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1、热工学课件第四章第1页，共58页，编辑于2022年，星期日4-1.自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性 4-2.热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述4-4.熵熵内容提要内容提要4-3.卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理4-5.孤立系统熵增原理孤立系统熵增原理第2页，共58页，编辑于2022年，星期日在热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。满足热力学第一定律的过程是否都能实现？热力学第一定律4-1 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性第3页，共58页，编辑于2022年，星期日更多的不可逆现象4-1 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性第4页，共58页，编辑于2022
2、年，星期日过程的自发发生是有方向的。同时，过程的发生是有限度的。并且，这个自发过程的发生是有条件。4-1 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性第5页，共58页，编辑于2022年，星期日4-1 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性过程温度自动均等气体自动混合条件温度差T压力差P方向温度高低压力大小限度温度相等压力相等 热力学第一定律不能回答过程的方向、限度等问题，热力学第二定律就是揭示热力过程的方向、条件与限度。第6页，共58页，编辑于2022年，星期日能量不仅具有数量，同时具有品质.过程总是自发的让能量从高品质能量向低品质能量进行转移.4-1 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性高品质可无条件
3、的转换能机械能，电能有条件可转换能热能能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件补偿过程，其总效果是总体能质降低。第7页，共58页，编辑于2022年，星期日4-1 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性第8页，共58页，编辑于2022年，星期日 A body can supply or absorb finite amounts of heat without undergoing any change in temperature is called a thermal energy reservoir.1.Thermal energy reservoir（恒温热源）4-2 热力学第二定律的实质
4、与表述热力学第二定律的实质与表述第9页，共58页，编辑于2022年，星期日 功可以很容易的转化成其它形式的能量，但是其它形式的能量转化成功却并不容易。2.热机4-2 热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述第10页，共58页，编辑于2022年，星期日 将热转化为功的设备称为热机（heat engines）.热机通常遵循下面的特性：1.接受高温热源的热量；2.转化部分的热为功；3.放出剩余的热给低温热源；4.经历循环4-2 热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述第11页，共58页，编辑于2022年，星期日4-2 热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述 不可
5、能制成一种循环的热机，只从单一热源吸取热量，不可能制成一种循环的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功，而其它物体不发生任何变化。使之完全变为有用的功，而其它物体不发生任何变化。功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。以热机为例，热机循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。3.开尔文表述第12页，共58页，编辑于2022年，星期日4-2 热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 两个不同温度的物体相互接触时，热量不可能自发地由低温
6、物体传到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。4.克劳修斯表述 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。变化。第13页，共58页，编辑于2022年，星期日5.两种表述是统一的:T1T2EngineW0Q1Q2Q2T1T2CoolerQ2Q1+Q2EngineQ1W04-2 热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述第14页，共58页，编辑于2022年，星期日6.第二类永动机是不能制造的.历史上首个成型的第二类永动机装置是1
7、881年美国人约翰嘎姆吉为美国海军设计的零发动机，这一装置利用海水的热量将液氨汽化，推动机械运转。但是这一装置无法持续运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。4-2 热力学第二定律的实质与表述热力学第二定律的实质与表述第15页，共58页，编辑于2022年，星期日1.热效率:4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理T1T2EngineW0Q1Q2第16页，共58页，编辑于2022年，星期日2.卡诺循环和卡诺热机的效率:4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第17页，共58页，编辑于2022年，星期日vpTTHTLabdcs1s2dbacq1q2q
8、1q2sssTLTH4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第18页，共58页，编辑于2022年，星期日卡诺循环的热效率:pTHTLabdcq1q2ssv4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第19页，共58页，编辑于2022年，星期日abdc4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第20页，共58页，编辑于2022年，星期日Ts1s2dbacq1q2TLTH4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第21页，共58页，编辑于2022年，星期日4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理卡诺循环的意义：卡诺循环是一种理想的可逆循环，不可能完全实现，但有重要的理论意义，它指明了一
9、切热机提高热效率的方向。第22页，共58页，编辑于2022年，星期日4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理例1：见书p57例4-1例2：见书p66习题4-2第23页，共58页，编辑于2022年，星期日vpTHTLabdcq1q2ssTs1s2dbacq1q2sTLTH3.逆卡诺循环及其效率 4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第24页，共58页，编辑于2022年，星期日逆卡诺循环的效率4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理供暖系数供暖系数：制冷系数制冷系数：第25页，共58页，编辑于2022年，星期日4.概括性卡诺循环 Thdbacq1q2TLTHngms4-3 卡诺循环与
10、卡诺定理卡诺循环与卡诺定理第26页，共58页，编辑于2022年，星期日4-3 卡诺循环与卡诺定理卡诺循环与卡诺定理定理定理1 1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T22）提高热机效率的极限。定理定理2 2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作 的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环热效率。5.卡诺定理 第27页，共58页，编辑于2022年，星期日4-4 熵熵将 q1,q2 代入符号得:1.从卡诺循环可以得到:第28页，共58页，编辑于2022
11、年，星期日 2.对于任何可逆微循环:将 q1,q2 代入符号得:4-4 熵熵第29页，共58页，编辑于2022年，星期日2.任何可逆循环vp12BA4-4 熵熵对于任意循环过程，均可认为其由无限多的卡诺循环所组成，如下图所示：第30页，共58页，编辑于2022年，星期日所以熵是一个状态参数.4-4 熵熵第31页，共58页，编辑于2022年，星期日从卡诺循环:3.不可逆循环将 q1,q2 代入符号得:4-4 熵熵第32页，共58页，编辑于2022年，星期日3.任何一个不可逆循环vp12BA4-4 熵熵第33页，共58页，编辑于2022年，星期日4-4 熵熵4.克劳修斯不等式（1）循环第34页，共
12、58页，编辑于2022年，星期日4-4 熵熵（2）过程第35页，共58页，编辑于2022年，星期日4-4 熵熵可逆过程：不可逆过程：第36页，共58页，编辑于2022年，星期日4-4 熵熵微元过程：任意过程：任意循环：第37页，共58页，编辑于2022年，星期日判断题（1）在任何情况下，气体加热，熵一定增加；气体放热，熵总减少。（2）熵增大的过程必为不可逆过程。（3）熵减少的过程是不可能实现的。（4）若从某一初态经可迸与不可逆两条途径到达同一终态，则不可逆途径的S必大于可逆途径的S。4-4 熵熵第38页，共58页，编辑于2022年，星期日 孤立系统:dq=0 如果过程是可逆的:s2-s1=0
13、如果过程是不可逆的:s2-s10 因此:dsiso=04-5 孤立系统熵增原理1.孤立系统熵增原理:第39页，共58页，编辑于2022年，星期日2.举例说明热量的传递1).当 TA=TB SA=-Q/TA;SB=Q/TB Siso=-Q/TA+Q/TB=0所以等温传热是可逆过程.BAQ4-5 孤立系统熵增原理第40页，共58页，编辑于2022年，星期日2).当 TATB SA=-Q/TA;SB=Q/TB Siso=-Q/TA+Q/TB0所以此过程是不可逆的.3).当 TATB SA=-Q/TA;SB=Q/TB Siso=-Q/TA+Q/TB0所以此过程是不可能的.BAQ4-5 孤立系统熵增原理
14、第41页，共58页，编辑于2022年，星期日例2 绝热自由膨胀过程 (p64)和 p50(3-5)4-5 孤立系统熵增原理第42页，共58页，编辑于2022年，星期日例3.热量转化为功.S1=-Q1/T1;S2=Q2/T2 S0=0Siso=S1+S2+S01)卡诺循环 t=1-Q1/Q2=1-T2/T1 因为:Q1/T1=Q2/T2 所以:Siso=0 T1T2EngineWQ1Q24-5 孤立系统熵增原理第43页，共58页，编辑于2022年，星期日2)不可逆循环 t c 1-Q2/Q1 1-T2/T1 Q1/T10 T1T2EngineWQ1Q24-5 孤立系统熵增原理第44页，共58页，
15、编辑于2022年，星期日3)如果 “t c”1-Q1/Q2 1-T2/T1 Q1/T1 Q2/T2 so:Siso0 这是不可能的 T1T2EngineWQ1Q24)如果 Q2=0,W=Q1 Siso衰亡阶段衰亡阶段第54页，共58页，编辑于2022年，星期日生命过程生命过程-耗散过程耗散过程 要活着要活着-身体保持低熵状态身体保持低熵状态-死亡死亡薛定谔：薛定谔：生命是什么生命是什么?“生命之所以能存在，就在于从环境生命之所以能存在，就在于从环境 中不断得到中不断得到 负熵负熵”“有机体是依赖负熵为生的有机体是依赖负熵为生的 ”-生命的热力学基础生命的热力学基础高熵高熵-混乱混乱第55页，共
16、58页，编辑于2022年，星期日(碳水化合物碳水化合物 净水净水)物质物质(化学能化学能)能量能量负熵负熵(CO2 污水污水 排泄物等排泄物等)物质物质能量能量(功功 热热)正熵正熵有有 机机 体体开放系统开放系统第56页，共58页，编辑于2022年，星期日 必须是开放系统必须是开放系统 维持低熵状态维持低熵状态低熵高能食物低熵高能食物-如碳水化合物如碳水化合物低熵低能食物低熵低能食物-净水净水动物动物 要吃低熵食物要吃低熵食物有机体有机体 和周围环境有物质和能量交换和周围环境有物质和能量交换 摄入低熵物质摄入低熵物质 排出高熵物质排出高熵物质第57页，共58页，编辑于2022年，星期日三、三、熵与社会熵与社会熵是混乱和无序的度量.熵值越大,混乱无序的程度越大.要可持续发展，就要稳定，就要尽量减少熵，秩序就是我们的负熵。可持续发展可持续发展第58页，共58页，编辑于2022年，星期日