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Introduction to Chemical Engineering
Thermodynamics
Chapter 5The second law of thermodynamics
Smith
2Chapter 5.
The second law of thermodynamics
功與熱的品質 兩種能量傳遞的行為與特
性 功與熱的差異提供熱力學
第二定律的架構
熱力學第二定律的陳述( 文字陳述 )
將得到的熱完全轉變為功，嘿！嘿！嘿！
將熱由低溫傳送到高溫，嗯！
3Chapter 5.
The second law of thermodynamics
一循環程序不可能將系統所吸收到的熱轉變為功
熱機 蒸氣動力廠的運作流
程示意圖 熱機熱功交換示意圖
熱機效率的極限
4Chapter 5.
The second law of thermodynamics
卡諾循環 卡諾以四個可逆程序來討
論建立熱機的操作
卡諾理論 卡諾對一個熱機效率的
陳述 一個熱機操作之最佳效
率極限
5Chapter 5.
The second law of thermodynamics
卡諾理論的驗證
一熱機高溫吸熱低溫放熱，一能量守恒，可以輸出功
以卡諾冷凍機並聯運作，來討論證明與說明熱機效率的關係
當一熱機效率高於卡諾程序
由冷槽取熱的量
6Chapter 5.
The second law of thermodynamics
釋放熱到熱槽的量
結論違反熱力學第二定律的陳述
熱機效率與工作流體的關係陳述
一循環程序，工作流體為吸放熱與輸出功的媒介
7Chapter 5.
The second law of thermodynamics
溫度標 攝氏溫度標 理想氣體溫度標 熱力學溫度標
熱力學溫度標建立的架構
8Chapter 5.
The second law of thermodynamics
熱機效率溫度標之關係式
溫度函數 溫度函數 f 溫度函數
溫度函數 的特性 與冷熱源儲槽溫度無關 不相依於工作流體的性
質
9Chapter 5.
The second law of thermodynamics
如果用凱式溫標那麼 溫度函數的數學式是如何呢 ？
以理想氣體為工作流體，卡諾循環操作的四個程序如右圖之分析
等溫程序之熱傳導量與系統體積之關係式
10Chapter 5.
The second law of thermodynamics
吸與放之熱傳導量與系統體積的關係式
絕熱程序之系統溫度與系統體積的關係式
演算消去系統體積，以觀察吸與放之熱傳導量與系統溫度之關係式
結論好簡單的溫度函數關係
11Chapter 5.
The second law of thermodynamics
熱機效率用溫度表示
一個新函數 熵的定義 可諾熱機程序下之熱溫比
值關係式 任一循環程序可用無數個
卡諾熱機來構成
整個循環程序之熱溫比值的總合為 0
12Chapter 5.
The second law of thermodynamics
熱溫比值應該可以是一個狀態性質
將之定義為熵 Entropy
由於熱機的操作引導了古典熵變數的定義
13Chapter 5.
The second law of thermodynamics
理想氣體的熵變化的計算 自變數為溫度與體積時
分別以恆容程序與恆溫程序計算
自變數為壓力與溫度時 分別以恆壓程序與恆溫
程序計算
14Chapter 5.
The second law of thermodynamics
將溫度效應的積分部分寫成電腦副程式
用積分推導計算副程式的運算式
用平均熱容量的觀念推導計算副程式的運算式
總熵計算除了溫度效應還有壓力 ( 體積 ) 效應的計算
15Chapter 5.
The second law of thermodynamics
熱力學第二定律的陳述 熱量由高溫體流向低溫體
為一自發程序 程序之總熵變化值必然大
於或等於 0
證明 思考一個不可逆絕熱膨
脹程序 以一個可逆程序經兩個
步驟回到出發點
16Chapter 5.
The second law of thermodynamics
可逆程序之熵變化如第 5 行表示式
循環程序內能不變化作能量平衡式得功與熱傳量之關係
如果為可逆吸熱由第 10 行知道所吸收的熱量會完全轉變為功
如果為可逆放熱由第 10 行知道所有的功會完全轉變為熱
17Chapter 5.
The second law of thermodynamics
熱力學第二定律知數學描述式
熱機的角色與功能
18Chapter 5.
The second law of thermodynamics
開放系統之熵平衡
系統累積量 流體帶進出系統之部分 熱傳導之部分 程序不可逆
19Chapter 5.
The second law of thermodynamics
將熱傳導貢獻的部分之熱溫比值的溫度用外界溫度表示
因測量表面溫度不易
20Chapter 5.
The second law of thermodynamics
穩態流動程序 微分式 積分式
理想功的計算
功的極限值可逆程序
21Chapter 5.
The second law of thermodynamics
以熵平衡是推算熱交換量 對一穩態可逆程序之熱
交換量
以能量平衡式計算功 穩態流動程序的能量守
恆式
理想功的計算式
進出口各有一個流束之功的計算式
22Chapter 5.
The second law of thermodynamics
單位質量為基準之功的計算式
一程序之熱力學效率 對系統輸入功 系統輸出功
23Chapter 5.
The second law of thermodynamics
流失的功以理想功為基準計算程序流失的功
理想功可逆程序所相關的功
24Chapter 5.
The second law of thermodynamics
程序之不可逆所造成熵產生量即為流失的功
熱力學第三定律絕對熵值的定義
絕對熵值的狀態條件基準點
古典熱力學計算熵值的計算式
25Chapter 5.
The second law of thermodynamics
微觀觀點 熵的觀念
巨觀的體積膨脹之熵變化
利用系統體積計算 利用系統壓力計算
26Chapter 5.
The second law of thermodynamics
微觀的思考 排列狀態數 熵的定義
熵變化的計算
27Chapter 5.
The second law of thermodynamics
果然與巨觀分析計算結果相同
28Chapter 5.
The second law of thermodynamics
劇情如何發展？敬請期待！