基本要求
1、 深入理解热力学第二定律的实质，认识能量不
仅有“量”的多少，而且还有“质”的高低，即过
程进行具有方向性。 2、 掌握卡诺循环、卡诺定理的含义及指导意义。
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热力学第一定律
能量守恒与转换定律 能量之间数量的关系
所有满足能量守恒与转换 定律的过程是否都能自发 进行?
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§5-1 热力学第二定律的表述
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Q2 Q2 T2 S T2 W Q1 Q2 (T1 T2 )S T1 T2
供暖系数：
W
Q1 Q1 T1S T1 ' W Q1 Q2 (T1 T2 )S T1 T2
二、卡诺定理
在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机 中，以可逆机的效率为最高。 推论： 1. 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可 逆机具有相同的热效率，且与工质性质无关。
2. 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不 可逆机，其热效率总小于在这两个热源间工作 的可逆热机的热效率。 理论意义：
提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2。 可逆循环的热效率是提高热机效率的极限。
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卡诺循环和卡诺定理的意义：
提高热源温度T1，降低冷源温度T2是提高两恒温热源间 可逆循环热效率的根本途径与方法； 尽量减少循环中的不可逆因素是提高不可逆循环热效 率的重要方法； 热机热效率恒小于100％； T1 , T2 0 0 c 1 单一热源热机是造不成的。T1 T2 c
一、自然过程的方向性
1. 传热过程
自发过程：热量从高温传向低温。
反之不能自发进行！
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2. 摩擦过程
重物下落，水温升高。
水温下降，重物升高？
3. 电阻的热效应 电流通过电阻，产生热效应。 对电阻加热，产生电能？
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归纳： 1）自发过程有方向性； 2）不可逆是自发过程的重要特征与属性； 3）自发过程的反向过程并非不可进行，而是要有附加条件。
卡诺循环是工作在恒温的高、低热 源间的最简单理想可逆正循环，由两个 可逆定温和两个可逆绝热过程构成。
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2.卡诺循环热效率
T2 Sba wnet Q2 T2 tc 1 1 1 Q1 Q1 T1 Sab T1
结论:
Q1、Q2为绝对值
正向卡诺循环热效率取决于高温热源与低温热源的温度；
0
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【例5-1】某人声称发明一循环装置，在热源T1及冷源T2之间工 作，若T1＝1700 K，T2＝300 K，则该装置能输出净功1200 kJ 而向冷源放热600 kJ，试判断该装置在理论上是否可能？ 【解】由题意，据热力学第一定律，装置自高温热源吸热 Q1＝Q2+Wnet＝1200+600＝1800 kJ 装置热效率 ηt＝Wnet/Q1＝ 1200/1800＝66.67%
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热力学第一定律揭示了热力过程中参与转换与传递的各种能 量在数量上是守恒的,否定了创造能量与消灭能量的可能性 。 热力学第一定律宣告第一类永动机不可能制成。
热力学第一定律未涉及能量传递与转化的方向性！
热力学第二定律是与热现象有关的各种过程进行的方向、条 件以及进行的限度的定律。 热力学第二定律指明第二类永动机不可能制成。 第二类永动机：从单一热源吸取热量，使之全部转变为功的 热机。 特点：不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律
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作业： 5-2，5-6
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热一律与热二律
热一律否定第一类永动机
t >100％不可能
热二律否定第二类永动机
t =100％不可能
热机的热效率最大能达到多少？ 又与哪些因素有关？
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§5-2 卡诺循环和卡诺定理
一、卡诺循环及其热效率
1.卡诺循环
ab bc cd d a
定温吸热 绝热膨胀
定温放热
绝热压缩
T1 T2 c
循环热效率必小于1，即在循环发动机中不可能将热全部转 变成功；
T1 , T2 0 0 c 1
高温热源温度等于低温热源温度时，循环的热效率等于零。
T1 T2 c 0
第二类永动机不可能制成
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3. 逆向卡诺循环
制冷系数：
T1 Q1 E Q2 T2
扩展：
无限可转换能—机械能，电能
能
质
有限可转换能—热能
T T0
不可转换能—环境介质的二定律的表述
1.克劳修斯叙述——热量不可能自发地、不花代价地 从低温物体传向高温物体。 2.开尔文-普朗克叙述——不可能制造出从单一热源吸 热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力 发动机。 3.两种表述完全等效。
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• 工作在温度分别为T1和T2的两个相同恒温热源的一 切热机，其循环热效率均相等。 • 在热力设备工作过程中，循环净功愈大，则循环热 效率愈高。 • 一台热机工作在400K与800K两个恒温热源间，该机 每从高温热源吸热100kJ，对外作功60kJ，该机是可 逆热机。 • 一台热机工作在T1=900K,T2=300K的两个恒温热源间， 热机从高温热源吸热1000kJ，向冷源放热300kJ，则 该热机是不可能实现的。
在同温限的恒温热源间工作的卡诺循环热效率 ηtc＝1-T2/T1＝1-300/1700＝82.35% 比较ηt和ηtc可知，此装置有可能实现，是一不可逆热机。 对于恒温热源的热机，可用卡诺定理进行热力过程和热
力循环是否可行、是否可逆的判断。
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• 热力学第二定律可表述为：热量不可能从低温传向高 温。 • 热不可能全部转化为功。 • 所有可逆循环的热效率必大于不可逆循环的热效率。 • 任何可逆循环的热效率都相等。 • 从一定的初态到一定的终态，熵的变化取决于初，终 状态，而与过程的性质和途径无关。 • 自发过程是不可逆过程。 • 正向循环是将热能转变为机械能的循环。 • 逆向循环是将机械能转变为热能的循环。
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※ 理想气体等温过程中可将自单一热源吸收的热量全部 转变为功，这是否违反开尔文-普朗克表述？
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※ 在热的砂槽上放置一个高筒形烧杯，杯中放一层苯胺（苯 胺是一种密度略大于水，而体积膨胀系数比水大的物质，即苯 胺受热后膨胀比水大）。把适量的水注入烧杯后，稍待片刻， 就可看到苯胺从杯底上升到水面，继而从水面下沉到杯底。然 后再上升、下沉，反复不断直至砂槽温度降到环境大气温度。 这一实验现象是否违反热力学第二定律?为什么?