热工基础第四章热力学第二定律

第四章热力力学第二定律律4－1自发过程的方方向性与热力学第二二定律的表述述热力学第一定定律阐明了热能和和机械能以及及其它形式的的能量在传递递和转换过程程中数量上的的守恒关系。热力学第二定定律揭示了热力过过程发生的方向、条件和限度。1.自发过程的方方向性自发过程：不需要任何外外界作用而自自动进行的过过程。12．热力学第二定定律的表述自发过程是不不可逆的。。要想使自发过过程逆向进行行，就必须付付出某种代价价，或者说给给外界留下某某种变化。随自然界中热热过程的种类类不同，热力力学第二定律律有多种表述述方式，并且且彼此是等效效的。克劳修斯表述述：不可能将热从从低温物体传传至高温物体体而不引起其其它变化。开尔文－普朗朗克表述：不可能从单一一热源取热，，并使之完全全转变为功而而不产生其它它影响。第二类永动机机是不可能制制造成功的。。24－2卡诺循环与卡卡诺定理1.热力循环热力循环：工质经过一系系列的状态变变化，重新回回复到原来状状态的全部过过程。可逆循环：全部由可逆过过程组成的循循环称为可逆循环。不可逆循环：循环中有部分分过程或全部部过程是不可可逆过程的循循环。(1)正向循环：将热能转变为为机械能的循循环，也称为动力循环或热机循环。pv3正向循环示意意图：在p-v与T-s图上，正向循循环按顺时针针方向进行。。4高温热源吸热Q1热机Wnet放热Q2低温热源经过一个正向向循环，根据热力学第第一定律，循环热效率：循环热效率t用来评价正向向循环的热经经济性。显然然，t<1。5(2)逆向循环：消耗功将热量量从低温热源源转移到高温温热源的循环环，如制冷装置循环环或热泵循环。在p-v与T-s图上，逆向循循环按逆时针针方向进行。。6高温热源放热Q1热泵Wnet吸热Q2低温热源根据热力学第第一定律，通常用工作系数评价逆向循环环的热经济性性。制冷系数：制冷装置工作作系数供热系数：热泵工作系数数72．卡诺循环卡诺循环是法法国工程师卡诺（S.Carnot）于1824年提出的一种种理想热机工工作循环，它它由两个可逆定温过程程和两个可逆绝热过程程组成。卡诺循环热效效率：8对于理想气体体：9结论：(1)卡诺循环的热热效率只取决决于高温热源源的温度与低低温热源的温温度，而与工工质的性质无无关;(2)卡诺循环的热热效率总是小小于1，不可能等于于1，因为T1→∞或T2＝0K都是不可能的的。这说明通通过热机循环环不可能将热热能全部转变变为机械能;(3)当T1=T2时，卡诺循环环的热效率等等于零，这说说明没有温差差是不可能连连续地将热能能转变为机械械能，只有一一个热源的热热机（第二类类永动机）是是不可能的。。103．卡诺定理逆向卡诺循环环：（1）卡诺制冷循循环：制冷系数：（2）卡诺热泵循循环：供热系数：定理一：在相同的高温温热源和低温温热源间工作作的一切可逆逆热机具有相相同的热效率率，与工质的的性质无关。11单一热源热机机，违背热力力学第二定律律假如t,R1t,R2R1带动R2逆向运行R1带动R2逆向运行t,R1t,R2、t,R1<t,R2不可能t,R1＝t,R212定理二：在相同高温热热源和低温热热源间工作的的任何不可逆逆热机的热效效率都小于可可逆热机的热热效率。卡诺循环环与卡诺定定理从理论论上确确定了了通过过热机机循环环实现现热能能转变变为机机械能能的条条件，，指出出了提提高热热机热热效率率的方方向。。它们们的提提出和和研究究对热热力学学的发发展，，特别别是对对热力力学第第二定定律的的建立立具有有重大大意义义。卡诺循环环与卡卡诺定定理的的理论论价值值与实实际意意义：：134-3熵1．熵的导导出比熵的定义义式比熵是是由热热力学学第二二定律律导出出的状状态参参数。。根据卡卡诺定定理，，在温温度分分别为为T1与T2的两个个恒温温热源源间工工作的的一切切可逆逆热机机的热热效率率都相相同，，与工工质的的性质质无关关。式中q1、q2均为绝绝对值值，若若取代代数值值，可可改成成14在卡诺诺循环环中，，单位位质量量工质质与热热源交交换的的热量量除以以热源源的热热力学学温度度所得得商的的代数数和等等于零零。对于任任意一一个可可逆循循环，可以用用一组组可逆逆绝热热线，，将其其分割割成无无数微微元卡卡诺循循环。。对整个个循环环积分分，则则得克劳修斯积分等式

对于每每一个个微元元卡诺诺循环环，15一定是某一参数的全微分。的积分与积分路径无关。根据状状态参参数的的特点点断定定，q/T一定是是某一一状态态参数数的全全微分分。这一状状态参参数被被称为为比熵，用s表示,即注意：由于于是可可逆过过程，，T既是工质的的温度度，也也等于于热源源的温温度。。162.克劳修修斯不不等式式与不不可逆逆过程程熵的的变化化对于质质量为为m的工质质，（1）克劳修修斯不不等式式根据卡卡诺定定理，，在相相同的的恒温温高温温热源源T1和恒温温低温温热源源T2之间工工作的的不可可逆热热机的的热效效率一一定小小于可可逆热热机的的热效效率，，即Q取代数值17一个不不可逆逆循环环可以以用无无数可可逆绝绝热线线分割割成无无数微微元循循环，，对任任意一一个不不可逆逆微元元循环环，对整个不可逆循环积分

上式称称为克劳修修斯不不等式式，适用用于任任意不不可逆逆循环环。克劳修修斯不不等式式与克劳修修斯等等式合写成成上式是是热力力学第第二定定律的的数学学表达达式之之一，，可用用于判判断一一个循循环是是否能能进行行，是是否可可逆。。18（2）不可可逆过过程熵熵的变变化对于由由不可可逆过过程1-a-2与可逆逆过程程2-b-1组成的的不可可逆循循环1a2b1，根据克劳修修斯不不等式式对于可可逆过过程2-b-1，（＝可逆；；>不可逆逆）19对于微微元过过程，，可判断断过程程能否否进行行、是是否可可逆、、不可可逆性性大小小。热力学学第二二定律律表达达式根据上上式，，可以以将熵熵的变变化分分成两两部分分：，dSf称为熵流。吸热：dSf>0；放热：dSf<0；绝热：dSf＝0；dSg称为熵产，是由于于过程程不可可逆造造成的的熵变变。过程不不可逆逆性愈愈大，，熵产产愈大大，dSg0。熵产是是过程程不可可逆性性大小小的度度量。20闭口系系统的的熵方方程注意：对于质质量为为m的工质质，（1）比熵是是状态态参数数，只只要初初、终终态相相同，，无无论论经历历什么么过程程，工工质熵熵的变变化都都相等等；（2）不可逆逆过程程熵的的变化化可以以在给给定的的初、、终态态之间间任选选一可可逆过过程进进行计计算。。（3）对于固固体或或液体体，压压缩性性很小小，dV0，c=const213．孤立系系统熵熵增原原理与与作功功能力力损失失（1）孤立立系统统熵增增原理理对于孤孤立系系统，，上式表表明：：孤立系系统的的熵只只能增增大，，或者者不变变，绝绝不能能减小小。这一一规律律称为为孤立系系统熵熵增原原理。孤立系系统熵熵增原原理说明，，一切实实际过过程都都一定定朝着着使孤孤立系系统的的熵增增大的的方向向进行行，任任何使使孤立立系统统的熵熵减小小的过过程都都是不不能发发生的的。上式揭揭示了了一切切热力力过程程进行行时所所必须须遵循循的客客观规规律，，突出出地反反映了了热力力学第第二定定律的的本质质，是是热力力学第第二定定律的的另一一种数数学表表达式式。22（2）作功功能力力的损损失作功能能力:在给定定的环环境条条件下下，系系统达达到与与环境境热力力平衡衡时可可能作作出的的最大大有用用功。。无论任任何系系统，，只要要经历历不可可逆过过程，，就将将造成成作功功能力力损失失，就就会使使包含含其在在内的的孤立立系统统的熵熵增加加。作功能能力损损失与与孤立立系统统熵增增的关关系：高温热源

TRIR环境

T0Q1Q1'Q2'Q2WRWIR由卡诺诺定理理可知知，23令

由不可可逆引引起的的功的的损失失为如果将将热源、环境、可逆热热机R、不可逆逆热机机IR及蓄功器器合起来来看作作一个个孤立系系统，则经经过一一个工工作循循环后后，此此孤立系系统的的熵增增为，又对于于可逆逆热机机，因为

24由上式可可得由此可可见，，当环环境的的热力力学温温度T0确定后后，作作功能能力的的损失失I与孤立立系统统的熵熵增Siso成正比比。上上式建建立了了作功功能力力的损损失与与孤立立系统统的熵熵增之间的的关系系。孤立系系统的的熵增增是衡衡量作作功能能力损损失的的尺度度。上式适适用于于计算算任何何不可可逆因因素引引起的的作功功能力力的损损失。。254-41．的定义义热力学学第二二定律律指出出，单单一热热源的的热机机是不不可能能的；；热机机的热热效率率永远远小于于1；任何何循环环的热热效率率都不不可能能超出出工作作在相相同温温度范范围的的卡诺诺循环环的热热效率率。热热能和和机械械能的的不等等价性性。为了综综合衡衡量能能量的的“量量”与与“质质”，，引引入一一个新新的参参数—系统在在某一一状态态所具具有的的能量量中理理论上上可以以转换换为其其它任任何形形式能能的最最大数数量称称为系系统在在该状状态的的。就是系系统的的作功能能力。262．热量在给定定的环环境条条件（（环境境温度度为T0）下，热热量中中最大大可能能转变变为有有用功功的部部分称称为热量，用Ex,Q表示。假设设有有一一温温度度为为T的热热源源（（T>T0），，传出出的的热热量量为为Q，则其其热热量量等等于于在在该该热热源源与与环环境境之之间间工工作作的的卡卡诺诺热热机机所所能能作作出出的的功功，，即即如果果热热源源温温度度随随热热量量的的传传递递而而变变化化，，可可假假想想在在热热源源与与环环境境之之间间有有无无穷穷多多个个微微卡卡诺诺循循环环，，273.稳定定流流动动工工质质的的在除除环环境境之之外外没没有有其其它它热热源源的的情情况况下下，，稳稳定定流流动动工工质质由由所所处处的的状状态态可可逆逆地地变变化化到到与与环环境境相相平平衡衡的的状状态态时时所所能能作作出出的的最最大大有有用用功功称称为为该该工工质质在在所所处处状状态态的的。进口口状状态态：：A(T、p、h、s）出口口状状态态：：A-a：可逆逆绝绝热热膨膨胀胀a-0：：可逆逆定定温温膨膨胀胀0(T0、p0、h0、s0）28工质质由由状状态态A经状状态态a变化化到到状状态态0的全全过过程程为为可可逆逆过过程程，，可可作作出出最最大大有有用用功功。。对对于于单单位位质质量量工工质质，，最最大大有有用用功功为为根据据热热力力学学第第一一定定律律，，ws,max就是是单单位位质质量量稳稳定定流流动动工工质质的的，，也也称称为为比焓焓，ex,H29单位位质质量量工工质质从从状状态态1稳定定流流动动到到状状态态2，理理论论上上所所能能作作出出的的最最大大有有用用功功等等于于两两状状态态的的比焓焓之差差如果果在在状状态态变变化化过过程程中中还还从从环环境境以以外外的的热热源源吸吸收收了了热热量量，，则则这这一一过过程程中中理理论论上上所所能能作作出出的的最最大大有有用用功功还还应应包包括括比热热量量ex,Q，即可见见，，如如果果环环境境恒恒定定不不变变，，则则稳稳定定流流动动工工质质的的比比焓焓只只与与工工质质的的热热力力状状态态有有关关。。30将上上式