热力学第二定律的应用.doc

热力学第二定律的文字表述及相关应用

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摘要：热力学第二定律是用来判断过程的方向和限度的，在教学中主要介绍Clausius不等式的应用.对第二定律文字表述的应用涉及很少。文章主要介绍了热力学第二定律文字表述的应用和引出墒函数概念的必要性。
关键字：热力学第二定律;文字表述;应用;讨论
引言：热力学第二定律是用来判断过程的方向和限度的。在现行的物理化学教材中，热力学第二定律的应用主要局限于墒判据的应用，很少有介绍热力学第二定律文字表述的应用方面的问题，本文力图从热力学第二定律文字表述的应用加以讨论，进而说明引人嫡函数的必要性。
1热力学第二定律的文字表述
1. 1 Clausius表述:不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它任何变化;
1. 2 Kdvin表述:不可能从单一热源取出热使之完全变为功而不发生任何其它变化;
Kelvin表述也可表述为:第二类永动机是不可能造成的.
1.3热力学第二定律的其它表述
(l)功可自发地全部变为热，但热不可能全部转变为功而不引起任何其它变化;
(2)一切自发过程都是热力学不可逆的;
(3)一切实际过程都是热力学不可逆的;
(4)孤立体系发生的实际过程一定是自发的;
(5)孤立体系所发生的任意过程总是向着体系嫡值增加的方向进行一嫡增加原理。
2 热力学第二定律文字表述的应用
2.1 热力学第二定律的各种表述都是等效的
热力学第二定律的各种表述都是等效的，一旦违背了其中一种表述，也必然同时违背另外几种表述。
假设违背了Clausius表述:热可以从低温物体传到高温物体而不引起任何其它变化.即
Q，的热能从低热源自动地传到高温热源几(图1).

用一热机A在T2和T1间工作，使之从T2取出Q2的热，将Q1的热传给T1，对外做功W，并且有Q1的热从T1自动传给T2循环终了的净结果;热机从T2吸取- 的热，对外净做功= - ，热全部变为功而没有其它变化，这是第二类永动机，是不可能造成的.所以违背Clausius表述也必然违背Kelvin表述。
设有一部违背Kelvin表述的热机A(图2)

它从温度为毛的高温热源吸热Q2，全部用来做功，w=Q2，用热机A去带动致冷机B工作，致冷机得到W的功从温度为T1的低温热源吸热Q1，并将+ 的热传给高温热源T2。于是，热机A和致冷机B联合工作的净结果，除了将Q1的热从低温热源T1传到高温热源T2外，再不产生其它变化，显然，这违背了Clausius的表述。
2.2 判断过程的方向
热力学第二定律是用来判断过程的方向和限度的.教材上所讲授的都是用嫡判据来判断过程的方向和限度，实际上热力学第二定律的文字表述也可用来判断过程的方向.其具体方法如下:
对系统状态发生的变化A、B，设法使系统和环境复原，若存在热必须全部变为功的过程(实际上不能)则从A一B这一过程为不违背热力学第二定律的能进行的不可逆过程;若出现了热全部变为功(违反热力学第二定律)则从A一B为实际不能进行的过程(逆向可进行);若不存在热功转换的问题，则从A、B为可逆过程.
例1
lmol理想气体，5p* 1mol理想气体，5P*
正向过程:dT=0，△U=O，Q=W;
逆向过程:dT=O，△U=0，=W1
结果:系统复原时，环境净做功-净得热- ,想使环境复原，必须使- =-转变为功(实际上是不可能的)
结论:正向过程为实际能进行的不可逆过程.
例2
1mol理想气体，p*1mol理想气体，5p*
正向过程:假定lmol理想气体在P’下能等温自动压缩为SPe，dT=0，△U=0,Q=0,W=0;
逆向过程:dT=0,U=O.Q=W
结果:经过一个循环，系统净吸热，失功!WI，且=，系统吸收的热已全部转变为功而没有其它变化(违反热力学第二定律).
结论:正向过程实际上不能按指定方向自动进行.
例3
lmol理想气体,5 p * 1mol理想气体，p*
正向过程:dT=0，△U=，Q=W=nRln
逆向过程: dT=0，△U=0, =W1=nRTln
结果:系统复原的同时，环境得功，失功，且=，;环境失热，得热1且=
结论:不存在热功转换问题，为可逆过程.
3结论
从以上讨论可知，热力学第二定律是用来判断过程的方向和限度的.但用热力学第二定律的文字表述来判断过程的方向的方法太抽象了，而且往往需要繁杂的手续和特殊的技巧，这种方法也不能明确地告诉我们过程进行到什么程度为止，即不能指出过程的限度.有签于此，促使人们从热功转换的方向和限度寻找一个新的状态函数，用这个状态函数的改变量来判断过程的方向和限度，而这个新的状态函数就是嫡函数.定义嫡函数后，热力学第二定律就可用Clausiu，不等式来表示，即用Clausius不等式判断过程的方向和限度简单明了，在此不再多述
2热力学第二定律在能源管理中的应用
1问题的提出
如将1kg 20℃的水与1kg 80℃的热水混合，很容易得到2kg 50℃的水(热量损失忽略不计)。可是，如果不外加任何能量，只用2kg 50℃的水，要想得到1kg 80℃的水是不可能的，也就是说，逆过程是不成立的。由此我们自然会想到，不同温度的水在混合时，一定是失掉了某种什么东西，这种东西就称之为“熵”，或称作有用能。
我们在计算产品能源单耗时会遇到不同压力、不同温度的燕汽热量计算的问题。现在一般是查饱和蒸汽表，查出对应压力或温度的初值，然后把它们相加，即得出产品的蒸汽单耗（kJ/kg)。问题在于，不同压力、不同温度的蒸汽的质是不同的，它们的热量相加是不适合的。解决的办法是按热力学第二定律，求个条件蒸汽的熵值，然后熵值再相加，比较合理。随着能源管理的深人，热力学第二定律的应用将逐步被重视起来。
2熵的应用
运用热力学第二定律，用拥的概念分析企业的用能状况，是近年来的能源管理中的新事物。熵分析一方面与经济学相结合，另一方面与化学动力结合，成为企业管理中有力的科学方法，使节能技术得到实质性的深人和发展。运用这种方法使节能不再停留在现有消除跑冒滴漏、改进操作与热量回收等方面，进而涉及工艺、设备改造及设计等方面的改进，最终求得少投人多产，提高效率和经济效益。
熵又称作有效能或有用能，它是指在周围环境条件下任一形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量。能量中不能转变为有用功的那部分能量称为无效能。任何一种形式的能量都可着成由有用能和无效能组成，即能量=
烟表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度。因此，可以用规来评价能量的质量或级位(能级)。
通常将环境状态作为烟的基准状态。其一般表达式为:
(l)
式中:、一状态i和0的始值
、S。一状态i和0的摘值
T。一基准温度，K
3 各种能量的烟值·
（1） 燃料燃烧产生的熵值为：

式中：—燃料的应用基低位热值，kJ/kg
T—燃烧温度，K
(2) 饱和水蒸汽、过热蒸汽、饱和水的姗值可按(l)式计算或查手册得到。
表1为环境温度T。=293K时几种不同温度饱和燕汽的焓值、熵值、规值的关系，从表可以看出，在40~16OC的沮度范围内，焙值变化仅7％，而规值却相差4.9倍。
(3) 电能
电能可完全转变为功，每千瓦时电能的规值为3600kJ。
(4) 机械能
机械能包括一个运动系统所具有的宏观动能和位能，理论上它们能够全部转变为有用功，所以动能和位能的能量值即为其拥值。
(5) 低温冷媒(如冷却水)
对于低温冷却介质，其炳值为:

这里Q为负值(吸热)，T<T。，故E为正值，且冷却介质的温度愈低其烟值愈大。
4 烟效率
用热力学第一定律求出的是热效率。在这里，我们用热力学第二律，将系统进行过程中被利用的炯E:与所消耗的烟E:之比称为该系统的烟效率:
,
任何系统或过程的烟效率不可能大于1，对于理想的可逆过程，由于炯损失为零，规效率可等于1。
凡有温度压力变化、相变、速度变化、混合与分离、化学反应、换热、摩擦、节流等均伴随拥的变化。能量经过使用后，往往使能级降低，即烟转化为妩。
五 总结
总括起来，将规分析与熔分析即热平衡对比，具有以下优点:
(l)规分析对能量作了质的分析，以12OC蒸汽为例，其中规即可用能只占22%(T。=293K时)。因此，对相同千焦数值的热量、电、机械能不应等量齐观。
(2)热平衡只计及能量排到环境的损失，未反映出过程的内部损失(不可逆损失)。
(3)热平衡中总是焙值愈大使用价值愈大。而实际生产中遇有用低温水冷却问题，温度比环境愈低使用价值愈大的情况。用熔值分析较难解释，现在用规分析顺利解决。
(4)炯分析中切效率总不会大于1，而用热平衡计算热效率时，如多效蒸发会遇到热效率大于1的情况。
仅用热量计算，在全国性比较产品能耗时会遇到北方采暖能耗大而南方夏季制冷耗能高的地区性差异问题。当采用烟分析时，基准温度(T。)随地区很度而异，可能会缩小此差距。
以上这些均使得拥分析将在能源管理中发挥前所未有的作用。
3 结语
本文综合分析了热力学第二定律的文字表述及其熵函数的定义，运用熵函数简单明了的理解热力学第二定律的判据依据。并强调在节能工作中利用第二定律分析问题的重要性，总述并分析了第二定律效率的定义及其物理意义，指出热力学第二定律效率实鬓上类拟于对效率的概念，是衡量热力系扰可逆度的一个重要参数。
·参考文献
1 刘俊吉，周亚平，李松林，物理化学(第五版)(上)〔M].北京:高等教育出版社，2009年5月第五版
2 March，中国科学技术大学学报，1981年3月第11卷 第一期
3 葛新石，王义方，中国科学技术大学学报，1981年3月第11卷 第一期