83热力学第二定律 热传递方式

8.3 热力学第二定律 热传递方式一、热力学第二定律表述 1：热量只能自发的从高温物体转移至低温物体。如果想让热量由低温物体转移到高温 物体，一定会引起其他变化（需要做功）。热传递的方向性表述 2：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响机械能、内能转化的方向性（能量耗散）表述 3：有序到无序，熵增加第一类永动机：不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功 违反能量守恒定律第二类永动机： 从单一热库吸收热量，全部用于做功。 违反热力学第二定律：机械能与内能的转化具有方向性，机械能可以转化内能，但内能 却不能全部转化为机械能而不引起其它变化。二、卡诺循环 当高温热源和低温热源的温度确定之后，所有热机中，按照卡诺循环运行的热机效 率是最高的。（证明略）卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。从高温热源等温吸热Q,对外做功, 并向低温热源散热 Q2。两个绝热过程中，没有热传递，做功等于内能变化，为相反数。W = jnRAT两个等温过程中,热量交换加上做功等于0,因此V在咼温热源吸热：Q W nRT ln 21 1 1 V1V在低温热源放热：Q = W = nRT ln 42 2 2 V3利用绝热过程的状态方程：PV 二二 PV Y，即 V znRT = V znRT2 2 33 2 1 3 2PV y 二 PVy，即 V Y-inRT = VY-inRT4 41 14211有上述公式可得卡诺热机的效率，即最大效率：Q - Q T - T叶二一12 二2Q T11如果将上述过程反过来，叫做逆卡诺循环，即在外界做功W的帮助下，从低温热源吸热Q2，向高温热源散热Q。例如空调、冰箱都有这种功能。（但现实中的空调、冰箱不一 定满足逆卡诺循环的条件)。对于逆卡诺循环，常用制冷系数进行描述：Q T3 =2= 2Q - Q T - T1 2 1 2例1、有一卡诺致冷机，从温度为-10°C的冷藏室吸取热量，而向温度为20°C的物体放出热 量。设该致冷机所耗功率为15kW,问每分钟从冷藏室吸取的热量是多少？例2、一卡诺机在温度为27C和127C两个热源之间运转.(1) 若在正循环中，该机从高温热源吸热1.2x103 cal，则将向低温热源放热多少?对外作功多 少?若使该机反向运转(致冷机)，当从低温热源吸热1.2x103cal热量，则将向高温热源放热多 少?外界作功多少?例3、某空调器按可逆卡诺循环运转，其中的作功装置连续工作时所提供的功率为P0.(1) 夏天室外温度恒为儿，启动空调器连续工作，最后可将室温降至恒定的T2.室外通过热 传导在单位时间内向室内传输的热量正比于(T1-T2)(牛顿冷却定律)，比例系数A.试用T1， P0和A来表示T2.(2) 当室外温度为30C时，若这台空调器只有30%的时间处于工作状态，室温可维持在 20 C .试问室外温度最高为多少时，用此空调器仍可使室温维持在20C?(3) 冬天，可将空调器吸热、放热反向.试问室外温度最低为多少时，用此空调器可使室温 维持在 20C ?三、热传递方式1、热传导考虑长度为L，横截面积为S的柱体，两端截面处的温度为T2，且T1 > T2，则热量沿着柱体长度方向传递，在 T时间内通过横截面S所传递的热量为T - TQ = K 12 SAT/其中， K 为导热系数。2、热对流3、热辐射黑体：吸收所有的电磁辐射，无任何反射。与此同时，黑体自身也会向外辐射，单位面 积的辐射功率为：J 二b T 4式中b二5.67 x 10-8 W m2 -K4，称为斯忒藩常数。如果不是黑体，单位表面积的辐射功率J记为J = T 4式中8叫表面辐射系数，其值在0和1之间，由物体性质决定。 对于温度不变的黑体来说，存在着吸收辐射和向外辐射的平衡。例4、如图所示，两根金属棒A、B尺寸相同，A的导热系数是B的两倍，用它们来导热， 设高温端和低温端温度恒定，求将A、B并联使用与串联使用的能流之比.设棒侧面是绝热的例5、已知地球和太阳的半径分别为R = 6x106m、R2 = 7x 108m，地球与太阳的距离d =1. 5x10iim.若地球与太阳均可视为黑体，试估算太阳表面温度.例6、取一个不高的横截面积是3dm2的圆筒，筒内装水0.6kg,在阳光垂直照射下，经2min温度升高1°C,若把太阳看成黑体，已知太阳半径和地球到太阳的距离分别为R = 7x 108m和d = L5 x1011 m，并考虑到阳光传播过程中的损失，地球大气层的吸收和散射，水所能 吸收的太阳能仅是太阳辐射能的一半， 试估算太阳表面的温度。(已知 b = 5.67 x 10-8 W m2 K4)