第五章熱力學第二定律概述

A、B兩物體接觸，TA>TB

根據熱力學第一定律-QA=QB

描述為A放出熱量給B；但-QB=QA也成立，而表示B放出熱量給A。

熱力學第二定律的任務：指明熱力過程的方向、條件和限度，提高熱能利用率。5—1熱力循環和致冷循環

機械能或電能被物體所吸收而轉換為其內能即熱能總是無條件地自發實現的。

由熱能轉變為機械能或電能卻未見有自發實現。同樣、熱能本身的傳送，只見熱由高溫物體向低溫物體自發地傳遞，反之由低溫物體向高溫物體傳熱卻從未見有自發地實現。

長期的實踐證明：企圖不向溫度較低的環境放熱而把高溫燃氣放出的熱量連續地全轉換為機械能是不可能的。通過對這大量事實的研究，人們發現了熱力學第二定律，它與第一定律一道，分別從質與量去說明熱能在機械能的轉換中的關系。熱力循環，正循環由T-s圖也可看到，為使工質完成熱力循環，在進行吸熱過程后，還必須有放熱過程才能使工質回到初始狀態。這就說明通過熱力循環實現熱能轉換為機械能時，總要有一部分熱量從高溫熱源傳向低溫熱源。

為了評價熱機循環中熱能轉換為機械能的有效程度，通常采用循環熱效率作為評價指標，其定義式為：其值越大，則熱機循環的工作越有效，但其值不可能達到100％。致冷循環、逆（反）循環為了評價致冷循環工作的有效程度通常采用致冷系數，也稱致冷機性能系數作為評價指標，其定義式為：其值越大，致冷循環的工作越有效，但因為耗功不能為零，故致冷系數的值不可能為無限大。熱泵：通過逆循環使高溫熱源得到熱量。供熱系數：其值越大，熱泵循環的工作越有效5—2熱力學第二定律的表述通過長期的實踐所積累的無數經驗，人們對于能量轉換的條件及方向有了比較深刻的認識，于是在此基礎上總結得到了熱力學第二定律。

熱力學第二定律主要從能量的質量（品位）上對熱能的利用進行分析。

熱力學第二定律的表述：

1、開爾文－普朗克說法：不能建造一種循環工作的熱機，其作用只是從單一熱源取熱并全部轉變為功。

2、克勞修斯說法：不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其它的變化。這兩種主要的說法，一個是從熱→機械能的角度講的，一個是熱→熱傳遞講的，但可以證明這兩種說法是等效的。第二定律的表述方法很多，其內容實質上都是指出了熱過程進行的方向性和條件，以及說明了實際熱過程的不可逆性。熱力學第二定律也可表述為：“第二類永動機是不可能制成的”。熱力學第二定律常可表述為：“熱機的熱效率不可能達到100%”。如果把自發地實現的過程稱為自發過程，而把其逆向過程稱為非自發過程，則經驗表明，非自發過程不能自發地實現，自發過程所產生的效果是無法消除的，或者說是不可復逆的。因此，熱力學第二定律可概括為：一切自發地實現的涉及熱現象的過程都是不可逆的。

熱力學中把消除了一切不可逆因素的具有可逆性的過程稱為可逆過程，并定義：如果進行一個熱力過程后，有可能沿原過程逆向進行，使系統和有關的外界都返回原來的初始狀態，不留下任何變化，則稱這樣的熱力過程為可逆過程。

功耗散現象都要消耗掉一定的功而使過程中輸出的功減少；又如氣體自發的膨脹時氣體所作的功總是小于可逆膨脹時氣體所作的功。

高溫向低溫傳熱（溫差傳熱）在不可逆過程中，由于各種不可逆因素造成的作功能力的損失，系統所作的功必然比相應的可逆過程所作的功有所減少。通常把不可逆過程和相應的可逆過程兩者的功的比值作為衡量不可逆過程中能量轉換完善程度的指標。渦輪機絕熱效率壓氣機絕熱效率5—3

卡諾循環上式說明：

(1)卡諾循環的熱效率僅決定于高溫熱源及低溫熱源的溫度，和工質性質無關。

(2)提高高溫熱源的溫度及降低低溫熱源的溫度可以提高卡諾循環的熱效率；

(3)由于高溫熱源的溫度不可能為無限大，低溫熱源的溫度不可能為零，所以卡諾循環的熱效率不可能達到100％。(4)當高溫熱源的溫度與低溫熱源的溫度相等熱機效率等于零。意味著利用單一熱源吸熱而循環作功是不可能的。等效卡諾循環5—4

卡諾定理

定理：在兩個給定恒溫熱源間工作的所有熱機，不可能具有比可逆熱機更高的熱效率。推論：1)在兩個給定恒溫熱源間工作的所有可逆熱機效率相同。

2)在兩個給定恒溫熱源間工作的不可逆熱機效率必小于可逆熱機的效率。這就是說，在兩個給定恒溫熱源間，可逆熱機的效率為最高，且與工質性質無關。5-5

克勞修斯不等式兩熱源循環：多熱源循環：實際上這個關系式就是卡諾定理用于任意多熱源循環時的數學表示式。作業5-55-105-135-6

狀態參數熵及孤立系統熵增原理一、熵的定義與計算可逆過程中：計算：熱力過程恒溫熱源相變二、不可逆過程中的熵產1、不可逆的溫差傳熱即不可逆的溫差傳熱過程中產生了熵，通常把產生的熵dSg稱為熵產量。2、在過程中存在摩擦、擾動等功耗散現象設閉口系統的不可逆過程已知δQ、dU、dV、。在初、終狀態間假設一個可逆過程，吸收熱量為對于不可逆過程：式中pdV-δW表示不可逆過程中由于不可逆因素而引起的功損失。是由于不可逆因素而引起的熵的增加，稱為熵產（量），用dSg表示。是由于系統與外界由于熱量傳遞而引起的熵的變化，稱為熵流（量），用dSf表示通過上述分析，可以說明，不可逆過程中系統的熵變化等于熵流量和熵產量的代數和。

熵流量和熱量具有相同的符號，加熱時熵流量為正，放熱時熵流量為負。熵產量則不同，它永遠為正，并隨著不可逆程度的增加而增大。

可逆與不可逆絕熱過程的圖示熱力學第二定律數學表示式：孤立系統熵增原理，并可表示為：根據孤立系統熵增原理，就可以判斷任意復雜過程是否可能實現，而不必涉及該過程所經歷的各個具體細節。凡是符合熵增原理的過程就可能實現，反之，兩者熵的總和減小的過程是不可能實現的。5—8熱能的可用性按照轉變為功的可能性，可以把能量分為可用能和不可用能。可用能：就是可以連續地全部轉變為功的能量。不可用能：不可能轉變為功的能量。

熱量中的可用能即轉變為功的能力可表示為：熱量的不可用能δQu可表示為:熱量中總是包括可用能和不可用能兩部分，在一定的環境溫度下，提供該熱量的熱源溫度越高，則熱量中可用能越多而不可用能越少。使可用能轉變為不可用能的過程，它們都是自發實現的過程即不可逆過程。反之，不可用能轉變為可用能的過程，則是不可能自發實現的。

可以把熱力學第二定律概括地表述為：一切不可逆過程中，能量轉換的結果總是使可用能減