Chap6 热力学第二定律 ¶
热力学第二定律 ¶
自发过程的方向性 ¶
Note
- 自发过程有方向性
- 自发过程的反方向过程并非不可进行，而是要有附加条件
- 并非所有不违反热力学第一定律的过程均可进行
能量转换方向性的实质是能质有差异
能质降低的过程可自发进行，反之则需要一定条件——补偿过程，其总效果是总体能质降低
热力学第二定律的两种典型表述 ¶
克劳修斯表述：热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体
开尔文 - 普朗克表述：不可能制造循环热机，只从单一热源吸热，将之全部转换为功，而不在外界留下任何影响
卡诺循环和卡诺定理 ¶
卡诺循环及其热效率 ¶
1-2：绝热压缩
2-3：等温吸热
3-4：绝热膨胀
4-5：等温放热
是两个热源的可逆循环
\[\eta_t=\frac{W_{net}}{q_1}\]
\[\eta_c=\frac{(T_H-T_L)\Delta s_{23}}{T_H \Delta s_{23}}=1-\frac{T_L}{T_H}\]
-
实际循环不可能实现卡诺循环的原因
- 一切过程不可逆
- 气体实施等温吸热，等温放热困难
- 气体卡诺循环 \(w_{net}\) 太小，若考虑摩擦，输出净功极微
-
卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向——加大循环温差
逆向卡诺循环 ¶
制冷系数
\[\varepsilon=\frac{T_2}{T_1-T_2}\]
供暖系数
\[\varepsilon=\frac{T_1}{T_1-T_2}\]
概括性卡诺循环 ¶
回热：利用工质原本排出的热量来加热工质本身的方法
卡诺定理 ¶
熵和热力学第二定律的数学表达式 ¶
熵是状态参数 ¶
克劳修斯积分不等式 ¶
热力学第二定律的数学表达式 ¶
\[s_2-s_1 \ge \int_1^2 \frac{\delta q}{T_r}\]
\[ds \ge \frac{\delta q}{T_r}\]
\[\oint \frac{\delta q}{T_r} \le 0\]
Note
- 可逆时为等号，不可逆时为不等号
- \(T_r\) 是热源温度
- Q 的符号都以工质考虑
- 对任何循环：\(\oint dS=0\)
熵的微观意义 ¶
玻尔兹曼熵
\[S=kln W\]
k 为玻尔兹曼常数，微观状态数 W 为宏观系统的无序度
熵方程与孤立系统熵增原理 ¶
熵方程 ¶
闭口系 ¶
对于闭口系
\[ds=\delta s_f + \delta s_g => \Delta s=s_f+s_g\]
闭口系的熵变等于热熵流和熵产之和
（热）熵流：\(s_f=\int_1^2 \frac{\delta q}{T_r}\)，吸热为正，放热为负，系统与外界换热造成系统熵的变化
熵产：\(s_g\)，不可逆为正，可逆为零，系统进行不可逆过程造成系统熵的增加
开口系 ¶
对于开口系
\[dS=\sum(s_i\delta m_i-s_j \delta m_j)+\delta S_{f,Q}+\delta S_g\]
稳流开口系
\[dS=0\]
绝热稳流开口系
\[s_2-s_1=s_g \ge 0\]
孤立系统熵增原理 ¶
\[\Delta S_{iso}=S_g\ge 0\]
可逆取等号，不可逆取不等号
孤立系统熵增原理：孤立系内一切过程均使孤立系统熵增加，其极限——一切过程均可逆时系统熵保持不变
Note
- 可作为第二定律的又一数学表达式，且为更基本的一种表达式
- 可推广到闭口绝热系
- 一切实际过程均不可逆，所以可根据熵增原理判别过程进行的方向
- 孤立系统一切过程均不改变其总内部储能，即任意过程能量守恒
系统的作功能力（㶲）及熵产与作功能力损失 ¶
热源热量的可用能 ¶
- \(q_a\) 是环境条件下热源传出热量中可转化为功的最高份额，称为热量㶲
- \(q_{un}\) 是理想状况下热量仍不能转变为功的部分，是热能的一种属性，环境条件和热源确定后不能消除减少，称为热量㷻
冷量的作功能力 ¶
- 温度低于环境温度的物体交换的热量称为冷量
- 吸入热量时作出的最大有用功称为冷量㶲
定质量物系的作功能力（㶲）¶
稳流工质的作功能力 ¶
熵产与系统作功能力（㶲）损失 ¶
㶲平衡过程及㶲损失 ¶
㶲平衡方程 ¶
本章中英名词对照 ¶
卡诺循环（Carnot cycle）
㶲（exergy
㷻（anergy
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