卡諾循環.PPT

* 熱力學第二定律：克勞休斯解說 ?克勞休斯解說(Clausius statement)表示如下： 不可能建構一個裝置，其以循環運轉除了將熱從較低溫物體傳至較高溫物體外，沒有其它的效應產生。 ?熱不能自行從冷媒質傳至暖媒質，為普通的常識。 ?克勞休斯解說並非意指不能建構一循環裝置將熱從冷媒質傳至暖媒質。第二定律的克勞休斯解說謂，沒有裝置可從較冷的物體將熱傳至較暖的物體而不在外界留下效應。 ? 凱爾文–普蘭克 與 克勞休斯 解說都是負向敘述, 無法以有限次數的實驗予以證明 (但可以用有限次實驗反駁); ?其充分的證據為：目前仍未出現違反第二定律的實驗結果。 * * 熱力溫標 ?與用以量測溫度所使用之物質的性質無關的溫標稱為熱力溫標 (thermodynamic temperature scale)。 ?凱氐溫標 (Kelvin scale)中, 溫度比等於可逆熱機中高、低溫熱貯器之間的熱傳量比: 其中TH與TL分別為高溫與低溫貯器的絕對溫度。 ?在1954年的國際重量與量測研討會中, 水的三相點被指定為273.16 K, 而1 K的溫度差為 絶對零度 與 水的三相點 之間的1/273.16;因此, oC與K溫度差相同, 且T(oC) = T(K) – 273.15。 * 卡諾熱機效率 ?以可逆卡諾循環運轉的熱機稱為卡諾熱機。卡諾熱機及所有其它的可逆熱機之熱效率, 可以用絶對溫度表示為: 此為運轉於溫度TH與TL的兩個貯器間之熱機可有的最高效率, 稱為卡諾效率(Carnot efficiency) ?運轉於相同溫度極限之間的實際(不可逆)熱機, 其熱效率必然小於卡諾效率 圖 5-53 運轉於相同的高與低溫貯器間, 沒有熱機會比可逆的熱機更有效率 可逆熱機 不可逆熱機 不可能的熱機 * 熱力學第二定律與卡諾熱機 任何循環過程可以拆成多條卡諾循環(可逆熱機) 進行循環時系統作功等於圍出之面積 而根據卡諾循環△Ssys=0，使得循環的dS= δq可逆/T 可逆熱機做功w時熱量q2由室溫T2的高溫體吸出，且熱量q1被排至溫度T1的低溫體 高溫體的熵減少量(q2/T)等於低溫體的增加量(q1/T) 因此△Ssys=0-----可逆過程 * 熱力學第二定律 熱力學第二定律敘述如下 熵(entropy)定義為dS= δq可逆/T，是一個狀態函數 系統的熵在一絕熱的系統內永不減少 在不可逆的過程中則會增加 可逆過程時保持定值 ΔS ≧0 不可逆過程必定產生熵 * 理想與真實熱機的對照 以冷凍機或熱泵操作之卡諾循環，其性能係數可表示如下 第一個等號係利用能量方程式得出之定義，因此永遠成立。第二個等號，則僅當循環為可逆時，即為卡諾循環時才成立。任何實際熱機、冷凍機、或熱泵，其效率均較低，使得 * 關鍵概念與公式 熱機 熱泵 冷凍機 使過程不可逆之因素 摩擦、無限制膨脹（W = 0）、因ΔT 導致之 Q、混合、電流流經電阻器、燃燒、或閥流（節流） 卡諾循環 1－2 在 TH 等溫吸熱 QH 2－3 絕熱膨脹過程，T 下降 3－4 在 TL 等溫排放熱 QL 4－1 絕熱壓縮過程，T 上升 * 關鍵概念與公式 定理 I η任意≦η可逆 相同 TH, TL 定理 II η卡諾 1 =η卡諾 2 相同 TH, TL 絕對溫度 實際熱機 實際熱泵 實際冷凍機 * 可逆下等號成立 最大功(MAXIMUM WORK) 狀態A →B 第一定律 UB-UA=q-w dS系統= δ q/T + dS不可逆 (P.72~74) * δq=dU系統+ δw dS不可逆≧0 假設整個過程中溫度維持不變,則可積分後可得 因為U與S為狀態函數，所以w不能大於某w最大 w最大就是符號為等於的時候 w最大相當於最大吸收熱量q可逆 * 可逆等溫膨脹 等溫自由膨脹 不可逆性的極限 所有的功會退化成熱 狀態A到狀態B的等溫膨脹 其ΔS不可逆會在0與Rln(VB/VA)間變化 是不可逆程度而定 系統 熵與平衡 系統若未受外界干擾將維持原來狀態或是自發移至某狀態 系統若最初在平衡狀態則會維持在此平衡狀態 若系統最出在不平衡狀態則會自發的移至其平衡狀態(不可逆過程)---熵值增加 系統達到平衡狀態與熵值達到其最大值將同時發生 熵可做為系統是否達到平衡狀態的標準 * 考慮一化學反應A+B →C+D 發生在等容的絕熱容器內 以A+B開始只要系統的熵值增加，反應將由左向右進行 若以C+D開始系統的熵值增加，反應將由右向左進行 圖中的最高點為系統出現最大熵的點也正式系統的平衡狀態 當反應相任一方向進行，均會使系統的