热工基础第四章

第四章热力学第二定律

4－1自发过程的方向性与热力学第二定律的表述

热力学第一定律阐明了热能和机械能以及其它形式的能量在传递和转换过程中数量上的守恒关系。热力学第二定律揭示了热力过程发生的方向、条件和限度。1.自发过程的方向性

自发过程：不需要任何外界作用而自动进行的过程。

12．热力学第二定律的表述

自发过程是不可逆的。

要想使自发过程逆向进行，就必须付出某种代价，或者说给外界留下某种变化。

随自然界中热过程的种类不同，热力学第二定律有多种表述方式，并且彼此是等效的。克劳修斯表述：

不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。

开尔文－普朗克表述：

不可能从单一热源取热，并使之完全转变为功而不产生其它影响。第二类永动机是不可能制造成功的。24－2

卡诺循环与卡诺定理

1.热力循环

热力循环：工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。可逆循环：全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。不可逆循环：循环中有部分过程或全部过程是不可逆过程的循环。(1)正向循环：将热能转变为机械能的循环，也称为动力循环或热机循环。pv3正向循环示意图：在p-v与T-s图上，正向循环按顺时针方向进行。4高温热源吸热Q1热机Wnet放热Q2低温热源经过一个正向循环，根据热力学第一定律，

循环热效率：循环热效率t用来评价正向循环的热经济性。显然，t<1。5(2)逆向循环：

消耗功将热量从低温热源转移到高温热源的循环，如制冷装置循环或热泵循环。在p-v与T-s图上，逆向循环按逆时针方向进行。6高温热源放热Q1热泵Wnet吸热Q2低温热源根据热力学第一定律，

通常用工作系数评价逆向循环的热经济性。

制冷系数：制冷装置工作系数供热系数：热泵工作系数72．卡诺循环

卡诺循环是法国工程师卡诺（S.Carnot）于1824年提出的一种理想热机工作循环，它由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。

卡诺循环热效率：8结论：

(1)卡诺循环的热效率只取决于高温热源的温度与低温热源的温度，而与工质的性质无关;

(2)卡诺循环的热效率总是小于1，不可能等于1，因为T1→∞或T2＝0K都是不可能的。这说明通过热机循环不可能将热能全部转变为机械能;

(3)当T1=T2时，卡诺循环的热效率等于零，这说明没有温差是不可能连续地将热能转变为机械能，只有一个热源的热机（第二类永动机）是不可能的。93．卡诺定理

逆向卡诺循环：（1）卡诺制冷循环：制冷系数：（2）卡诺热泵循环：供热系数：定理一：在相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关。10单一热源热机，违背热力学第二定律假如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,R211定理二：

在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率都小于可逆热机的热效率。

卡诺循环与卡诺定理从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件，指出了提高热机热效率的方向。它们的提出和研究对热力学的发展，特别是对热力学第二定律的建立具有重大意义。

卡诺循环与卡诺定理的理论价值与实际意义：124-3熵1．熵的导出

比熵的定义式比熵是由热力学第二定律导出的状态参数。

根据卡诺定理，在温度分别为T1与T2的两个恒温热源间工作的一切可逆热机的热效率都相同，与工质的性质无关。式中q1、q2均为绝对值，若取代数值，可改成13在卡诺循环中，单位质量工质与热源交换的热量除以热源的热力学温度所得商的代数和等于零。

对于任意一个可逆循环，可以用一组可逆绝热线，将其分割成无数微元卡诺循环。对整个循环积分，则得

克劳修斯积分等式

对于每一个微元卡诺循环，14一定是某一参数的全微分。的积分与积分路径无关。

根据状态参数的特点断定，q/T一定是某一状态参数的全微分。这一状态参数被称为比熵，用s表示,即

注意：由于是可逆过程，T

既是工质的温度，也等于热源的温度。

152.克劳左修斯荒不等显式与杂不可阿逆过移程熵情的变辟化对于现质量洁为m的工你质，（1）克劳幻玉修斯庭不等浙式根据有卡诺宣定理腔，在搭相同该的恒荣温高徐温热昨源T1和恒议温低锡温热碌源T2之间效工作腐的不烛可逆俊热机先的热妙效率馋一定环小于淡可逆苹热机追的热聚效率躬，即Q取代数值16一个辛不可之逆循某环可葛以用拌无数索可逆鲁绝热恶线分沿割成劳无数屯微元舒循环叶，对文任意遥一个治不可讲逆微招元循网环，对整个不可逆循环积分

上式奋称为克劳讽修斯幼不等革式，适默用于景任意挽不可郊逆循树环。克劳渗修斯打不等裹式与克劳愤修斯拌等式合写办成上式爪是热午力学错第二器定律榜的数其学表顶达式丹之一传，可已用于卷判断犬一个徒循环专是否肃能进衰行，买是否盖可逆谣。17（2）不微可逆讽过程横熵的倒变化对于醒由不鞠可逆宇过程1-a-2与可衔逆过仰程2-b-1组成嘉的不垃可逆够循环1a2b1，根据克劳泥修斯练不等左式对于感可逆久过程2-b-1，（＝可逆蚀；>不可律逆）18对于卧微元谎过程绍，可判速断过面程能企否进盐行、棕是否肿可逆罢、不红可逆掀性大谷小。热力支学第材二定瘦律表法达式根据旧上式拾，可仅以将险熵的材变化鄙分成恼两部培分：，dSf称为熵流。吸热：dSf>痰0；放热：dSf<篇0；绝热：dSf＝0；dSg称为熵产，是由婶于过烧程不牲可逆掠造成出的熵顶变。过程田不可亡逆性架愈大员，熵能产愈讽大，dSg0。熵产殿是过睁程不选可逆纯性大斜小的遗度量。19闭口柄系统欠的熵淹方程注意：对于尽质量张为m的工偿质，（1）比熵额是状捐态参铅数，恶只要长初、蜘终态棍相同韵，叹无孝论经暑历什拍么过敲程，访工质滔熵的订变化乎都相夺等；（2）不可某逆过恳程熵享的变裙化可无以在个给定狸的初修、终甲态之每间任饶选一赴可逆驶过程叙进行菌计算功。（3）对于吓固体助或液误体，括压缩损性很滔小，dV鬼0，c=const203．孤立爽系统崭熵增构原理达与作百功能壁力损哲失（1）孤胁立系井统熵前增原连理对于痒孤立棒系统就，上式升表明晨：孤立姑系统催的熵辛只能吴增大魂，或绕者不太变，皱绝不均能减径小。这怪一规绵律称慈为孤立炒系统乳熵增懂原理。孤立垫系统身熵增蚕原理说明算，一切芽实际合过程航都一返定朝缠着使洞孤立娘系统辜的熵秃增大惊的方庆向进浇行，嘱任何况使孤派立系话统的誉熵减园小的命过程塞都是伟不能鸦发生植的。上式确揭示絮了一蒸切热陕力过忽程进劫行时队所必呆须遵个循的侨客观匪规律合，突鸽出地愈反映转了热志力学色第二奖定律霜的本对质，阅是热切力学衡第二肃定律简的另馒一种料数学沸表达仅式。21（2）作武功能舍力的也损失作功粮能力:在给按定的谣环境疫条件絮下，井系统哭达到鼓与环该境热柱力平愉衡时躬可能袄作出谋的最促大有持用功攀。无论理任何他系统柄，只识要经算历不淘可逆森过程任，就笨将造恩成作煤功能摊力损度失，婶就会钢使包举含其钥在内轰的孤除立系投统的尾熵增搁加。作功匹能力锡损失群与孤货立系虑统熵尾增的旧关系：高温热源

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23由上式卷可得由此诵可见悠，当块环境痒的热辜力学鹿温度T0确定源后，猪作功淹能力贸的损欺失I与孤未立系仁统的愉熵增Sis森o成正似比。样上式骂建立翠了作隔功能鞋力的性损失蓄与孤愈立系歼统的旅熵增之间序的关找系。孤立乳系统童的熵勺增是朗衡量链作功射能力祥损失省的尺驰度。上式缝适用签于计欢算任映何不配可逆辣因素篇引起皆的作庭功能线力的浇损失详。24第四路章恶小结重点趴掌握鼠以下挠内容俱：（1）热毕力学镇第二据定律朵的实秋质及杏表述愈；（2）热涨力循斩环、旺制冷搂（热圣泵）字循环织的定千义及饰循环学经济染性的已描述突方法论；（3）卡淹诺循截环的慌定义敬及循叔环经奔济性遍的描荣述方拉法；（4）卡托诺定易理的欠内容满及实途际意吵义；（5）理傅解熵稿的导各出方佳法，些掌握克劳尚修斯雨不等挣式的