2_4. 能量转化

2.3. 能量转化 之 热力学第二定律

• 转化示意图

  
  
  

  2_2_热力学第二定律.png
• 参数
  * Q: 热能
  * P: 做功

  • 可逆循环中

  • 焓Enthalphy

    • 在空气中假想一个空间,将一团气体物质穿过这个假想空间的边界进入它的内部.假设这个过程气体的势能不变,并且忽略它的动能,那么这团气体带入假想空间的能量不仅仅是气体进入前自身的内能U,还有外界把气体压入假想空间做的功,也就是pV
    • 所以定义焓H=U+pV
    • 其物理意义就是进入到假想空间的气体真正带入假想空间的能量.焓可以理解为系统所“含有”的能量.

  • 自由能 Free energy

    • 分为两种
      • Helmholtz自由能 与 吉布斯自由能
    • Helmholtz自由能
      • 总公式
      • 根据热力学第二定律
      • 根据热力学第一定律
      • 计算: 对外做功
        • • 因为T是常量
      • 总Helmholtz自由能公式
        • 内能 减去 温度熵的积
    • 吉布斯自由能
      • 吉布斯自由能定义
        • Helmholtz自由能减去做功, 或者 焓 减 TS
      • 解决问题
        • 孤立绝热系统在现实中很少存在
        • 模拟出一个无限大的孤立绝热体系, 与我们要分析的体积相互连接
          • 则熵增为

2.4.1. 闭合系统

• 推导起源 - 闭合系统能量守恒

  • 因为要做功, 所以入能大于出能
  • 热力学第二定律: 闭合系统熵增
  • 通过 熵的可加性 推出
  • Satz von Gibbs
    • • dq: 吸收热量
      • dj: 热的消散Dissipation, 比如摩擦做功,
    • 我们可以忽略Disspation 项 (假设热传递为isotherm等温, 所以无Dissipation)
  • 带入总系统熵, 转化为吸热/温度形式, 熵增大于0
    • 因为要做功, 所以入能吸能必定大于排出能量
    • 所以 必定 小于

• 能量转化的系统效率 Wirkungsgrad Energiewandlungsmaschine

  • 系统能量的最大效率: Carnot-Wirkungsgrad
    • zu, ab温度一定, 进口热流一定时候, 总系统熵变决定了整个系统的效率
    • 总熵变为0时, 整个转换效率最大化

• 总结: 理想能量转化过程

  • 1. 入能大于出能
  • 2. 必须有热流被排出, 入能无法全部被利用
  • 3. 必须有高温源和 低温源
  • 4. 忽略熵损, 总系统熵变为0, Dissipation 为0
  • 5. 理想卡诺效率
  • 6. 最大理论效率为1