第五章 热力学第二定律

q0
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
但违反了热 力学第二定律
第二类永动机是不可能制造成功的 环境是个大热源
热一律与第一类永动机 第一类永动机：不消耗任何能量而能不断做功的机器 。
这类永动机
违反热力 学第一定律
第一类永动机是不可能制造成功的
5.4 孤立系统熵增原理与作功能力损失
1、孤立系统熵增原理
熵变计算式与克劳修斯不等式： 当闭口系统进行绝热过程时，有 对孤立系统：
s (
1 2
q
T
)
（5-16）
sad 0
dsiso 0
（5-17a） siso 0
（5-17b）
可逆：s g 0 不可逆：s g 0 熵增原理：绝热闭口系统或孤立系统的熵只能增加 （不可逆过程）或保持不变（可逆过程），而绝不能 减少。任何实际过程都是不可逆过程，只能沿着使孤 立系统熵增加的方向进行。

1200 kJ Siso S H S L S E 2 2.67 0 0.67kJ/K 0 1500 kJ 800 kJ 能实现 500 kJ Q 500
（2）
S L
2
800 2.67kJ/ K 300
T2

300
1.67kJ/ K
不能实现 注意：而熵增原理表达式适用于孤立系统，热量的方向以构成孤立系统
5.5 火用与火无
热力学第一定律揭示了能量在转换与传递过程中 数量守恒的客观规律。 但是否任何不违反热力学第一定律的过程是否都可以 实现呢？事实并非如此。 举例：一块烧红的铁板
周围空气获得的热量=铁板放出的热量，但设想这个已经冷却了的 铁板从周围空气中收回那部分散失的热量，这并不违反热力学第一 定律，但显然这样的过程是不能实现的。
8、卡诺定理举例 A 热机是否能实现
T2 300 tC 1 1 70% T1 1000
1000 K 2000 kJ
A 1200 kJ 1500 kJ 800 kJ 500 kJ 300 K
w 1200 t 60% q1 2000
如果：W=1500 kJ
可能
1500 t 75% 不可能 2000
若环境参与了与系统的换热，环境可看作温度始终不变的热源，则 i
(2)
s2 s1 s f s g
即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。 比较闭口系统熵方程： 对有限过程： ssys
s f sg
(3)
5.4 孤立系统熵增原理与作功能力损失
1、孤立系统熵增原理
2、孤立系统熵增原理的意义： 3、孤立系统熵增原理举例 4、 做功能力损失
对有限过程： ssys s f s g
w w w'
——由于过程不可逆带来的作功能力的损失。
对有限过程： ssys s f s g
例：
具体有不同的组合形式
（p,T1）→（ p,T2 ）
另一种方法：
按过程1-a-2来计算：
还可按1-c-2和1-b-2等途径计算
(2)
热力学第一定律有两方面的问题没有涉及到：
并不合理。
自发过程的方向性 自发过程：不需要任何附加条件而自动进 行的过程。
热量由高温物体传向低温物体 机械运动摩擦生热，即由机械能转换为热能 两种不同种类或不同状态的气体放在一起相互扩
散混合
水自动地由高处向低处流动 电流通过导线时发热 电流自动地由高电势流向低电势
上次课主要内容：
1、热力学第二定律的表述与实质： 开说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全转变为机
械能而不引起其它变化的循环发动机。
实质：论述热力过程进行的方向性及能质退化与贬值客观 规律。
克说法：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化
2、卡诺循环与卡诺定理
热机：
T2 t,C 1 T1 T1 2 ,C T1 T2
5.3 状态参数熵及熵方程
Entropy and Entropy Equation
5.4 孤立系统熵增原理与作功能力损失
The increase principle of Entropy of isolated system the amount of loss in energy which can be converted to work
热量传递的角度
1、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转 变为机械能而不引起其它变化的循环发动机。
是指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。 实际上是对热效率为100%的机器的否定，说明热机的热效率只能小于 100% 。 w (t )
自然界自发过程都具有特定的方向，而不是双向.
自发过程的方向性
摩擦生热
功量
100% 发电厂 功量 40%
热量
热量
放热
5.1 热二律的表述与实质
1、开尔文－普朗克表述 2、克劳修斯表述
3、两种表述的关系
4、热力学第二定律的实质
5.1 热二律的表述与实质
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
2、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。
是指外界要发生一定的变化。这正是热 由高温传向低温自发过程的不可逆性。
空调,制冷
代价：耗功
热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。
3、两种表述的关系
开尔文－普朗克 表述
克劳修斯表述：
完全等效!!!
违反一种表述,必违反另一种表述!!!
3、孤立系统熵增原理举例
A 热机是否能实现？ 解： （1）孤立系由热源、冷源及热机组成。
Siso S H S L S E
S E 0
而热源放热： 而冷源吸热：
S H
1000 K
2000 kJ A
Q1 T

2000 2kJ / K 1000
S L
Q2 T2
4、热力学第二定律的实质
论述热力过程进行的方向性及能质退化与贬值的客观规律。
热二律否定第二类永动机
t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
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
热二律奠基人
效率最高
5.2 卡诺循环与卡诺定理
的有关物体为对象，它们吸热为正，放热为负。
Siso S H S L S E 2 1.67 0 0.33kJ/K 0
300 K
注意：克劳修斯积分不等式适用于循环，即针对工质，所以热量
、功的正和负都以工质作为对象考虑。
注意：而熵增原理表达式适用于孤立系统，热量的方向以构成孤
第五章 热力学第二定律
(The Second Law of Thermodynamics)
5.1 热力学第二定律的实质与表述
Statement and Essence of the Second Law of
Thermodynamics
5.2 卡诺循环与卡诺定理
Carnot cycle and Carnot Theorem
Qre dU pdv dU cmdT
熵变与过程无关，假定可逆：dS
Qre
T
T2 S cm ln T1
cmdT T
（4）功源的熵变
பைடு நூலகம்
S 0
∵功的进出对熵没有影响，功源的熵增永远为0。
（5）孤立系的熵变
在判断过程的方向性、状态的平衡性以及过程有效能损失的计算中，常 需要计算孤立系的熵变。 计算时，孤立系的熵变应是构成孤立系的所有物体熵变的代数和，即
2、熵增原理的意义：
（1）可通过孤立系统的熵增原理判断过程进行的方向性及过程的可逆性 孤立系统中，发生的过程若使熵增加，则该过程是可行的且为不 可逆过程；若熵不变，则该过程是可行的且为可逆过程；若使熵 减少，则该过程不可能进行。 （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，系统处于平衡状态。 因为由孤立系熵增原理可知：若系统处于非平衡态，那么由于一切自发变 化都促使孤立系的熵增加，所以孤立系的熵值随着其状态趋于平衡而增大， 而当孤立系的熵达到最大值时，由于促使孤立系的熵减少的过程是不可能 的，从而孤立系中一切过程都将停止，即孤立系达到了平衡状态。 （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，可定量地评价热力学性能的完善性。
5.3 状态参数熵及熵方程
1、熵的导出
2、克劳修斯积分不等式例题
3、熵方程 （1）闭口系统熵方程 （2）开口系统熵方程
(3)
5.3 状态参数熵及熵方程
1、熵的导出
任一微元可逆循环 a-b-c-d-a,假设该 循环分割成一系列微元卡诺循环。取 其中一个微元卡诺循环（如图中斜影 线所示），则有：
——克劳修斯等式
——比熵
，对于微元不可逆循环：
——克劳修斯不等式
环。
1-a-2
2、克劳修斯积分不等式例题
A 热机是否能实现
Q Q1
T1
工质从热源吸热，故 热量符号为正
1000 K
T


Q2
T2
2000 (800) 0.67 0 1000 300
2000 kJ A 1200 kJ 1500 kJ 800 kJ 500 kJ 300 K