工程传热学-第五章 热力学第二定律

第五章热力学第二定律概述

A、B两物体接触，TA>TB

根据热力学第一定律-QA=QB

描述为A放出热量给B；但-QB=QA也成立，而表示B放出热量给A。

热力学第二定律的任务：指明热力过程的方向、条件和限度，提高热能利用率。5—1热力循环和致冷循环

机械能或电能被物体所吸收而转换为其内能即热能总是无条件地自发实现的。

由热能转变为机械能或电能却未见有自发实现。同样、热能本身的传送，只见热由高温物体向低温物体自发地传递，反之由低温物体向高温物体传热却从未见有自发地实现。

长期的实践证明：企图不向温度较低的环境放热而把高温燃气放出的热量连续地全转换为机械能是不可能的。通过对这大量事实的研究，人们发现了热力学第二定律，它与第一定律一道，分别从质与量去说明热能在机械能的转换中的关系。热力循环，正循环由T-s图也可看到，为使工质完成热力循环，在进行吸热过程后，还必须有放热过程才能使工质回到初始状态。这就说明通过热力循环实现热能转换为机械能时，总要有一部分热量从高温热源传向低温热源。

为了评价热机循环中热能转换为机械能的有效程度，通常采用循环热效率作为评价指标，其定义式为：其值越大，则热机循环的工作越有效，但其值不可能达到100％。致冷循环、逆（反）循环为了评价致冷循环工作的有效程度通常采用致冷系数，也称致冷机性能系数作为评价指标，其定义式为：其值越大，致冷循环的工作越有效，但因为耗功不能为零，故致冷系数的值不可能为无限大。热泵：通过逆循环使高温热源得到热量。供热系数：其值越大，热泵循环的工作越有效5—2热力学第二定律的表述通过长期的实践所积累的无数经验，人们对于能量转换的条件及方向有了比较深刻的认识，于是在此基础上总结得到了热力学第二定律。

热力学第二定律主要从能量的质量（品位）上对热能的利用进行分析。

热力学第二定律的表述：

1、开尔文－普朗克说法：不能建造一种循环工作的热机，其作用只是从单一热源取热并全部转变为功。

2、克劳修斯说法：不可能使热量从低温物体传向高温物体，而不引起其它的变化。这两种主要的说法，一个是从热→机械能的角度讲的，一个是热→热传递讲的，但可以证明这两种说法是等效的。第二定律的表述方法很多，其内容实质上都是指出了热过程进行的方向性和条件，以及说明了实际热过程的不可逆性。热力学第二定律也可表述为：“第二类永动机是不可能制成的”。热力学第二定律常可表述为：“热机的热效率不可能达到100%”。如果把自发地实现的过程称为自发过程，而把其逆向过程称为非自发过程，则经验表明，非自发过程不能自发地实现，自发过程所产生的效果是无法消除的，或者说是不可复逆的。因此，热力学第二定律可概括为：一切自发地实现的涉及热现象的过程都是不可逆的。

热力学中把消除了一切不可逆因素的具有可逆性的过程称为可逆过程，并定义：如果进行一个热力过程后，有可能沿原过程逆向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何变化，则称这样的热力过程为可逆过程。

功耗散现象都要消耗掉一定的功而使过程中输出的功减少；又如气体自发的膨胀时气体所作的功总是小于可逆膨胀时气体所作的功。

高温向低温传热（温差传热）在不可逆过程中，由于各种不可逆因素造成的作功能力的损失，系统所作的功必然比相应的可逆过程所作的功有所减少。通常把不可逆过程和相应的可逆过程两者的功的比值作为衡量不可逆过程中能量转换完善程度的指标。涡轮机绝热效率压气机绝热效率5—3

卡诺循环上式说明：

(1)卡诺循环的热效率仅决定于高温热源及低温热源的温度，和工质性质无关。

(2)提高高温热源的温度及降低低温热源的温度可以提高卡诺循环的热效率；

(3)由于高温热源的温度不可能为无限大，低温热源的温度不可能为零，所以卡诺循环的热效率不可能达到100％。(4)当高温热源的温度与低温热源的温度相等热机效率等于零。意味着利用单一热源吸热而循环作功是不可能的。等效卡诺循环5—4

卡诺定理

定理：在两个给定恒温热源间工作的所有热机，不可能具有比可逆热机更高的热效率。推论：1)在两个给定恒温热源间工作的所有可逆热机效率相同。

2)在两个给定恒温热源间工作的不可逆热机效率必小于可逆热机的效率。这就是说，在两个给定恒温热源间，可逆热机的效率为最高，且与工质性质无关。5-5

克劳修斯不等式两热源循环：多热源循环：实际上这个关系式就是卡诺定理用于任意多热源循环时的数学表示式。作业5-55-105-135-6

状态参数熵及孤立系统熵增原理一、熵的定义与计算可逆过程中：计算：热力过程恒温热源相变二、不可逆过程中的熵产1、不可逆的温差传热即不可逆的温差传热过程中产生了熵，通常把产生的熵dSg称为熵产量。2、在过程中存在摩擦、扰动等功耗散现象设闭口系统的不可逆过程已知δQ、dU、dV、。在初、终状态间假设一个可逆过程，吸收热量为对于不可逆过程：式中pdV-δW表示不可逆过程中由于不可逆因素而引起的功损失。是由于不可逆因素而引起的熵的增加，称为熵产（量），用dSg表示。是由于系统与外界由于热量传递而引起的熵的变化，称为熵流（量），用dSf表示通过上述分析，可以说明，不可逆过程中系统的熵变化等于熵流量和熵产量的代数和。

熵流量和热量具有相同的符号，加热时熵流量为正，放热时熵流量为负。熵产量则不同，它永远为正，并随着不可逆程度的增加而增大。

可逆与不可逆绝热过程的图示热力学第二定律数学表示式：孤立系统熵增原理，并可表示为：根据孤立系统熵增原理，就可以判断任意复杂过程是否可能实现，而不必涉及该过程所经历的各个具体细节。凡是符合熵增原理的过程就可能实现，反之，两者熵的总和减小的过程是不可能实现的。5—8热能的可用性按照转变为功的可能性，可以把能量分为可用能和不可用能。可用能：就是可以连续地全部转变为功的能量。不可用能：不可能转变为功的能量。

热量中的可用能即转变为功的能力可表示为：热量的不可用能δQu可表示为:热量中总是包括可用能和不可用能两部分，在一定的环境温度下，提供该热量的热源温度越高，则热量中可用能越多而不可用能越少。使可用能转变为不可用能的过程，它们都是自发实现的过程即不可逆过程。反之，不可用能转变为可用能的过程，则是不可能自发实现的。

可以把热力学第二定律概括地表述为：一切不可逆过程中，能量转换的结果总是使可用能减