热工及流力(蒋祖星版)第8章 热力学第二定律

1、第八章热力学第二定律第一节自然过程的方向性第二节热 力 循 环第三节热力学第二定律的表述第四节卡诺循环和卡诺定理第五节熵方程和熵增原理第一节自然过程的方向性一、温差传热过程经验指出，温度不同的两物体相互接触时，热量总是自动地由高温物体传给低温物体，这是一个自发过程。而要使热量由低温物体传给高温物体是不可能自发实现的，必须由外界消耗一定的机械功（如制冷装置必须消耗一定的电功率）才能将热量从低温物体传给高温物体，制冷装置中消耗的电功率（最终转变为热量）是热量从低温物体传向高温物体的必要条件，即补偿条件。由于温差传热过程的逆向进行必须要有一定的附加条件，即不可避免地要对外界留下影响，故自发的传热过程

2、一定是不可逆的，是有方向的。二、摩擦过程第一节自然过程的方向性图8 1所示的刚性、绝热、密闭容器中盛满了水。重物下降做功，带动搅拌器，由于摩擦而使水温升高，这一过程可无条件自发进行。但其逆过程，即让水温下降，使搅拌器反转，带动重物上升到原来的位置，却是不可能自发进行的；尽管只要水放出的热量等于重物上升时位能的增加，它就不违反热力学第一定律。若在热水与环境之间设置热机，热水放出的热量中的一部分可转变为功，而另一部分热量不可逆地传向环境，这个自发的传热过程是热变成功这个非自发过程的补偿过程。因此，摩擦过程是不可逆的。三、自由膨胀过程第一节自然过程的方向性一个绝热的刚性容器被隔板分成两部分，如图8

3、2所示。左边部分盛有一定压力的空气，右边部分为真空。若抽去隔板，则空气迅速膨胀，以极大的速度从容器左边流向右边，充满整个容器，直到容器内部压力均匀一致为止。在此膨胀过程中，虽然空气压力降低，体积增加，但由于空气流入没有压力的空间，所以也就未做任何机械功。欲使空气由容器的右边回到左边而恢复初态，不消耗外界的压缩功是不可能的，故而自由膨胀过程是不可逆的。这里消耗一定的外界压缩功（转变为气体热量）的过程就是自由膨胀过程逆向进行的补偿条件。第一节自然过程的方向性图8-1摩擦耗散第二节热 力 循 环一、热力循环的概念及分类第二节热 力 循 环在工质的热力状态变化过程中，通过工质的体积膨胀可以将热能转化为

4、机械能而做功。但是任何一个热力膨胀过程都不可能一直进行下去，而且连续不断地做功。因为工质的状态将会变化到不适宜继续膨胀做功的情况。例如，通过定温膨胀过程或绝热膨胀过程做功时，工质的压力将降低到不能做功的水平。此外，机器设备的尺寸总是有限的，也不允许工质无限制地膨胀下去。为使连续做功成为可能，工质在膨胀做功后还必须经历某些压缩过程，使它回复到原来的状态，以便重新进行膨胀做功的过程。这种使工质经历一系列的状态变化后，重新回复到原来状态的全部过程称为热力循环。在状态参数平面坐标图上，热力循环的全部过程一定构成一个闭合曲线，整个循环可看作一个闭合过程，所以也称为循环过程。第二节热 力 循 环工质完成一

5、个循环后，可以重复进行下一次循环，如此周而复始，就能连续不断地将热能转化为机械能。工质在完成一个循环之后，状态又回到了原来的状态，所有状态参数的变化量为零，这是热力循环的基本特征之一。二、正向循环及其循环热效率正向循环也称为动力循环。循环的全过程可以在一个气缸内进行，也可分别在几个设备中进行。所有的热力发动机都是按正向循环工作的。下面以1kg工质在封闭气缸内进行一个任意的正向循环为例，来说明正向循环的性质。图8 3a和图8 3b所示分别为该循环的pv图及相应的T s图。第二节热 力 循 环图8-3正向循环的p-v、T-s图第二节热 力 循 环三、逆向循环及其经济性指标如图8 4a所示，如果工质

6、沿1 2 3膨胀到状态3，然后沿较高的压缩线3 4 1压缩回状态1，这时压缩过程消耗的功大于膨胀过程做的功，完成全部循环过程消耗的净功w0必小于零。因工质状态复原，故u=0，同样由热力学第一定律解析式可得出与式（8 1）相同的关系式，即w0q1-q2，这里的q1、q2和w0都应是绝对值。第二节热 力 循 环图8-4逆向循环的p-v、T-s图第二节热 力 循 环四、可逆循环和不可逆循环全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环，它可以是正向，也可以是逆向的。经过一个正向的可逆循环和一个相应的逆向可逆循环之后，整个系统（包括工质、高温热源和低温热源)都回复到原来状态，而不留下任何改变。第三节热力学第二定

7、律的表述图8-5热力学第二定律两种叙述方式等效性证明第四节卡诺循环和卡诺定理一、卡诺循环及其热效率为寻求热机热效率的最高极限，显然所取的循环必须是可逆的，否则，就不能反映热功转换能力的极限值。换言之，两个恒温热源和循环的可逆性应是研究的前提。图8-6卡诺循环的p-v、T-s图上的表示第四节卡诺循环和卡诺定理第四节卡诺循环和卡诺定理二、逆卡诺循环卡诺循环是可逆循环，故可使循环沿相反的方向进行（见图8 7）。此时循环是逆时针方向进行的，1 2为可逆绝热膨胀过程；2 3为可逆定温吸热过程，工质从低温热源吸收热量q2；3 4为可逆绝热压缩过程；4 1为可逆定温放热过程，工质向高温热源放出热量q1。第四

8、节卡诺循环和卡诺定理图8-7卡诺逆循环的p-v和T-s图第四节卡诺循环和卡诺定理三、卡诺定理法国工程师和物理学家卡诺，早在热力学第一定律和第二定律于1850年正式建立以前，在1824年就发表了著名的“卡诺定理”。但受“热质说”的影响，他的证明方法有错误。1850年和1851年克劳修斯和开尔文先后在热力学第二定律的基础上，重新证明了“卡诺定理”。历史上，卡诺定理成为确立热力学第二定律的重要出发点，开尔文在1848年根据卡诺定理制定“热力学温标”，克劳修斯在1850年根据卡诺定理提出了“熵”。第四节卡诺循环和卡诺定理1)工作于两恒温热源之间的可逆热机，其热效率决定于高温热源及低温热源的温度，即tk

9、f(T1，T2)，且与工质的性质无关。2)tk随T1的增加和T2的降低而增大。3)热机的热效率总是小于100%，且不可能等于100%，因为T1=和T2=0都是不可能的。4)当T1=T2时，卡诺循环的热效率等于零。5)工作于两恒温热源间的一切热机，以卡诺热机的热效率为最高，即ttk。解：理想气体卡诺循环所做的功为第四节卡诺循环和卡诺定理第五节熵方程和熵增原理一、熵方程实际的热力过程都是不可逆的，都有一定的方向。热力学第二定律对热力过程进行方向的分析判断，主要是通过对熵的分析计算来实现的，这是熵的功用的一个重要方面。图8-9气体在气缸中作不可逆膨胀第五节熵方程和熵增原理第五节熵方程和熵增原理第五节

10、熵方程和熵增原理第五节熵方程和熵增原理二、熵增原理及其应用1.熵增原理第五节熵方程和熵增原理第五节熵方程和熵增原理(1)热功转化过程第五节熵方程和熵增原理(2)温差传热过程设孤立系统中有两个物体A和B，其温度各为TA和TB。2.熵增原理的应用第五节熵方程和熵增原理根据孤立系统的熵增原理，凡是使孤立系统熵减小的过程是不可能发生的。在理想的可逆情况下，也只能实现孤立系统的熵保持不变的过程，而可逆过程实际上又是不可能实现的，所以实际的热力过程总是朝着使孤立系统熵增大的方向进行。当孤立系统的熵达到最大值时，即系统相应地达到平衡状态时，过程就不再进行了。因此，孤立系统熵增原理可用来判断某些复杂的热力过程

11、和化学反应能否实现，以及作为系统达到平衡时的判断，特别是在化学热力学方面对判断化学反应的方向有着重大意义。解：将热源、冷源、工质一起作为孤立系统对待，该孤立系统的总熵变为热源、冷源和工质熵变的总和。由于经过一个循环后，工质的状态回复原态，故工质的熵变为零。对冷、热源，由于传热过程中它们的温度保持不变，所以有第五节熵方程和熵增原理1)熵是任何物质的状态参数，从一定的初态到一定的终态，熵变化与过程性质无关。2)可逆过程中ds=q/T，不可逆过程中dsq/T。第五节熵方程和熵增原理3)孤立系统的熵可以增大(发生不可逆变化时)，理想上也可以保持不变(发生可逆变化时)，但绝不能减小，这就是孤立系统的熵增

12、原理。4)孤立系统熵增原理可以判断过程进行的方向，孤立系统中的热力过程总是朝着使系统熵增大的方向进行，当熵达到最大值时，即系统达到了平衡状态，过程就不再进行了。5)为使孤立系统中的非自发过程得以进行，必须伴随着一些熵增大的自发过程一起进行，并补偿到使系统的总熵增大。6)孤立系统的熵增大，表示系统内发生了不可逆变化，即系统内发生了机械能的损失。【案例分析与知识拓展】案例1：柴油机理想循环的基本热力过程第五节熵方程和熵增原理图8-10柴油机理想循环第五节熵方程和熵增原理第五节熵方程和熵增原理1)在一定的、条件下，热效率随压缩比的提高而增大；但当压缩比过大时，会使压缩终点的压力和爆压提高，引起柴油机

13、机件受力过大，使机器过于笨重，而且柴油机的机件摩擦消耗的功也增大，以至于热效率无明显增加。2)在一定的下，提高定容升压比和降低预胀比，可使混合加热循环的热效率t增高。案例2：熵的本质第五节熵方程和熵增原理案例3：分析及其应用第五节熵方程和熵增原理任何热力系统，当其所处状态与外界环境不平衡时，系统将有过渡到与外界环境相平衡的趋势，即系统具有一定的做功能力。当该过渡过程为可逆过程时，它所具有的做功能力或所能转换的最大有用功称为，用符号Ex表示。热力学第一定律和热力学第二定律表明，不同形式的能量可以相互转换，但不同形式能量的转换能力是不同的。机械能、电能能全部转变为功，具有无限转换能力，所以它们全部

14、为，其能量品质最高；热量、热力学能、焓等只能部分转换为有用功，具有有限的转换能力，即相对环境条件只有部分为，其能量品质低于机械能和电能；大气环境中也有能量，但它们不能转换为有用功，不具有转换能力，其为零，能量品质最低。第五节熵方程和熵增原理可见能量不仅有数量大小，还有质量高低的区别，参数能从能量的“量”和“质”两个方面对不同形式的能量进行统一比较和评价。【本章小结】一、过程方向性热力学第二定律主要研究热力过程进行的方向、条件、深度等关于能量质的方面的问题，其中最根本的问题就是方向问题。补偿过程是一个伴随着非自发过程一起进行的自发过程，它是非自发过程得以进行的基本条件。二、热力循环第五节熵方程和

15、熵增原理热力系统经过一系列变化后又回到原来状态的全封闭过程称为热力循环。经过一个热力循环后系统各状态参数的变化量为零。热力循环按循环效果和进行方向的不同可分为正向循环和逆向循环。正向循环是将热能变成机械能的循环，其经济性指标用热效率表示；逆向循环是将机械能变成热能的循环，根据其工程应用目的的不同，其经济指标用制冷系数或热泵系数表示。三、热力学第二定律的表述热力学第二定律的开尔文说法和克劳修斯说法分别从热量转换和传递的角度说明了热过程的方向性，两种说法尽管在字面上有较大差异，但其本质是一样的，是等价的，它们都说明热过程方向性这一热力学第二定律的核心问题。四、卡诺循环第五节熵方程和熵增原理卡诺循环

16、由两个等温过程和两个等熵过程组成。卡诺正向（动力）循环的经济性指标是热效率，且tk=1-T2/T1，其大小只与高低温热源的温度有关，与工质的性质无关，增大高、低热源的温差可提高循环热效率。由于T20和T1都不可能，所以即使是最理想的卡诺循环的热效率也只能是小于100%；而T2=T1时热效率为零，说明单热源热机是不可能存在的。五、熵方程和熵增原理第五节熵方程和熵增原理不可逆过程的熵变由熵流和熵产两个部分组成。熵流是由于热力系统与外界之间存在温差传热而导致的熵增量；熵流按热交换的方向不同可大小、小于或等于零。熵产是由于不可逆因素引起功的耗散而导致的熵增量；可逆过程中熵产为零，不可逆过程中熵产永远大于零，不可逆性越大，则熵产越大，因此熵产可作为过程不可逆性程度的度量。(1)dSdQT或S21dQT(用于过程)(2)Si0(用于孤立系统)【思考与练习题】1)熵增量可用来量度过程的不可逆性，所以熵增大的过程必为不可逆过程。2)使系统熵大的过程必为不可逆过程。3)不可逆过程的熵变S无法计算。第五节熵方程和熵增原理4)如果从同一始态到达同一终态有两条途径：一为