工程热力学热力学第二定律

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第四章热力学第二定律第一篇工程热力学

1遵循热力学第一定律的过程是否一定都能够发生呢？第二类永动机：从单一热源吸热并连续不断地全部转变为功的机器。无数实践证明，第二类永动机是不可能制造成功的。热力学第二定律的任务：揭示热力过程进行的方向性、条件和限度等问题。2

24-1热力循环热力循环的定义：工质从某一状态出发，经过一系列的状态变化后又回到初态的热力过程。（在参数坐标图上可用闭合曲线表示热力循环）循环分类：（2）按循环产生的效果分正向循环：实现热能转换为机械能的循环，如电厂的蒸汽动力循环等。逆向循环：消耗机械能转换为热能的循环，如制冷循环等。（1）按循环的组成过程特点分可逆循环：如果组成循环的全部热力过程都是可逆过程。不可逆循环：如果组成循环的热力过程包含有不可逆过程。3

3一、正向循环1.正向循环概念：正向循环的效果是将热能转变为机械能，也称为热机循环或动力循环。循环净功：W0=W1a2-W2b1>0=在P-V图中面积1a2341-面积2b1432pv021T034ab2134a′b′sW0Q0循环净热量：Q0=Q1-Q2>0=在T-S图中面积1a’2341-面积2b’1432对循环1a2b1，由热力学第一定律可得：Q0=Q1-Q2=W04

42.循环热效率：正向循环中热能转变为机械能的有效程度，用ηt表示。（经济性指标）热机循环5

5二、逆向循环逆向循环的效果不是产生功而是消耗外界的功，将热量由低温物体传向高温物体。v0234dcp16

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7制冷机制冷系数：供热系数：热泵W0W08

84-2热力学第二定律一、自然过程的方向性1.自发过程：不需任何外界作用而可以自动进行的过程。2.非自发过程：没有外界作用的情况下不能自动进行的过程。热量由高温物体传向低温物体摩擦生热（功→热）水自动地由高处流向低处电流自动地由高电势流向低电势9

9功量摩擦生热热量100%热量火电厂功量40%放热结论：①自然界的一切过程总是朝着一个方向自发进行而不能自发地反向进行。这就是过程的方向性。②非自发过程可以进行，但其发生必须以一定的补偿条件作为代价。以热功转换为例：10

10二、热力学第二定律的实质及表述2.表述：“热二律”有各种各样的说法，最常见的两种是：1）克劳修斯说法（1850）：不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其它任何变化。（从热量传递的角度来描述的）2）开尔文说法（1851）：不可能从单一热源吸热，并使之全部变为有用功，而不引起其它任何变化。（从热功转换的角度来描述的）1.实质：阐明与热现象有关的各种过程所进行的方向性、条件及限度等问题，其中方向性是根本内容。11

11三、热过程的方向性和能量品质的变化能量不仅有数量特性，也有质量特性；不同形式的能量具有不同的品位。能量的品位：反映能量的转换能力大小。高品位能机械能电能高温热能低品位能热能热能低温热能自发进行非自发12

12热力学第二定律的工程指导意义：1、电能生产要遵守热力学第二定律。锅炉、汽轮机、凝汽器缺一不可，是条件。2、能量有质的好坏，即品位的高低。如：（1）机械能和电能可自发地全部转化为其它形式的能量（如热能），为高品位能；（2）热能不能连续地全部转化为机械能，为低品位能。3、热力学第二定律是指导合理用能的重要理论。13

13S.卡诺NicolasLeonardSadiCarnot（1796-1832）法国卡诺循环和卡诺定理，热二律奠基人14

144-3卡诺循环与卡诺定理一、卡诺循环及其热效率1.卡诺循环组成：工作于两个热源间的，由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的理想可逆循环。1-2：定温吸热过程，q1=T1(s2-s1)2-3：定熵膨胀过程，对外作功3-4：定温放热过程，q2=T2(s2-s1)4-1：定熵压缩过程，消耗外功T1—工质的吸热温度（即热源温度）T2—工质的放热温度（即冷源温度）15

152.卡诺循环的热效率：T1T2Rcq1q2w0（1）t,c只取决于恒温热源T1和T2，而与工质的性质无关；（2）↑T1，↑t,c；↓T2，↑t,c；即温差越大，t,c越高；（热变功方向）（3）T1≠，T2≠0K,t,c<100%，因为存在Q2；（热变功限度）（4）T1=T2时，t,c=0，即单热源的热机不能作功。（热变功条件）分析：16

16二、卡诺定理定理一：在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热机，都具有相同的热效率，且与工质性质无关。推论：多热源间工作的一切可逆热机，其热效率都低于相同温限间工作的卡诺热机的热效率。定理二：在两个温度不同的恒温热源之间工作的一切可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。17

17多热源的可逆循环任意循环1-2-3-4-1→等效卡诺循环a-b-c-d-a平均吸热温度：任意循环的等效卡诺循环热效率：平均放热温度：18

18卡诺定理的意义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，是研究热机性能不可缺少的准绳，对热力学第二定律的建立具有重大意义。火力发电：t1=600℃，t2=25℃t,c=65.9%实际t=45%左右在给定的温度范围内工作的一切热机，t,c最高热机极限对于实际的热机循环，在可能的条件下，尽量提高工质的平均吸热温度、降低工质的平均放热温度，减少循环中的不可逆能量损耗，是提高循环热效率的根本途径。19

19例题分析例4-3有人设计了一种功率为735kW的新型柴油机，预计该机热力循环的最高温度为1800K，最低温度为300K，每小时消耗柴油73kg，柴油的发热值为42705kJ/kg。试判断此设计指标能否实现？解：根据题意，此热机热效率的设计值为：在相同温度范围内：因ηt>ηt,c，故此设计指标不能实现。20

20热能转换为机械能的最大能力为多大？受什么限制？热量中的可用能和不可用能在两热源间工作的热机，其循环热效率的最大值等于卡诺循环的热效率。在一定的环境中，低温热源可达到的最低温度为环境温度T0，因此当供热热源温度为T1，从该热源吸热的热机循环的最高热效率为：当吸热量为Q时，通过热机循环而转换为功的最大限额，即热量转变为功的能力为：4-4热量的做功能力（热能的可用性）21

21按照转变为功的可能性，可以把能分为可用能和不可用能。所谓可用能，就是可以连续地全部转变为功的能；反之，不可能转变为功的能就是不可用能。电能、机械能——可用能；大气、海洋等环境物体的热力学能——不可用能。热能不可用能可用能即热量可分为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，则热量中的可用能就越多，而不可用能就越少。4-4热量的做功能力（热能的可用性）22

22能量贬值现象当系统内发生一不可逆过程时，尽管能量遵循热力学第一定律在数量上并没有损失（如在摩擦过程中使功变为热，摩擦产生的热仍留在系统内并未消失；又如热从高温物体传向低温物体，热量在数量上并未消失），但造成了功的耗散和热能的质量贬值。能量的贬值——能量在数量上并没有变化，而做功的可能性减少的现象。（即做功能力的损失）试从能量的数量和质量出发，分析火电厂的热能利用情况。23

23本章小结热力循环的概念及热机循环的热效率计算热力学第二定律的实质及文字表述卡诺循环的组成及热效率计算，卡诺定理的结论及应用24

24课堂作业教材P63.习题2-1(1)、(2)2-9、2-1125