哈工大工程热力学-(4)热力学第二定律

演示
可逆过程的进行必须满足下处条件：
热力系内部原来处于平衡状态 作机械运动时热力系和外界保持力平衡(无摩擦） 传热时热力系和外界保持热平衡（无温差）
可逆过程是运动无摩擦、 可逆过程是运动无摩擦、传 热无温差的内平衡过程
3）可逆过程理解
可逆过程实际上是不能进行的 可逆过程实际上是不能进行的。没有温差 不能进行 实际上就不能传热， 实际上就不能传热，如人在高温炎热的夏 天感到闷热；完全避免摩擦就不能有机械 天感到闷热； 运动， 运动，如水平管道中如无用于克服阻力的 压降则无法流动 可逆过程可理解为在无限小温差下传热过 可逆过程可理解为在无限小温差下传热过 程，在摩擦无限微弱下作机械运动过程
第四章 热力学第二定律
4-1 热力学第二定律的任务
1、热力学第二定律的客观性
热力学第一定律告诉我们
自然界中各种形式的能量的转换和转移不会引 起总能量的改变； 起总能量的改变； 创造能量（第一类永动机）既不可能， 创造能量（第一类永动机）既不可能，消灭能 量也办不到； 量也办不到； 自然界中一切过程都必须遵守热力学第一定律 但是， 但是，符合热力学第一定律的过程并非都可以实现
自然过程的方向性 1、功热转换 、 重物下落， 功 → 热 ： 重物下落 ， 功全 部转变成热， 并且不引起其 水 它任何变化。 它任何变化。 —称 过程能“自动”发生。 —称：过程能“自动”发生。 水温降低， 产生水流， 热→功： 水温降低 ， 产生水流 ， 推动叶片 转动，提升重物，而不引起其它任何变化。 转动，提升重物，而不引起其它任何变化。 —过程不能自动发生。 过程不能自动发生。 过程不能自动发生 通过摩擦使功变热的过程是不可逆的， 通过摩擦使功变热的过程是不可逆的，逆过 程不能自动发生。 程不能自动发生。
再沿整个热力系得外表面积A积分， 再沿整个热力系得外表面积 积分，则可得熵 积分 流为
将式（4-4）、（4-5）、（4-6）相加，可得 将式（ ）、（4 ）、（4 相加， 闭口系在d 闭口系在dτ时间内熵的变化为
dS
Q = δ S f + δ Sg i Qg + δ Sg
= δ S f + δ Sg T
不必借助外界（ 自发过程 – 不必借助外界（靠系统内部 势差） 势差） 作用进行的过程
热量由高温传向低温、动能变成热能、高压气体膨胀
非自发过程 – 必须借助外界作用才能进 行的过程
热量由低温传向高温、热能变动能、气体压缩
演示
3、热力学第二定律的任务是研究过程进 行的方向、条件和限度
方向：热力学第一定律 ： 只能说明各种能量间可以相互转化 不能说明各种能量间相互转化方向 条件：自发过程进行的条件 ： – 热力系内部的某种势差 非自发过程进行条件 – 热力系外界的某种作用
考虑几个常见的例子
一个烧红了的高温锻件在空气中会自动冷 却，但符合热力学第一定律的与之相反的 过程不能自发进行 一个从高坡冲向平地飞驰的自行车，如 果人不继续用力蹬它，最后会停下来，但 符合热力学第一定律的与之相反的过程不 能自发进行 一个盛装氧气的高压瓶只会向压力较低的 大气中漏气， 大气中漏气，但符合热力学第一定律的与 之相反的过程不能自发进行
不可逆性相互依存
自然的宏观过程的不可逆性相互依存。 自然的宏观过程的不可逆性相互依存。一种 的宏观过程的不可逆性相互依存 实际过程的不可逆性保证了另一种过程的不可 逆性。反之， 逆性。反之，如果一种实际过程的不可逆性消 失了， 失了，则其它实际过程的不可逆性也就随之消 失了。 失了。
2、自发过程和非自发过程 、
实例 制冷装置中热量从低温物体→高温物体是以制 冷机耗功→热的自发过程作为代价和补偿条件 的 热机中使一部分高温热能→机械能是以另一部 分高温热能→低温大气作为代价和补偿条件的 压气机中气体被压缩是以消耗一定的机械能→ 热能作为代价和补偿条件的
过程进行的条件概括成： 过程进行的条件概括成： 一切非自发过程的进行中必须有自发 过程时时伴随 一切自发过程的进行前必须有非自发 过程的历史积累
即 (δ S f + s1δ m1 ) + δ S g − s2δ m2 = ( S + dS ) − S 所以
dS = δ S f + δ S g + s1δ m1 − s2δ m2
这影响就是：由于作机械运动时有摩擦， ：由于作机械运动时有摩擦， 有一部分机械能不可复逆地变成了热能。 有一部分机械能不可复逆地变成了热能。
热产
传热温差
一个实际过程进行时，如果热量交换，那么热量总是由 温度较高的物体传向温度较低的物体 因此，当热力系从外界吸热时（图4-1a），外界物体A 的温度必须高与热力系的温度（TA>T）；而当热力系 沿原路线反向进行向外界放出热量时（图4-1b），外界 物体B的温度必须低于热力系的温度（TB<T）
由于两部分温度部相等（ ），在 由于两部分温度部相等（TA >TB），在d 时间 部分向B部分传递了的 热量（ 内，A部分向 部分传递了的 热量（ 表示内 部分向 部传热量） 部传热量） 对整个热力系而言，这内部传热量的代数和一 对整个热力系而言， 定等于零， 定等于零，即
δ QA + δ QB = −δ Qi + δ Qi = 0
演示
演示
演示
过程的方向性
过程总是自发地朝着一定的方向进行： 过程总是自发地朝着一定的方向进行：
机械能总是自发地转变为热能 热能总是自发地从温度较高的物体传向温度 较低的物体 气体总是自发地膨胀
自然界中各种各样的过程都是有方向的
李白《将进酒》 李白《将进酒》： 君不见黄河之水天上来，奔流到海不复还 – 自然 君不见高堂明镜鬓发白，朝如青丝暮成雪 – 人生 孔子在川上曰：逝者如斯夫 – 东去的流水 岩石会自发地裂碎 树皮会自发地脱落 皱纹会自发地出现
=∫
δ (δ Q)
T
( A)
+∫
δ (δ Qi + δ Qg )
(v )
式中
熵流
熵产
2、熵方程
熵方程文字表达为： 熵方程文字表达为：
（流入热力系的熵的总和）+（热力系的熵产） 流入热力系的熵的总和） 热力系的熵产） 从热力系流出的熵的总和） -（从热力系流出的熵的总和）=（热力系总 熵的增量） 熵的增量）
热力学第二定律
– 在自然科学的许多其它学科中都有重要意义
4-2 可逆过程和不可逆过程
1、两种不可逆因素
机械运动摩擦 传 热 温 差
机械运动摩擦
一个实际过程的进行， 一个实际过程的进行，凡产生相对运动的各接触 部分（包括流体各相邻部分）之间, 部分（包括流体各相邻部分）之间,摩擦是不可避 免的 因此，不管是膨胀过程还是压缩过程， 因此，不管是膨胀过程还是压缩过程，或多或少 总会损失，总会留下不能消除的影响 总会损失，总会留下不能消除的影响
2、热传导 、 有限温差的两个物体相接触，热量总是自动 有限温差的两个物体相接触，热量总是自动 由高温物体传向低温物体。 由高温物体传向低温物体。相反过程不会自动 发生。 发生。 当然，用致冷机可把热量 当然， 由低温物体传向高温物体。 由低温物体传向高温物体。 但外界必须对工质做功， 但外界必须对工质做功， 这引起了其它效果。 这引起了其它效果。 有限温差热传导不可逆。 有限温差热传导不可逆。 高温热库T1 高温热库 Q1 A Q2 低温热库T 低温热库 2
3、可逆过程概念的重要意义
给出了能量利用（转换和传递）的理想的情 况和最高标准 用理想情况的极限值来衡量实际过程（循环） 的完善程度 分析实际过程改善潜力的大小的改进的方向 简化和方便了热工分析与计算
4-3 热力学第二定律的 表达式–熵方程
Hale Waihona Puke Baidu
热力学第二定律任务的解决都涉及到熵这个参 数，关于熵是状态参数的证明有两个方法： 传统的卡诺循环和克劳休斯积分法 传统的卡诺循环和克劳休斯积分法 卡诺循环 严家騄教授借助可逆过程的概念及理想气体 严家騄教授借助可逆过程的概念及理想气体 证明方法(见本书） 证明方法(见本书） 对于工科学生来说重要的和重点不是熵的证明 应该是加深对熵概念的理解和它的应用
如果使过程沿原路线反向进行， 如果使过程沿原路线反向进行，并使热力 系回复到原状态， 系回复到原状态，将会给外界留下这种或 这就是实际过程的不可逆性。 那种影响 – 这就是实际过程的不可逆性。 人们把这样的过程统称为不可逆过程 人们把这样的过程统称为不可逆过程 一切实际的过程都是不可逆过程 演示
2）可逆过程 可逆过程是指具有如下特性 所谓可逆过程 所谓可逆过程是指具有如下特性 的过程：过程进行后， 的过程：过程进行后，如果使热力系 沿原过程的路线反向进行并恢复到原 状态，将不会给外界留下任何影响。 状态，将不会给外界留下任何影响。
内部传热引起的内部熵流的代数和却总是大于 零，即（因为TA >TB ） 因为T
这也就是这个不平衡热力系内部传热引起的熵 产，用符号 表示： 表示：
推广言之， 推广言之，如果一个内部不平衡的热力 系由n个温度各自均匀的部分组成 个温度各自均匀的部分组成， 系由 个温度各自均匀的部分组成，则可 得
若将一个内部不平衡的闭口系分成无数个温度 各自平衡（均匀）的部分， 各自平衡（均匀）的部分，然后再对整个体积 V 积分，则可得热力系内部传热引起的熵产和 积分， 热产引起的熵产分别为
工质
3、气体的绝热自由膨胀 、
非平衡态
平衡态
非平衡态→平衡态： 非平衡态→平衡态：可以自动进行 平衡态→ 平衡态：不能自动进行， 平衡态→非平衡态：不能自动进行，气体不能 自动压缩。 自动压缩。 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。
总结：实际宏观过程都涉及热功转换、 总结：实际宏观过程都涉及热功转换、热传 导和非平衡态向平衡态的转化。所以， 导和非平衡态向平衡态的转化。所以，一切与 热现象有关的宏观过程都是不可逆的。 热现象有关的宏观过程都是不可逆的。
限度： 限度
热力学第一定律只解决了能量转换 中各种能量数量的守恒性 热力学第二定律却解决了能量转换 的差异性和有限性 热机的热效率在一定条件下也有其 理论上的最大值
4、热力学第二定律的重要性
热力学第一定律
– 能量平衡 – 数量计算 – 会计作用
热力学第二定律
– 能量转换和传递过程能否实现 – 厂长作用
1、熵流和熵产 、 1）对内部平衡（均匀）的闭口系 对内部平衡（均匀）
时间内熵的变化dS dS可根据熵的定 在d 时间内熵的变化dS可根据熵的定 义式得出： 义式得出：
τ
（4-1）
式中 熵流， – 称为熵流，热力系与外界交 称为熵流 换热量而导致的熵的流动量 简称熵流，熵流可正（吸热） 简称熵流，熵流可正（吸热） 可负（放热） 可负（放热） – 热力系内部的热产引起的熵 热力系内部的热产引起的熵 产，熵产恒为正
2）对内部不平衡（不均匀）闭口系
在dτ时间内其熵的变化除了熵流和热产引起 时间内其熵的变化除了熵流和热产引起 的熵产外，还应包括热力系内部传热引起的 的熵产外，还应包括热力系内部传热引起的 熵产 假定有一温度部均匀的热力系，它由温度各自 假定有一温度部均匀的热力系， 均匀的两部分A和 组成 组成（ 均匀的两部分 和B组成（图4-3） ）
【思考】 思考】
绝热壁
热库 T
T –∆T ∆
做功
理想气体能从单一热源吸热作等温膨胀， 理想气体能从单一热源吸热作等温膨胀， 可 把热全部转变成功。 把热全部转变成功。热→功 是可逆的？ 是可逆的？ 因为引起了气体体积膨胀 而气体不 气体体积膨胀。 因为引起了气体体积膨胀。 不可逆： 不可逆： 能自动压缩，逆过程不能自动发生。 能自动压缩，逆过程不能自动发生。 单一热源热机（第二类永动机） 单一热源热机（第二类永动机）不能制成
经过一次往返，热力系恢复了原来的状态， 但却给外界留下了不能消除的影响 影响
由于传热时有温差，有一部分热能不可复逆地从 温度较高的物体转移到了温度较低的物体
2、可逆过程和不可逆过程
1）不可逆过程 任何实际热力过程在作机械运动时不可 避免地存在着摩擦（力不平衡）， ），在传热时 避免地存在着摩擦（力不平衡），在传热时 必定存在着温差（热不平衡） 因此， 必定存在着温差（热不平衡）。因此，实际 的热力过程必然具有这样的特性： 的热力过程必然具有这样的特性：