高等工程热力学电子教案(2B)

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1、２．热力学第二定律能量的数量关系第一定律将不同形式的能量在数量上联系了起来，指出不同形式的能量可以互相转换，而且在转换中数量不变。比如：电能—→动能、势能、热能；热能—→机械能、电能等。能量的品质关系但在长期的生产实践中，人们发现满足第一定律的过程不一定能够实现。也就是说，热过程是有方向性的，比如，电可以很方便地转化为热，而热要变成电就困难得多，低温物体的热量不会自动地传至高温物体。揭示热过程方向性的是第二定律。热力学第二定律揭示：能量不但有数量之分，还有方向之别，品质之别。电—→热（100％）但热—/→电（100％）1000℃的热能比1

2、00℃的热能更有用，更有价值。能量的品质不能自动升高，只能自动降低，理想情况是不变。2.1热力过程的方向性热过程是有方向性的，是不可逆的，下面举例说明并分类。①不等温传热过程是不可逆的两个物体Ａ、Ｂ，设ＴＡ＞ＴＢ，那么Ａ、Ｂ接触，就有ＱＡ从Ａ中传出，Ｂ就有ＱＢ流入。第一定律指出：ＱＡ＝ＱＢ但相反的过程，即Ｂ放热ＱＢ，Ａ吸热ＱＡ，即使满足ＱＡ＝ＱＢ，也不会发生。即低温物体热量不会自动流入高温物体，否则将会出现很多怪现象。ATABTB②自由膨胀过程是不可逆的第一定律指出：膨胀前与后必须满足：Ｕ１＝Ｕ２但相反过程，即使仍满足Ｕ１＝Ｕ２，也不可能

3、发生，没有谁见过气体能自动恢复一半真空的。12③功热转换过程是不可逆的功可以自动地转换为热（注意：自发、自动）焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动，通过摩擦使功自发变为热。相反的过程不可能发生。总之：有摩擦、电阻、磁阻、非弹性形变等耗散效应存在的过程都是不可逆的。混合过程是不可逆的，任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的。虽然，实际过程是不可逆的，但减小不可逆因素，过程的不可逆性就会相应减少，减少到可以忽略，过程就趋于可逆过程。可逆过程的共同特征：a．它必须是准平衡过程。（力、热、化学平衡）b．过程中不包括有摩擦、磁电阻等耗散效应。上述

4、不可逆过程，我们强调了不能“自动”发生，不是说不能发生，不然盐、真空、冷饮从何来？如果要发生，外界必须提供能量、某种补偿，制冷过程就必须消耗机械作为补偿。2.2第二定律的表述第二定律是大量观察、无数经验总结、千百次重复没有一次例外总结出来的。它指出：一切实际的宏观热过程都是不可逆的，具有方向性，这是热过程的基本特征。也正是第二定律要揭示的基本事实和基本规律。由于热过程种类很多，它们的不可逆性并不是孤立的，是彼此相关的，等效的。因此，第二定律有多种表述，但它们是等效的，一种表述成立则另一种表述也必然成立。典型说法：克劳修斯(1850年)：不

5、可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。开尔文(1851年)：不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。普朗克：不可能制造一部机器，它在循环中把一重物升高而同时使一热源冷却。它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影响。如果这种设想能成立，就可利用环境中无限的热能做功。所以：第二类永动机是造不成的。历史上还出现过违反第二定律的第二类永动机的设想（不违反第一定律）热力学不可逆性不是孤立的一切不可逆过程是相互联系的，各种表述是等效的，它反映的是热力过程的不可逆性。第二定律是经验定律，但没有违反之例，只有同时遵守一、二定律的

6、过程才能发生。第二定律有多种表述，但是等效的，一种表述成立则另一种表述也必然成立。历史上，卡诺定理是第二定律的出发点，早在一、二定律建立之前，卡诺就在分析影响蒸汽机的功热转换的各种因素的基础上，于1824年提出了卡诺定理。但他对这个定理的证明是错误的。（依据热质说和第一类永动机不能实现，前者后来被证明是错误的，后者不可能证明卡诺定理）克劳修斯与开尔文正是从卡诺定理得到思路提出热力学第二定律的。2.3卡诺定理定理一：相同热源和冷源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质无关，均等于定理二：相同热源和冷源间工作的可逆热机的效率恒高于不可逆

7、热机的效率。结论：所有可逆热机效率相等，不可逆热机效率恒小于可逆热机效率。于是，所有可逆热机效率只与热源温度有关，与所使用工质无关。2.4卡诺循环(Carnotcycle)它是恒温热源间工作的理想可逆循环，它由２个定温过程及2个可逆绝热过程构成。原因：为使循环在吸放热过程中可逆，在吸、放热过程中，与冷热源的温差为无限小，只能是等温过程。要组成循环，还需加入其它过程。这些过必须在Ｔ１与Ｔ２之间变温，所以，只能是绝热过程，因此有两条绝热线。在图T-S图和p-V图上可表示为：吸热量Ｑ１，放热量Ｑ２，完成功量Ｗ＝Ｑ１－Ｑ２效率：1234THTLT

8、SS2S1Q1Q21243pv对卡诺循环分析可得到如下结论：1)卡诺循环效率仅与热源温度有关，而与工质和热机类型无关。2)提高ＴＨ和降低ＴL，可以提高ηＣ，但ＴＨ∞，ＴＬ０，所以ηＣ＜１3)