斯说法→开尔文-普朗克说法热力学第二定律录象2 第四章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics§４-１自然过程进行的方向性（Directionofnatureprocess)问题：所有已经发生的过程都遵守热力学第一定律，所有遵守热力学第一定律的过程是否都能发生？温差传热过程QQ12QQ21?无论向哪个方向传热都并不违反热一定律3 第四章热力学第二定律Thesecondlawofthermodynamics§４-１自然过程进行的方向性（Directionofnatureprocess)功变热W重物下落，水温升高√Q水温下降，重物升高？?W=Q不违反热一定律4 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-１自然过程进行的方向性（Directionofnatureprocess)能够自动地、无条件地进行的过程称为自发过程。不能自动地、无条件地进行的过程称为非自发过程。一杯热水热量：水→空气（自发过程）将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使水加热？运动的机械摩擦生热，功量→热量（自发过程）将散失到空气中的热量自发地聚集起来，使机械重新运动？高压容器中的气体高压→低压（真空）（自发过程）让泄露到大气中的气体自发地重入容器，使容器恢复高压？或自动产生真空？不同种类物质相互混合过程（自发过程）混合物中的各个物质能自动分开？物体的非弹性变形（自发过程）非弹性变形能自动复原？5 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-１自然过程进行的方向性（Directionofnatureprocess)自然界过程进行是有特定的方向的，而不是双向的，这是自然界过程的一种最本质的属性。过程的进行是有方向的、有条件的、有限度的。热力学第二定律的任务：判断进行的方向、条件、限度。返回6 第四章热力学第二定律§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)1.热力循环的定义（DefinitionoftheCycles）p热力过程的缺陷：1仅通过一个热力过程是C不可能连续不断地把吸入的热量转变为功的。A要想连续不断地获得工B质的功，就必须让工质返回原态，再由原态重2新开始作功。v封闭的热力过程就称为热力循环，简称循环(cycle)。7 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)1.热力循环的定义（DefinitionoftheCycles）热力循环是实现连续地功热转换的基本条件和手段。实际中使用的所有热力发动机和制冷机都是采用热力循环才得以连续工作的。燃气轮机发电机组火力发电厂8 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)1.热力循环的定义（DefinitionoftheCycles）中国第一台拥有自主知识产权的航空发动机——昆仑Ⅱ在珠海航展上9 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)1.热力循环的定义（DefinitionoftheCycles）四缸汽车发动机电冰箱返回10 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)2.热力循环的分类（ClassificationoftheCycles）按循环的效果不同，热力循环可分为正向循环和逆向循环。正向循环就是在循环中把热能转变为机械能的循环，所有的热力发动机（如汽车、船舶、航空动力装置）和其它输出动力的装置（如蒸汽动力等）都是采用的这一循环，故也称为动力循环(powercycle)或热机循环(thermalenginecycle)。逆向循环就是在循环中把机械能转变为热能的循环，所有的制冷机（如冰箱、空调等）和其它输出热能的装置（如热泵等）都是采用的这一循环，故也称为制冷循环(refrigerationcycle)或热泵循环(heatpumpcycle)。11 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)2.热力循环的分类（ClassificationoftheCycles）按照循环的热力过程性质的不同，又可分为可逆循环和不可逆循环。循环所经历的过程都是可逆过程。则循环就是可逆循环（reversiblecycle）。循环所经历的过程部分或全部都是不可逆过程，则循环就是不可逆循环（irreversiblecycle）。返回12 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）1)正向循环(Forwardcycle)pWWW-101AB221CpdVpdVA12AB21pdV=面积1A234-面积2B143B121AB=面积1A2B12特点：43v顺时针循环，向外净输出循环功W013 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）T1)正向循环(Forwardcycle)2QTds面积1A2341C吸热量112AQ1QTds面积1B2341A放热量212B净吸热量BQQQ-TdsTds1012Q212AB12Tds=面积1A2B1121AB特点：43顺时针循环，从高温吸热，向低温放热，从外界净输入热量SQ014 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）1)正向循环(Forwardcycle)高温热源由热力学第一定律pdVTdsQQQW0120-Q1W0121AB121AB在正向循环中，工质从高温热源吸热Q1Q2在返回原态的过程中又向低温热源放热Q2从而把净热量QQQ012-转换成了机械功W0低温冷源称为动力循环(powercycle)或热机循环(thermalenginecycle)。15 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）高温热源1)正向循环(Forwardcycle)Q1循环经济性用经济指标度量。一般来W0说，经济指标是收益Q经济指标2代价对于正向循环来说，“收益”——循环功W0低温冷源Q（注意不是Q！）“代价”——吸热量10WQQQ经济性指标热效率为01221100%tQQQ11116 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）高温热源1)正向循环(Forwardcycle)QTds面积1A234QTds面积1B2341小结12Q112A12BW0QQQ012-TdsTdsW0pdV=面积1A234-面积2B143121AB12AB12=面积1A2B1Tds=面积1A2B1121ABQ2WQQQ01212tQQQ111结论低温冷源要想连续不断地得到功，热机不仅要有高温热源，还要有低温冷源，热效率t只能小于百分之百。返回17 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）T２)逆向循环(Reversedcycle)C2吸热量QTds面积1A2341212AQ1QTds面积1C2341A放热量1Q212C循环净放热量QQQTdsTdsTds01212CAA12121C1=面积1C2341-面积1A234=面积1A2C143S特点：逆时针循环，从低温吸热，向高温放热，向外界净放出热量Q018 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）p２)逆向循环(Reversedcycle)1C循环功AWW-WpdVpdVpdV01CA21212CAA12121C=面积1C234-面积1A234=面积1A2C12特点：43逆时针循环，从外净输入循环功Wv019 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）高温热源２)逆向循环(Reversedcycle)由热力学第一定律有Q1pdVTdsQQQW0120W0121AC121AC在逆向循环中，工质从低温热源吸热Q2Q2在返回原态的过程中又向高温热源放热Q1从而把机械功W0转换成了净热量QQQ012低温冷源称为制冷循环(refrigerationcycle)或热泵循环(heatpumpcycle)。20 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）高温热源２)逆向循环(Reversedcycle)Q1收益W0经济指标仍是经济指标代价对于逆向循环来说，“代价”——循环功W0Q2“收益”—随目的不同而有所不同！低温冷源QQ22制冷机“收益”—吸热量Q制冷系数2cWQQ012QQ11热泵“收益”—放热量Q供暖系数w11WQQ01221 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）２)逆向循环(Reversedcycle)QTds面积1A2341小结QTds面积1C23412112A12C高温热源QQQ012TdsTdsW01WCA21-W2pdVpdV12CA1212CA12Tds=面积1A2C1pdV=面积1A2C1Q121AC121AC1QQQWW00120QQ11QQ122wWQQc012WQQQ2012结论要想让热量从低温传向高温就必须低温冷源付出代价——作功。返回22 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）３)可逆循环(Reversiblecycle)高温热源根据“可逆”的性质，可逆循环应具有如下性质：当工质经历一个Q1正向可逆循环后，再经过一个与Q1W0功此相反的逆向可逆循环，最终热力系（工质）和外界（包括高温源热源、低温冷源和接收循环功的Q2功源）都会恢复到原来的状态，Q2而不留下任何的痕迹，就好象原来的循环没有发生过一样。低温冷源23 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）３)可逆循环(Reversiblecycle)高温热源经过正向可逆循环后热源:失去热量Q功源:得到功WQ110Q1W冷源:得到热量Q热力系:状态不变02功源经过逆向可逆循环后Q2热源:得到热量Q1功源:失去功W0Q2冷源:失去热量Q2热力系:状态不变低温冷源24 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）３)可逆循环(Reversiblecycle)高温热源经过正向和逆向可逆循环后的总结果:Q1热源:不变功源:不变Q1W0功冷源:不变热力系:不变源热力系与外界同时恢复原态Q2而未留下任何痕迹，就好象Q2循环没有发生过一样。说明原来的正向循环的确是一个低温冷源可逆循环。返回25 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Rhermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）4)不可逆循环(Irreversiblecycle)高温热源经过正向不可逆循环后,,Q1热源:失去热量Q1功源:得到功W0W0Q1,冷源:得到热量QQ热力系:状态不变W0功22,,源经过逆向可逆循环后Q,2热源:得到热量QQWQWQ120201Q2冷源:失去热量Q2Q22Q热力系:状态不变低温冷源功源:失去功W0W026 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）4)不可逆循环(Irreversiblecycle)热源高温经过正向不可逆循环和逆向可逆循环后,,Q1热源:净失热QQ11功源:不变Q1,W0功冷源:净得热QQ22热力系:状态不变,,源可以证明QQQQ1122,Q2Q2即遵守热力学第一定律，但最终的结果是遗留下了变化：一低温冷源部分热量从热源传给了冷源。27 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）4)不可逆循环(Irreversiblecycle)高温热源这个遗留的变化能够采取什么措施消除吗？,,,,,经过另一个不同的逆向可逆循环Q1=Q2+W0功源:失功W0W0热力系:状态不变Q1,W0功QQWQWQ热源:得热120201,,源W冷源:失热Q,02,Q2经过正向不可逆循环和逆向可逆循环后Q2热源:净得热QQ11冷源:不变低温冷源功源:净失功WW00热力系:状态不变28 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）4)不可逆循环(Irreversiblecycle)高温热源这个遗留的变化能够采取什么措施消除吗？,,,,,QQWWQ1=Q2+W0可以证明1100Q1,遵守热力学第一定律，但最终W0功的仍然遗留下了变化：一部分,,源功不可逆地变成了热传给了高W,0温热源。,Q2Q2答案：这个遗留的变化无论采取什么措施都不可能消除。低温冷源29 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）4)不可逆循环(Irreversiblecycle)原路径小结：判断过程或循环工质状态1工质状态2可逆是否可逆的方法沿原路径可逆进行工质状态1原路径工质状态1工质状态2不可逆沿原路径可逆进行外界+工质状态130 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§４-２热力循环（Thermodynamiccycle)3.各类循环的分析（AnalysisoftheCycles）4)不可逆循环(Irreversiblecycle)原路径工质状态1工质状态2不可逆自发过程沿原路径可逆进行帮助+工质状态1非自发过程小结：自发过程不可逆正是自发过程不可逆的性质使自然界过程具有了方向性，非自发过程进行就需要一定的条件，条件消失时过程进行会终止而有一定的限度。返回31 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法１.克劳修斯说法(Clausiusstatement)早先热力学第二定律的提出正是由研究本章开头所提出的两个典型不可逆自发过程入手的。1850年德国物理学家鲁道夫•克劳修斯（RudolfClausius,1822-1888）提出下述定律：不可能不付代价地把热量从一个低温物体传给另一个高温物体。不可能使热量由低温物体传向高温物体而不引起其它的变化。“付代价”和“引起其它的变化”都是指的外界需要付出一定的代价和发生一定的变化，这正是热由高温传向低温自发过程的不可逆特征。热力学第二定律克劳修斯说法的实质是：热量由高温传向低返回温是不可逆的自发过程。32 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法2.开尔文-普朗克说法（Kelvin-Planckstatement）1851年开尔文(LordKelvin,1824-1907)和普朗克(M.Planck)各自独立提出了下述定律，称为热力学第二定律的开尔文-普朗克说法：不可能建造这样一个机器，这机器只是从单一热源吸热并全部转变为功，而不引起其它的变化。“引起其它的变化”还是指的外界需要付出一定的代价和发生一定的变化，这正是功变热自发过程的不可逆特征。热力学第二定律开尔文-普朗克说法的实质是：功变热是不可逆的自发过程。33 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法开尔文(LordKelvin,1824-1907)，英国物理学家、发明家。1845年毕业于剑桥大学。1846年受聘克劳修斯(R.J.E.Clausius，1822～1888)，为格拉斯哥大学自然哲学教授，任职达53年之久。德国物理学家。曾就学于柏林大学。曾先后任柏热力学主要奠基人之一，1848年创立了热力学温林炮兵工程学院、苏黎世工业大学、维尔茨堡大标；1851年提出热力学第二定律；1852年与焦耳合学、波恩大学物理学教授。他是气体动理论和热力学的主要奠基人之一，是历史上第一个精确表作发现了焦耳－汤姆孙效应。为纪念他在科学上的功绩，国际计量大会把热力学温标称为开尔文(开氏)示热力学定律的科学家。返回温标，热力学温度以开尔文为单位。34 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)在历史上，曾有人想制造一种不消耗任何能量而能不断作功的“第一类永动机”(perpetual-motionmachineofthefirstkind)在历史上，也还出现过违反热力学第二定律开尔文-浦朗克说法的永动机，这种永动机只从一个热源吸热并将热量全部变成功而不产生其它影响，显然它并不违反热力学第一定律，但却是一个热效率为100%的机器，违反了热力学第二定律的开尔文-普朗克说法。因而被称作“第二类永动机”。热力学第二定律的开尔文-普朗克说法还可以表述为：第二类永动机是不可能制造成功的。35 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)形形色色的永动机方案！达·芬奇的永动机法国亨内考的永动机浮力“永动机”磁力“永动机”36 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)达·芬奇这位天才科学家得出结论说：“追求什么永动机，简直是一件蠢事！”磁力、重力与弹力结合的“永动机”37 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)形形色色的永动机方案！美国人丹尼斯·李（DennisLee）的和其号称无需任何能源的发电机。38 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)形形色色的永动机方案！梁星人——外星人？39 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法3.第二类永动机(Perpetual-motionmachineofthesecondkind)“占地100亩，投资一亿元”的“3万千瓦宇宙引力能发电示返回范厂”海南星人永动机发电厂有限公司40 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法4.热力学第二定律的实质和热力学第二定律的N种说法热力学第二定律的实质是“自发过程不可逆”。现象4现5象象3现热力学第二定律的特点是通过描述现象发现本质。本质通过举例阐述本质。2现象象现6现象141 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法4.热力学第二定律的实质和热力学第二定律的N种说法学习热力学第二定律要注意的是：现象多→说法多。热力学第二定律的N种说法一杯热水热量：水→空气（自发过程）不可能不付代价地将散失到空气中的热量自发地聚集起来使水加热。运动的机械摩擦生热，功量→热量（自发过程）不可能不付代价地将散失到空气中的热量自发地聚集起来使机械重新运动。高压容器中的气体高压→低压（真空）（自发过程）不可能不付代价地让泄露到大气中的气体自发地重入容器，使容器恢复高压或产生真空。不同种类物质相互混合过程（自发过程）不可能不付代价地使混合物中的各个物质分开。物体的非弹性变形（自发过程）不可能不付代价地使非弹性变形能复原。卡诺定理，熵，孤立体系熵增原理……返回42 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明“自发过程不可逆”是热力学第二定律最根本的说法。既然从不同侧面描述的是同一事实，同一本质，那么各种描述必然是等效的，仅仅是描述角度不同而已。所谓说法等效指的是从一种说法能够导致另外一种说法。43 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明高温热源1）由开尔文-普朗克说法→克劳修斯说法应用数学逻辑上的反证法证明。Q假设克劳修斯说法不成立，即热可以QW由低温传向高温而不产生任何其它变化。R正向循环热机R，它从高温热源吸热QQ-W向外界作功W，并向低温热源放热QW则这台装置运行的总效果是：低温冷源热源:不变；热力系:不变；冷源:净失热QQWW()；功源:净得功W44 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明高温热源1）由开尔文-普朗克说法→克劳修斯说法即机器从单一热源（冷源）吸热，并将所Q吸热量全部转换为功而未产生任何其它变化，这显然违反了开尔文-普朗克说法。QRW结论：原设不成立，即克劳修斯说法成立。Q-W命题得证。低温冷源返回45 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明高温热源2）由克劳修斯说法→开尔文-普朗克说法仍用反证法证明。设开尔文-普朗克说法不成立。Q即可以从单一热源（冷源）吸热，并将所吸热量全部转换为功而不产生任何其它变化。H以此机为H，它从低温热源吸热QW并全部转化为W，再将W全部转化为Q，并向高温热源放热Q则这台装置运行的总效果是：热源:净得热Q；热力系:不变；低温冷源冷源:净失热Q；功源:不变46 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明高温热源2）由克劳修斯说法→开尔文-普朗克说法Q即将热量由低温传向高温而未产生任何其它变化，这显然违反了克劳修斯说法。H结论：原设不成立，即开尔文-普朗克W说法成立。命题得证。低温冷源47 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法5.热力学第二定律N种说法的等效性证明同理，可由热力学第二定律任意一种说法说法→另一种说法。违背一种说法必定违背其它说法。结论：热力学第二定律各种不同的说法都是等效的。“自发过程不可逆”是热力学第二定律最根本的说法。48 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-3热力学第二定律的各种说法讨论题：①既然能量是守恒的，为什么还会发生能源危机？②压缩过程是耗功过程，为什么现代发动机循环中都有压缩过程？只给工质加热力学定律录像热提高其能量为什么不行？③高温是发动机的主要技术瓶颈，能否用压缩空气来作为动力，不需燃烧放热，既降低了发动机难度，提高了发动机寿命，又保护了环境？返回49 50 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理卡诺定理实际上就是从热机循环热效率的角度描述的热力学第二定律。法国工程师卡诺在1824年发表的《论火的动力》一文中，他提出了著名的卡诺循环和卡诺定理，指出了影响热机循环热效率最本质的东西——温度差。时间上要早于热力学第二定律的克劳修斯说法和开尔文-普朗克说法。但遗憾的是，卡诺应用了错误的“热质说”理萨迪·卡诺（Sadi论对它进行证明。Carnot,1796-1832）卡诺定理历史上是热力学第二定律的出发点，但返回现在通常是以热力学第二定律推论的形式出现的。51 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环T1设想一个热机，它只有两个定温热源，温度分别为T和T。Q1C12W0C工质在循环中只与这两个热源接触，即进行C一个可逆的等温吸热AB和可逆的等温放热Q2C过程CD。连接这两个定温过程的就只能是绝热过程，再T2加上可逆的假设，就是可逆绝热即定熵过程。由两个定温过程和两个定熵过程组成的可逆循环卡诺热机简图称为卡诺循环。按照卡诺循环工作的热机称为卡诺热机。返回52 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环pTAQ1CTAT1B1Bs1ss1s22DT2DCCT2Q2Cvs卡诺循环p-v图卡诺循环T-s图返回卡诺循环是所有循环中最简单的循环。53 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环AB的吸热量为TQ1CQT(SS)AT1Bc11BACD的放热量为s1s2QTSSTSS()()2c2CD2BA卡诺循环的循环功为DCT2Q2CWQQ(TT)(SS)c0c12c12BAs卡诺循环的热效率（特称为卡诺效率）为卡诺循环T-s图QT(SS)Tc22BA2返回111tcQT(SS)Tc11BA154 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环从上面的推导中，可以得到如下结论：1.卡诺效率只与热源温度T和冷源的温度T有关，且T越高、121T越低，热效率就越高。因此提高高温热源温度、降低低温冷2源温度是提高卡诺效率的关键；2.由于T=∞和T=0都是不可能的，因此必有η＜1。即卡诺循12tc环的热效率不可能达到100%；3.若只有单一热源，即T=T，则η=0。说明具有单一热源的12tc第二类永动机是不可能制造成功的。上述结论与热力学第二定律是完全一致的。55 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理对逆向卡诺循环，机器称为卡诺制冷机或卡诺热泵。其向高温热源的放热量、从低TQ1C温热源的吸热量以及循环功仍TA1B如前所示，只是方向相反。若为卡诺制冷机，制冷系数为s1s2QQc2c2ccWc0Qc1Qc2DCT2Q2CT12sT1T2T1逆向卡诺循环T-s图1T返回256 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理对逆向卡诺循环，机器称为卡诺制冷机或卡诺热泵。其向高温热源的放热量、从低TQ1C温热源的吸热量以及循环功仍TA1B如前所示，只是方向相反。若为卡诺热泵，则由定义得其供暖因数为时，s1s2QQ1c1cwcWQQDC0c1c2cT2Q2CT11sTT121T2逆向卡诺循环T-s图TT1T返回22结论：↑εcc↑,εwc↑,特别当1εcc、εwc→∞,TT5711 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理则对制冷机，TTAB10TTT12ccT0T2热泵DCT0对热泵，TT20制冷机T1EFwcTTT210s制冷循环与热泵循环T-s图返回58 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环高温热源二、卡诺定理在两个给定的热源间工作的任何热机的热效Q1Q1率不可能大于在相同热源间工作的可逆机的WWHR热效率。用数学表达式可表达为HR≤QtHtR2HQ2R证明：采用热力学第二定律证明。仍采用反证法，即假设ηtH＞ηtR，最后推出与热力学第低温冷源二定律相矛盾的结论。如图所示，假设η＞η，则必有W＞WtHtRHR卡诺定理的证明W，QQ1，Q2C＜Q2，则QQT1c11结论：在相同的温度极限范围内多热源循环热效率一定小于返回卡诺循环热效率。67 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环二、卡诺定理T三、实际循环分析——多热源循环TB1四、卡诺效率对热机的指导意义C1.使热机经历循环尽可能接近卡诺循环。A如图，多热源循环对其外切的卡诺循T2D环充满度越大，就越接近卡诺循环，热效率就越高；s2.尽量减少循环的不可逆性，包括内不可逆性和外不可逆性。不可逆性越小，热效率越高。实际上前述使循环尽可能接近卡诺循环也可以理解为尽量减少外不可逆性，此外还应尽量减少过程的内不可逆性，如减少返回摩擦、泄露、掺混等。68 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环二、卡诺定理T三、实际循环分析——多热源循环TB1T四、卡诺效率对热机的指导意义m1C3.尽量扩大循环的极限温度范围，即提AT高最高温度T，降低最低温度Tm2。maxminT2D一般来说，T受材料高温性能的限max制，而T受环境如大气及江河湖海mins温度的限制。因此，提高热机热效率应该从改善材料的性能和改进对自然界环境的放热过程两方面着手；4.卡诺循环热效率使我们看到了影响热效率的本质因素是温差，而不是吸热量和放热量。QT返回112m2tQT691m1 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理一、卡诺循环二、卡诺定理T三、实际循环分析——多热源循环TB1T四、卡诺效率对热机的指导意义m1CT、T分别为平均吸热温度和平均Am1m2T放热温度。其具体定义为m2T2DTdSTdSQQT1ABCT1ADCm1m2ssSSSSSSSSCDCDCDCDACs实际上就是把实际的多热源循环等效为一个以平均吸热温度和平均放热温度进行定温吸热过程和定温放热过程的卡诺循环。由于T＜T，T>T，，实际多热源循环的热效率小于其相同温度m11m22极限范围的外切卡诺循环的热效率，但等于其等效卡诺循环返回的热效率。70 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-4热力学第二定律推论之一——卡诺定理四、卡诺效率对热机的指导意义Q2t1热量法基于热力学第一定律形式Q1T基于卡诺定理1m2本质t温度法或热力学第二定律Tm15.对逆向卡诺循环的分析将得出与卡诺循环类似的结论，即制冷机（或热泵）的制冷系数（或供暖系数）也仅取决于循环的温度，影响制冷系数（或供暖系数）的本质因素是温差而不是吸热量和放热量。前述的温度法和热量法也同样适用于实际逆向循环的分析。只是温差越小，制冷系数（或供暖系数）越大。因此，卡诺制冷系数（或供暖系数）是在给定的温度极限范围内的最大制冷系数（或供暖系数），是所有实际制冷机（或热泵）努力的返回方向。71 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式p任意的多热源循环（可逆或不可逆），如图所示。现用一组相互接近的可逆绝热线HFAB、CD……将循环分割成无穷D多个微元循环，如ABDCA、BCDFEC……，等等。每一个微元循环都可以近似看作G是具有两个定温热源的循环。但ACE并不一定是卡诺循环，因为BD、CA、DF等定温吸热过程不一定v可逆。对任意一个微元循环如ABDCA有返回Q2T12t≤1tcQT7211 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式p由于δQ是放热，应为负值，如2果把负号包含在δQ之内，即2QTH21≤12FtQ1TD1整理可得QQ12B≤0TT12其他微元循环也有类似的关系EGAC式，把这些不等式全部相加，有QQ12≤0vTT12当所划分的微元循环数目趋向于无穷大时，实际上就是返回Q≤0克劳修斯积分不等式73T Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式Q0T克劳修斯积分不等式表明：任意工质在可逆循环中的微元换热量与换热时的温度之比的循环积分等于零；任意工质在不可逆循环中的微元换热量与换热时的温度之比的循环积分小于零。可以利用克劳修斯不等式来判断循环是否为可逆循环,比前面的方法更科学，更精确，因为它是一个数学表达式，比任何文字的表达更简便、更明确和更通用。但克劳修斯不等式的意义并不在于此，而在于熵的导出。返回74 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式二、熵的导出由克劳修斯积分不等式可知，对可逆循环有Qre0T满足状态参数的特征，即对于任意可逆循环δQ/T一个状态参re数，克劳修斯把这个参数称为熵(Entropy)，即QmqreredSTT熵也是一个广延参数，具有可加性。比熵或质量熵的定义式为2dSQreqreqre返回dss12s2s1TmTmT175 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式T二、熵的导出A´2三、不可逆过程中熵的变化需要注意的是：只有在可逆过程中δQre/T才是熵，而对不可逆过Q程，＜0，不是状态参数，也BT就不能定义为熵。21QSSSir1221T1-As由于熵是状态参数，与经历的过程（如是否可逆）无关。对不可逆过程的熵的变化，可以设想一条可逆的路径来计算。2QSSSre返回1221T1-B76 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式T二、熵的导出A´2三、不可逆过程中熵的变化由于图中不可逆循环循环1A´2B1求克劳修斯积分21BQQQ()()irre＜0TTT11A2B1-1A2B21QQ()ir＜()re=(S1S2)s-1ATT2B2QSS＞()ir21T-1A可见，两状态间不可逆过程中的积分并不等于两状态间熵的变化，返回而是小于它。77 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式二、熵的导出三、不可逆过程中熵的变化=可逆2Q>不可逆如果考虑可逆循环的情况，则S2S1≥()T1<不可能对于循环=0克劳修斯不等式也是热力学第二定律表达式之一。其实质就是一个不等式。2这个不等式能不能变成等式呢？QS2S1≥=()+正值T12QS=()SgSg≥0不可逆因素总会引起熵增!T1返回ΔS─不可逆因素造成的熵增，称为熵产（EntropyGeneration)。g78 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-6热力学第二定律推论之三——熵一、克劳修斯不等式二、熵的导出三、不可逆过程中熵的变化=0绝热22熵流QQS()S=()SfSgf（EntropyFlow)>0吸热TT11<0放热由于热量流进、流出热力系造成的熵增称为熵流。dddSSS微分形式的熵方程fg比参数形式的熵方程dddsssfg熵方程使热力学第二定律变成了等式形式，使用方便。熵方程使熵产成为过程不可逆性大小的度量。返回79 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述由熵的广延参数性质，可知孤立体系的熵增为Smsisoiso求微分得dSmdssdmmd(sds)mds≥０isoisoiso,fiso,giso,giso=：可逆过程dS≥０iso>：不可逆过程上式即为孤立体系熵增原理，用文字表述为：在孤立体系中，熵的值只能增加，极限情况下（可逆过程）保持不变，但不可能减少。换句话说，任何使孤立体系熵减少的过程是不可能发生的。孤立系在哪里找呢?返回80 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics为什么用孤立系统？孤立系统=非孤立系统+相关外界与外界无相互作用，无热无功，因而表达最简单。dSdSdS≥0iso0热力系熵增外界环境熵增dSdSdSdSdSdSdSisoff0gg0gg0=0：内部可逆=0：外部可逆热力系熵产>：内部不可逆外界环境熵产>0：外部不可逆孤立体系熵增原理是热力学第二定律的数学表达式。结论：热力学第二定律最常用的表达式。81 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式1.温差传热两物体温差传热，热量从高温物体1传向低温物体2QQ11dSdSdSQ()iso12≥０TTTT1221满足孤立体系熵增原理，说明热量可以由高温物体1传向低温物体2。同时由于孤立体系的熵增不等于零，说明该过程是一个不可逆过程，且传热量越大，温差越大，孤立体系的熵增就越大，说明不可逆性越大。其逆过程即热量由低温物体2传向高温物体1是不可能自发进行的，它将导致dS＜0。isodS=0时熵达到极大值，传热过程将终止，此时有T=T。iso12返回可见，用孤立体系熵增原理的分析与克劳修斯说法完全一致。82 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式W1.温差传热2.摩擦生热过程Q取整个装置（搅拌器、液体、搅拌轮、重物）及温度为T0的外界环境为孤立体系QWSiso≥０TT00满足孤立体系熵增原理，说明功可以通过摩擦直接变成热，这是一个不可逆的自发过程，造成不可逆熵增。而且功变热越多，熵增越大，不可逆性越大。而其逆过程即外界环境给装置加热Q并将其全部转化为功是不可能自发进行的，它将导致∆S＜0。iso返回可见，用孤立体系熵增原理的分析与开尔文说法是完全一致的。83 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式1.温差传热高温热源2.摩擦生热过程3.热机最大热效率Q1取热机、热源、冷源和功源为孤立体系W0QQSSSSS1200≥０iso12HWT1T2Q2Q2T2Q2T21≤1由上式得Q≥TQT1111低温冷源T2即任意热机的热效率t≤1T1返回这是与卡诺定理完全一致的。84 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式1.温差传热高温热源2.摩擦生热过程3.热机最大热效率Q1QQ又∵S12isoW0TT12QTTS221iso∴1()QTQ111Q2QTTSTS12122iso)2iso)则ttcQTQQ1111低温冷源由于不可逆性导致的功的损失返回WWWQQTSl0c01tc1t2iso85 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式1.温差传热2.摩擦生热过程3.热机最大热效率低温热源一般就是环境TT20则WTSl0iso孤立体系的熵增就是总熵产，代表了过程中不可逆性的大小。SWt则热机的不可逆性越大，isol随热机不可逆性的增大或熵产的增加将导致热机做功能力的下降。虽然能量在总量上并没有损失，但做功能力下降了，或者说热变返回功的能力下降了，这种现象称为能量贬值或功的耗散。86 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics能量贬值原理温差传热能量守恒能量的量守恒摩擦生热能量贬值能量的质贬值则非弹性变形混合过程其他耗散过程能量贬值原理：一切实际过程，总是朝着使总的能质下降的方向进行；只有在完全可逆的理想条件下总的能质保持不变；使孤立系统总的能质提高的过程是不可能发生的。量的描述热力学第一定律能量描述高温热>低温热质的描述热力学第二定律功>热返回热力学第二定律就是一个描写能量品质的定律。87 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式1.温差传热非自发过程2.摩擦生热过程体系IΔS＜03.热机最大热效率I孤立系ΔS＞04.自发过程和非自发过程iso从“熵”的角度来理解，自发过程就是一个使熵增大的过程，这样就能满足过程进行自发过程的“方向性”条件，从而“自动地、无条件地体系ⅡΔSⅡ＞0进行”。非自发过程使熵减少，从而不能满足孤立体系熵增原理自动地进行。要使体系I中的非自发过程进行，就必须让它与体系II连接起来，使返回体系I和体系II共同组成的孤立体系的总熵增大于零。88 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-7热力学第二定律推论之四——孤立体系熵增原理一、孤立体系熵增原理的表述二、孤立体系熵增原理概括热力学第二定律，是热力学第二定律的数学表达式1.温差传热非自发过程2.摩擦生热过程体系IΔS＜03.热机最大热效率I孤立系ΔS＞04.自发过程和非自发过程iso自发过程在这里起了一个“补偿”的作用，“补偿”非自发过程造成的熵减，使得总熵增自发过程大于零，因此自发过程就叫非自发过程的体系ⅡΔSⅡ＞0“补偿条件”。非自发过程必然伴随着自发过程。结论：孤立体系熵增原理可以完全概括热力学第二定律的各种说法。返回89 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程dS一、闭口系的熵方程f对于在闭口系内进行的微元过程有QdddSSSfgddSSgdSgTq比熵的形式dddsssfgdsgT闭口系的熵增等于闭口系与外界进行热交换引起dS的熵流和闭口系内不可逆因素造成的熵产之和。f二、开口系的熵方程δminsindddSSSmsmsCVfgininoutoutdSg对时间求导，可写作流量的形式dSQdSCVgqsqsmm,inin,outout返回ddTδmoutsout90 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程若开口系有多个热源、多个进出口则dSQdSCVgqsmm,ininqs,outoutddTinout对于单热源、单股流体的稳定流动，有dSCVqqq0mmm,in,outdQdSg整理得qm(soutsin)Td｝与闭口系熵方程式q形式完全一样dddsssds比熵的形式fggT但内容与闭口系熵方程式形式不一样。其物理意义是：稳定流动开口系的熵增（熵流与熵产）等于进出口工质所带熵之差。或者说，稳定流动开口系的熵增（熵流与熵产）全部被进出口工质带走。91 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程三、关于熵的小结1.熵是一种具有广延性质的状态参数。qdddsssds2.熵是由熵流和熵产组成的，即fggT3.除了熵流和熵产外，开口系统的熵还取决于进出开口系的工质所带进带出的熵。92 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程三、关于熵的小结四、熵的物理意义AB1.熵是系统热力学概率的度量。对应于某一宏观状态的微观状态的总数就是该宏观状态的热力学概率，用Ω表示。根据排列组合原理，4个分子在容器内空间分布的微观状态共有24=16种。04分子全部集中于A或B的微观状态共有CC112种，各呈44现出一种宏观状态，每种宏观状态发生的概率为1/16。13容器两边按3—1或1—3分布的微观状态共有CC44448种，各呈现出一种宏观状态，每种宏观状态发生的概率为4/1693。 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程三、关于熵的小结四、熵的物理意义AB1.熵是系统热力学概率的度量。2而2—2分布的微观状态共有C466种，只呈现一种宏观状态，该宏观状态发生的概率为6/16。可见，均匀分布的概率最大，分布越不均匀，其概率越小，最不均匀分布的概率最小。分子数目越大，均匀分布与不均匀分布概率相差更大，以至于不均匀分布的小概率事件几乎是不可能发生的。熵增大的过程与热力学概率增大的过程是一致的。这样，就把熵与热力学概率联系了起来。S=f(Ω)94 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程一、闭口系的熵方程二、开口系的熵方程三、关于熵的小结四、熵的物理意义AB1.熵是系统热力学概率的度量。孤立体系熵增原理或者说是热力学第二定律的统计意义：一个孤立系统内部发生的过程总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态的方向进行。任何使热力学概率减小的过程是不可能发生的。热力学概率小的有规则运动的能量可以自发地转化为热力学概率大的无规则运动的能量，而由热力学概率大的无规则运动自发地全部变为有规则的定向运动，而让大量分子的微观无序运动推动转轮做功，其概率小到实际上是不可能发生的。95 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics玻耳兹曼的推导｛对两个子系统1、2分别有S=f(Ω),S=f(Ω)1122SΩ对两个子系统1、2组成的大系统S=f(Ω)根据熵的可加性，有S=S+S12根据概率的性质，有Ω=Ω·Ω12要同时满足4式，即要有如下关系S1ΩS2Ω12f(Ω·Ω)=f(Ω)+f(Ω)121212满足上述熵与热力学概率之间的函数只能是对数关系，即S=klnΩ玻耳兹曼关系式—1877年玻耳兹曼的观点具有方法论的意义。著名科学家劳厄说过：“熵和概率之间的联系是物理学最深刻的思想之一”。这个正确的观点，有力地推动了热理论的发展。96 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics玻耳兹曼（L.E.Boltzmann1844—1906）和他的墓碑97 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程四、熵的物理意义1.熵是系统热力学概率的度量。2.熵是系统无序程度的度量。热和功都是热力系与外界的能量交换方式，但热交换会引起熵增，而功交换却不会引起熵增，说明这两种交换方式的本质是不同的。功是一个“有序运动”，热是“无序运动”。“有序运动”所具有的能量如机械能、电能、风能可以百分之百地任意转化为其他形式的能量，根本就不受热力学第二定律的限制。而“无序运动”的能量如分子热运动的能量并不能直接用来做功，须通过某种方式如“膨胀”来把“无序运动”转化为“有序运动”。但不能百分之百地转化，要受热力学第二定律的限制，必须有部分损失。表明无序运动的能量是一种较低级的能量。无序运动使熵增加，而有序运动却不能使熵变化，这说明：熵是系统内部无序程度的度量。98 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-8熵方程四、熵的物理意义1.熵是系统热力学概率的度量。2.熵是系统无序程度的度量。dQ↑分子热运动的无序程度越大｝dS=dQ/T↑T↓分子热运动平均动能低，参与运动的分子数目大，无序度增加热力学第二定律可以表述为：在孤立体系内发生的过程总是从有序向无序的方向进行。或者说，任何使孤立体系从无序走向有序的过程是不可能发生的。99 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics熵与信息什么是“信息”？商品信息信息经济科技信息信息服务信息技术信息产业有用的消息就是信息信息是控制的指令情报就是信息信息是收信者事先所不信息是一种关系知道的报道信息是人与外界交换内容的名称申农（C.E.Shannon，1916-2001）：信息是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。信息熵：从N种可能中作出完全的SKNln判断所缺损的信息量，单位:比特（bit）。100 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics熵与信息信息就是系统有序程度的度量。或者说熵就是负信息。IS1871年由苏格兰物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831-1879）在他的《热的理论》一书的最后一章《热力学第二定律的限制》中提出的一个“麦克斯韦妖”问题。法国物理学家布里渊（M.L.Maxwell‘sDemon能颠Brillouin，1889-1969）在1956年发表覆热力学第二定律吗？了《科学与信息论》专著给出的解释：麦克斯韦妖有获得和储存分子运动信息的能力，知道哪些是快分子，哪些是慢分子，并据此来控制闸门。整个系统内有序度增加，熵减少完全是因为将信息或者负熵输入了系统。101 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics熵与信息在有信息输入的系统中，孤立体系熵增原理应表示为d(SdI)≥0iso开尔文和克劳修斯在热力学第二定律的建立中作出了重大的贡献，但他们却把热力学第二定律做了不适当的推广，先后在1862年和1867年提出了错误的“热寂说”(HeatDeath)。美国著名学者丁•里符金（Rifkin）“社会热寂说”信息流已经成为抵消熵流的重要力量。物质流能量流信息流（熵流）社会发展的进程维纳名言：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。”熵就是熵，不是物质，也不是能量。爱因斯坦：“熵理论，对于整个科学来说是第一法则”里符金：熵理论将成为21世纪文明观的基础。102 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-9热力学第二定律的意义1.热力过程要沿着使孤立体系熵增大的方向进行；当熵达到最大值时过程将终止，而不会无限度地进行下去，dS=0表明了iso过程进行的深度；非自发过程进行的条件是伴随一个自发过程，用自发过程的熵增补偿非自发过程的熵减。2.η＜1，以可逆机热效率为最大；在两极限温度、范围内工作的t所有热效率ηt≤1-Tmin/Tmax。提高热效率三个途径：一是尽量减少不可逆因素，使循环接近可逆循环；二是使热机经历的循环尽可能接近卡诺循环；三是尽量提高循环的极限温度范围，即提高Tmax，降低T。min3.不可逆因素产生的功损W=TΔS，孤立体系熵增ΔS是系统不l0isoiso可逆性的度量，ΔSiso越大，不可逆性越大，功损就越大。4.热变功的关键是温差，只要有温差就有做功能力；若无温差，温度再高也不可能做功。从这个意义上理解，温度高于大气环境的“热”是一种“能”，温度低于大气环境的“冷”也是一种“能”。103 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-9热力学第二定律的意义5.由热力学第二定律可以看出，能量不仅有量的区别，还有质的差异，是有等级的。功的品质高于热的品质，高温热能的品质高于低温热能的品质。在不可逆因素的作用下，能量的量虽然没有改变，但能量的质却下降了，功耗散为热，高温热转化为低温热。热力学第一定律描述的是能量的量，热力学第二定律描述的是能量的质。高能高用，低能低用能量利用的基本原则104 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量1．可无限转换的能量。如机械能、电能、水能、风能等，它们都是“有序运动”所具有的能量，故其转换不受热力学第二定律的限制，称为“高级能量”。理论上它们可以百分之百地转换为任何其他形式的能量。它们的“量”与“质”是完全一致的。2．可有限转换的能量。如焓、热力学能、化学能等，它们都是“无序运动”所具有的能量，故其转换要受到热力学第二定律的限制，称为“低级能量”。理论上它们只有有限部分可以转换为任何其他形式的能量。它们的“量”与“质”是不一致的。3．不可转换的能量。如周围环境的焓、热力学能，因为任何热机都是以环境为低温热源工作的，环境具有的热能是最低品质的能量，理论上它们不能转换为任何其他形式的能量，是失去了转化能力的能量。它们的“量”与“质”是完全不一致的。105 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量综上所述，只从“量”的角度来描述能量是不够的，应该考虑能量的转化能力即“质”。只有在相同“质”的条件下才能比较能量的价值，不同“质”的能量间是无法进行比较的，综合考虑能量的“量”与“质”的指标，这就是火用。二、能量质与量的统一——火用把热力系由任意状态下可逆变化到与给定的环境（通常就是大气环境）相平衡的状态（又称死态Deadstate）时所能做的功叫最大可用功或火用（Exergy)。用E表示。x能量中不能转换为机械能的部分称为火无(Anergy)，A表示。n火用和火无一起组成总能量，即E=Ex+An106 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量二、能量质与量的统一——火用火用是热力学第一和第二定律结合的产物，因此用火用既能描述热力学第一定律，也能描述热力学第二定律。如1.在一切过程中，火用和火无总量守恒；2.火无是不可能转换为火用的；3.在可逆过程中，火用是守恒的；4.在实际过程中，总有一部分火用退化为火无；由于这种退化无法补偿或还原，这才是能量转化中真正损失的部分，叫火用损失。实际上它就是不可逆因素造成的功损Wl=T0ΔSiso。5.在孤立体系中，火用的值只能减少，极限（可逆）情况下保持不变，但不可能增加。称为孤立体系火用减原理。即任何使孤立体系火用增加的过程是不可能发生的。107 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量T二、能量质与量的统一——火用三、不同形式火用的计算δQ1.热量火用T0R根据卡诺定理有WQmax(1)TδWmax这个最大可用功也就叫做热量火用，用Ex,Q表示。δQ0T到T的热量火用可积分得12TT2T2T2T2T20T0QE,xQE,xQWmax1()QQT0Q12T0(S2S1)TTT1T1T1T1T1则热量火无为A,nQQ12E,xQT0(S2S1)108 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量T2二、能量质与量的统一——火用三、不同形式火用的计算1.热量火用如图所示可以明显看出，热量E火用和热量火无与热量一x,Q1样，都是过程量。T0A热量火用也可以写作比火用n,Q的形式，即sT2E,xQT0e1()qqT(ss),xQ12021mTT1109 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量T0二、能量质与量的统一——火用三、不同形式火用的计算δQ1.热量火用2.冷量火用RδWmax根据卡诺定理有TTδQ0EW1()Q1()(QW),xQ0max0maxTT00TT从中解得得0EW()1Q,xQ0max0T当冷源由原来状态变化到死态，即温度由变到时，积分得冷量火用T00TT0T00QTT00TQT(SS)QEEW()1Q,xQ0,xQ0maxT000000TTTTTT则冷量火无为A,nQ0QWmaxT0(S0S)[T0(S0S)Q0]Q0110 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量T2二、能量质与量的统一——火用T0三、不同形式火用的计算Ex,Q01.热量火用2.冷量火用An,Q0如图所示可以明显看出，冷量T1火用和冷量火无也是过程量。冷量火用完全是由于与环境间的温差产生的，温差越大s冷量火用就越大。111 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量二、能量质与量的统一——火用三、不同形式火用的计算可逆过程UT1.热量火用UT002.冷量火用VSVS003.闭口系的热力学能火用对该闭口系用热力学第一定律，有QWemaxQUpVWdd0emax取闭口系和环境组成孤立体系，对此孤立体系应用热力学第二定律表达式，有QQTTQTdSTdSdSisodSdS0000TT0整理得WUemaxdddp0VT0S112 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量二、能量质与量的统一——火用三、不同形式火用的计算可逆过程UT1.热量火用UT002.冷量火用VSVS003.闭口系的热力学能火用将上式从初态到死态积分得QWU0V0S0emaxWdUpdVTdSUUp(VV)T(SS)emax0000000UVS(UpVTS)(UpVTS)0000000即热力学能火用为EU()pVTSUp()VTSx,u0000000比热力学能火用为e,xu(up0vT0s)(u0p0v0T0s0)113 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量二、能量质与量的统一——火用三、不同形式火用的计算可逆过程UT1.热量火用UT002.冷量火用VSVS003.闭口系的热力学能火用QWemax当环境一定时，热力学能火用只取决于闭口系的状态，显然是一个状态参数，这与热量火用和冷量火用是不同的。闭口系从一个状态到另一个状态所能完成的最大可用功即为两状态下热力学能火用之差，而与路径无关，即WEEemax,12,xu1,xu2114 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量二、能量质与量的统一——火用Q三、不同形式火用的计算1.热量火用HTHT002.冷量火用可逆过程SS03.闭口系的热力学能火用4.开口系的焓火用Wemax对该开口系用热力学第二定律，有QdHWdHWtemax对开口系和环境组成的孤立体系应用热力学第二定律，有QQTTQTdSTdSdSisodSdS0000TT0整理得WemaxdHT0dS115 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量二、能量质与量的统一——火用Q三、不同形式火用的计算1.热量火用HTHT002.冷量火用可逆过程SS03.闭口系的热力学能火用4.开口系的焓火用Wemax将上式从初态到死态积分得H0T0WdHTdSHHT(SS)(HTS)(HTS)emax00000000HT即焓火用为E(HTS)(HTS),xh0000e(hTs)(hTs)比焓火用的形式为,xh0000焓火用也是状态参数。开口系从一个状态到另一个状态所能完成的最大可用功与路径无关，即Wemax,12E,xh1E,xh2116 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量En,out1E二、能量质与量的统一——火用n,in三、不同形式火用的计算Ws1.热量火用EQn,out22.冷量火用3.闭口系的热力学能火用4.开口系的焓火用热力系能流的分布5.火用平衡和火用效率能量平衡分析：通过对系统进行能量平衡分析，可以搞清楚各个能流的来龙去脉，简称能平衡。稳定流动下，能量方程为E,ninQE,nout1E,nout2WsWEEs,nout1,nout2系统的热效率为t1EQEQ,nin,nin117 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics能平衡方法的缺陷E一般来说，ηt高说明系统的经济性好，n,out1E反之则经济性差。但用这种评价指标n,in来评价系统的性能是有缺陷的。WsEQn,out21）没有考虑输入能量的品质对效率的影响。如果输入的能量品质高，系统的热效率自然高。系统的性能会随着输热力系能流的分布入能量的品质变化很大，难以准确评价，很难为系统改进提供正确的依据。2）没有考虑输出能量的品质对效率的影响。如果输出的能量品质高，系统的热效率就会低，显然，只有结合热力学第一和第二定律——采用“火用”的概念才能反映系统的真实性能，就是要建立火用平衡和火用效率的概念。118 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics火用平衡分析法Ex,out1如果考虑火用流平衡，在稳定流动下，Ex,in可建立火用平衡方程如下WE+E=E+W+E∑πsx,inx,Q？x,out1sx,out2i×EEx,out2x,Q对于实际过程，系统内由于不可逆，火用并不守恒，而是会减少，因此,火用流的分布+E=E+W+E+∑πEx,inx,Qx,out1sx,out2i√系统内部不可逆性造成的功损或火用损，是火用转化为火无的部分。外部损失内部损失火用效率定义为收益火用WsE,xout1E,xout2i1ex支付火用EEEEEE,xinQ,x,xinQ,x,xinQ,x119 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4-10热力学第一和第二定律的统一——火用一、三类不同质的能量Ex,out1E二、能量质与量的统一——火用x,in三、不同形式火用的计算W∑πsi1.热量火用EEx,out2x,Q2.冷量火用3.闭口系的热力学能火用4.开口系的焓火用火用流的分布5.火用平衡和火用效率火用效率不仅由于考虑了能量的品质而克服了热效率的缺陷，而且多了一项内部损失，∑πi是由于设备内部不可逆性造成的损失，这个损失才是热力学意义上的真正的损失。更深刻地反映了问题的实质，更准确、细致地反映了损失的大小和分布，反映了系统的热力学完善度，因而对能量的合理利用和节约能源具有重大意义。120 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—11绝热过程内部不可逆性的度量——定熵效率hp2可逆+绝热定熵h2´2´2h2不可逆+绝热熵增功损定熵效率就是反映绝热过程内部不可逆性的指标。hh21绝热压缩过程Sphh121h1´绝热膨胀过程h2h1h1´S11hh21s反映了实际绝热过程偏离理想的定熵过程的程度，也称作绝热效率，其值越接近于1表明过程越接近理想的定熵过程。反映了过程的内部损失。它的作用有些类似于火用效率，但火用效率既反映内部损失，也反映外部损失，而定熵效率只反映内部损失，故又称作相对内效率121。 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics§4—11绝热过程内部不可逆性的度量——定熵效率对压气机，η又称为压气机绝热效率或压气机效率，记为η。SC对涡轮，η又称为涡轮绝热效率或涡轮效率，记为η。ST热效率火用效率定熵效率hh21WEWESs,nout1s,xout1h2h1表达式texhhE,ninQE,xinEQ,x21Shh21分析依据热力学第一定律热力学第一和第二定律热力学第二定律既分析外部损失，也分析作用只能分析外部损失只能分析内部损失内部损失适用范围热力循环热力循环和热力过程绝热过程性质可逆或不可逆可逆或不可逆不可逆122 Chapter4Thesecondlawofthermodynamics谢谢谢！谢！返回123