石油大学热工学第2章-3-第二定律

卡诺定理应用举例
A 热机是否能实现？
1000 K
2000 kJ
可能 如果W0=1500 kJ
不可能
A
1200 kJ
1500 kJ ?
800 kJ
500 kJ
300 K
一个热机循环能否实现、是否可逆判据
(Carnot theorem)
源间工作的一切可逆热机具有相同的热效 率，与工质的性质无关。 T1
T1 T2 定理二：在相同的高温热源和相同的低 温热源间工作的可逆热机的热效率恒高于 不可逆热机的热效率。
TH
卡诺定理一的证明
WB WA-WB
TH
WA
A
B
A
WB
B
A带动B 逆向运行
TL TL
假如AB
（1）在相同的两个热源TH与TL间工作的一切理想气 体可逆循环，其热效率是否都相同？ （2）如果使用其它工质，热效率又如何？ （3）在相同的两个热源TH与TL间工作的可逆循环与 不可逆循环，循环的热效率又如何？
（二）卡诺定理
T2 C 定理一：在相同的高温热源和低温热 T1 T2
C
（2）相同高、低温热源间的不可逆循环的热 效率小于相应可逆循环的热效率。 t < r 尽量减少循环中的不可逆因素是提高循 环热效率的重要方法。
卡诺定理小结
（3）提高热源温度TH和降低冷源温度TL可以提 高卡诺循环及同温限间其他可逆循环的热效率， 但由于TL＝0K或TH→∞ 是不可能的，故循环 热效率不可能等于100%，只能小于100%。在 动力循环中不可能把从热源吸取的热量全部转 变为功。 （4）当TH=TL时，C=0，说明单一热源的热机是 不可能造成的。要实现连续的热功转换，必须 有两个或两个以上温度不等的热源。
A带动B逆向运行
WA WB
Q2 Q2
Q2 WA WB Q2
单一热源热机，违背热力学第二定律
AB不成立；同理 A<B不可能
A＝B
卡诺定理小结
（1）两恒温热源间一切可逆循环的热效率都 相等，与工质无关。 r = C 提高热源温度TH和降低冷源温度TL是提 高可逆循环热效率的根本途径。
热机能达到的最高效率有多少？
法国工程师卡诺 (S. Carnot)， 1824年提出
理想可逆热机循环
热力学第二定律奠基人
三、 卡诺循环与卡诺定理


热效率是100%的热机是造不成的。
具有两个热源的最简单热机的热效率最高极限 是多少？ 卡诺循环和卡诺定理解决了这一问题，并提出 改进循环热效率的途径和方法。
无限可转换能—机械能，电能 能量转换方向性的 实质是能质有差异
部分可转换能—热能
T T0
不可转换能—环境介质的热力学能
非自发过程可以发生，但不能自动发生。 自发100%
机械能
非自发 热机 40%
热能
代价 从热源向冷源放热
一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。 为提高能量利用的经济性，最大限度的减少补偿。 存在一个减少所付代价的补偿最大限度是多少的问题。 不可逆是自发过程的重要特性和属性。
电流通过电阻，产生热量 对电阻加热，电阻内产生反向 电流？ 只要电能不大于加入热能，不 违反第一定律。
例1：温差传热
例2：功-热转化（飞轮制动） 例3：自由膨胀
自发 高压物体 真空
例4：混合过程
归纳：1）自发过程有方向性； 2）自发过程的反方向过程并非不可进行，而是 要有附加条件； 3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。

W0 QL TL ( s2 s1 ) t 1 1 QH QH （一）卡诺循环 TH ( s2 s1 )
——理想可逆热机循环 TH QH Rc
QL
1-2定温吸热过程； 3-4定温放热过程； 2-3可逆绝热膨胀过程； 卡诺循环热机效率：
W0
TL
4-1可逆绝热压缩过程。
TL C 1 TH
热力过程的方向性说明了：

在自然界中，热力过程若要发生，必然遵 循热力学第一定律， 但满足热力学第一定律的热力过程却未必 都能自动发生。 因而必然另有一个独立的基本定律在决定 着热力过程的方向性，或者说决定着热力 过程能否实现，热力学第二定律。


热力学第二定律的任务：

研究热力过程的方向性[最根本的]；
热量不可能自发地、不付代价地从 低温物体传至高温物体。
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
(开尔文说法)
第二类永动机是不可能制造成功的。
第二类永动机???
如果三峡水电站用降温法发电，使水 温降低5C，发电能力可提高11.7倍。 设水位差为180米。 重力势能转化为电能：
TL C 1 只取决于热源温度TH和TL TH
提高TH 和降低TL 提高c
温差越大，c越高。
TH
TL 0
C 100%
当TH =TL时，C 0
逆向卡诺循环
q1 w0 q2 制冷系数
q1
w0 q2
供热系数
q2 TL C w0 T0 TL
q1 TH C w0 TH T0

热力过程的方向性在于热力过程的不可逆性。 过程的不可逆和方向性互为因果。
反映热力过程方向性的的热力学第二定律的各 种说法是等效的，则不可逆属性是等效的，实 质是相同的。 可以用一个统一的热力学参数来描述所有不可 逆过程的共同属性，并作为热力过程方向性的 判据。
“熵”

既然
t =100％不可能
热力学第一定律
能量守恒与转换定律
能量传递和转换时
数量上的守恒关系
遵循热力学第一定 律的热力过程是否 能够自动发生？
第三节

热力学第二定律
热力过程的方向性 热力学第二定律的表述 卡诺循环和卡诺定理 状态参数熵 不可逆过程的熵变、熵流及熵产 孤立系统的熵增原理
一、热力过程的方向性
卡诺定理的意义
从理论上，确定了通过热机循环 实现热能转变为机械能的条件；
指出了提高热机热效率的方向， 是研究热机性能不可缺少的准绳。
对热力学第二定律的建立具有重 大意义。
（三）多热源的可逆循环
(reversible cycle of many reservoirs)
1、循环
T
QL TL t 1 1 QH TH
三种卡诺循环
T TH
TH
制热
动力
TL
T0
制冷
TL
s
概括性卡诺循环
——两个热源间的极限回热循环
4 T 3
TL
TH
1
设置无穷多个回热加热器， 实现工质间的等温换热。
回热—工质自己加热自己。
在回热器内实现
2
回热循环—采用回热的循环。 回热对概括性卡诺循环实 现可逆是必不可少的。 回热是提高循环能量利用 经济性的一个重要措施。

研究非自发过程的补偿和补偿限度等问题。
研究热力过程的方向、条件和限度。
二、热力学第二定律的表述
热力学第二律的表述有 60-70 种
热功转换
1851年 开尔文说法 热功转换的角度
传 热
1850年 克劳修斯说法 热量传递的角度
1、克劳修斯说法
不可能把热量从低温物体传至高温物体 而不引起其它变化。 “制冷（外界消耗功）”
2、开尔文说法 不可能从单一热源取热使之完全转变为 功而不产生其它影响。 3、第二类永动机不可能存在。
以环境为单一热源，使机器从中吸热对外做功。
“单一热源做功”？！

理想气体的定温膨胀过程： 吸热量等量功
引起系统状态的变化—气体压力降低（代价）。
பைடு நூலகம்
制冷： 热量从低温传向高温
引起一个变化—消耗外界功之类的代价。
E mgh 1800m[ J ]
mkg水降低5C放热：
Q 21000m 11.7 E 1800m
Q cmt 21000m[ J ]
不同说法是等效的：
反映了热力过程具有方向性的实质。
违反一种说法，必违反另一种说法!!!
可以采用反证法证明。
开尔文说法 克劳修斯说法
完全等效!!!
自然界中自发过程都具有方向性。

热量由高温物体传向低温物体
摩擦生热（机械能转换为热能）
水由高处流向低处 电流由高电势流向低电势
自发过程：可以自动发生的过程，反之是非自发过程。
自然界中热力过程都具有方向性。
重物下落，水温升高; 水温下降，重物升高？ 只要重物位能增加小于等于水降内能 减少，不违反第一定律。