熱力學第二定律PPT第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六學習導引

熱力學第二定律揭示了能量傳遞與轉換過程進行的方向、條件和限度。熱力學第二定律與熱力學第一定律是熱力學的兩個最基本定律，共同組成了熱力學的理論基礎。本章主要講述了熱力學第二定律的實質和表述，闡述了熱力循環、卡諾循環、卡諾定律、熵的基本概念及熵增原理等有關知識。

第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六學習要求

1.了解熱力循環、正向循環、逆向循環的概念，掌握評價循環經濟性的指標：熱效率t、制冷系數、制熱系數。

2.理解熱力學第二定律的實質和表述；明確熱力學第二定律在判斷熱力過程方向上的重要作用。

3.掌握卡諾循環、逆卡諾循環、卡諾定律及其對工程實際的指導意義。

4.了解熵的基本概念和熵增原理。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六本章難點熱力學第二定律比較抽象，較難理解。學習中應將抽象的表述與日常生活及工程實際中的實例聯系起來進行思考就會容易理解一些。熵的概念和熵增原理比較抽象，較難理解。學習中應結合不可逆因素進行思考就會容易理解一些。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六第一節熱力循環

什么是熱力循環?可逆循環不可逆循環

——工質經過一系列狀態變化后，又回復到原來狀態的全部過程稱為熱力循環，簡稱循環。

熱力循環分類全部由可逆過程組成的循環組成循環的全部過程不均為可逆過程正向循環逆向循環根據熱力循環所產生的不同效果

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可逆循環可以表示在狀態參數坐標圖上，且為一條封閉的曲線。

熱力循環第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六一、正向循環和熱效率

——將熱能轉變為機械能的循環稱為正向循環,也稱為動力循環或熱機循環

。

1.正向循環

一切熱力發動機都是按正向循環工作的。

正向循環在p-v圖上按順時針方向進行。設1kg工質在熱機中進行一個正向循環1234l

1-2-3:膨脹過程,作膨脹功123v3v11

3-4-1:壓縮過程，作壓縮功341v1v33

工質從高溫熱源T1吸熱q1，向T2放熱q2

∵∴循環凈功w0

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——在正向循環中，所獲得的機械能與所付出的熱量的比值稱為熱效率。

2.熱效率t

正向循環循環熱效率t用來評價正向循環的熱經濟性。顯然，t<1。高溫熱源T1q1工質W0=q1-q2q2低溫熱源T2適用于任何循環第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六二、逆向循環和工作系數

——消耗機械能（或其它能量），將熱量從低溫熱源傳遞到高溫熱源的循環,如制冷裝置和熱泵循環。

1.逆向循環

消耗功是完成逆向循環的必要條件。

逆向循環在p-v圖上按逆時針方向進行。設1kg工質在熱機中進行一個逆向循環14321

1-4-3:膨脹過程,作膨脹功143v3v11

3-2-1:壓縮過程，作壓縮功321v1v33

工質從低溫熱源T2吸熱q2，向T1放熱q1

或∴消耗凈功w0

逆向循環中向高溫熱源放出的熱量，來自于從低溫熱源的吸熱量和消耗的循環凈功

第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六

——工作系數是所獲得的收益與所花費的代價之比值，用以衡量逆向循環的熱經濟性。2.工作系數

逆向循環

制冷系數

制冷裝置的工作系數高溫熱源T1q1工質W0=q1-q2q2低溫熱源T2

制熱系數

熱泵裝置的工作系數

可能大于、等于或小于1，而總是大于1。

適用于任何循環適用于任何循環第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六第二節熱力學第二定律

一、過程的方向性與不可逆性自然界中的一切熱力過程均有方向性和不可逆性。

自發過程自發過程都具有方向性,且都為不可逆過程。

非自發過程的進行需要一定的條件，付出一定的代價。

——不需要任何外界作用而可以自動進行的過程。否則為非自發過程。如熱量傳遞、水的流動、氣體的混合等第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六二、熱力學第二定律的實質和表述

熱力學第二定律指出了能量在傳遞和轉換過程中有關傳遞方向、轉化的條件和限度等問題。針對不同的熱現象熱力學第二定律有不同的表述，但其實質等效。

1.克勞修斯（Clausius）表述

不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。它是從熱量傳遞過程來表達熱力學第二定律的。

如制冷機或熱泵裝置的工作需消耗能量進行補償

第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六熱力學第二定律2.開爾文－普朗克（Kelvin－Plank）表述

不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉變為功而不產生其它影響。它是從熱功轉換過程來表述熱力學第二定律的。

如熱機的工作“第二類永動機不可能實現”。

熱力學第二定律的實質是能量貶值原理。

第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六第三節卡諾循環與卡諾定律

一、卡諾循環及熱效率

卡諾循環是法國工程師卡諾（Carnot）于1824年提出的一種理想熱機循環。它是工作于兩個恒溫熱源間的，由兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程所組成的可逆正向循環。

卡諾循環解決了在確定的工作條件下熱機的工作效率可能達到的極限問題。

第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六卡諾循環卡諾循環在p-v圖和T-s圖上的表示:

a-b:定溫可逆吸熱膨脹過程,工質從T1吸熱q1,

在T1下由a

膨脹至b,并對外界作膨功；

對1kg工質:b-c:絕熱可逆膨脹過程,工質由b膨脹至c,由T1

降至T2，并對外界作膨脹功；

c-d:定溫可逆放熱壓縮過程,工質由c在T2下向T2

放熱q2被壓縮為d，外界對工質作壓縮功；

d-a:絕熱可逆壓縮過程，工質由d經可逆絕熱壓縮回到a，由T2升至T1，外界對工質作壓縮功。

恒溫熱源恒溫熱源第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六卡諾循環熱效率由T-s圖

由正向循環熱效率

過程b-c、d-a為定熵過程，故

第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六結論：

（1）卡諾循環的熱效率只取決于高溫熱源的溫度T1與低溫熱源的溫度T2，而與工質的性質無關。提高高溫熱源的溫度T1，或降低低溫熱源的溫度T2，都可以提高熱效率。

（2）因為T2＞0，所以熱效率總小于1。

（3）若T1T2，則，卡諾循環熱效率只有單一熱源提供熱量進行循環作功是不可能的。即:第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六二、逆卡諾循環卡諾循環沿相反方向進行，即為逆卡諾循環。逆卡諾循環的效果與卡諾循環的效果正好相反，工質從低溫熱源吸熱q2，向高溫熱源放熱q1，并接受外界作功w0。

制冷系數

供熱系數逆卡諾循環在p-v圖和T-s圖上的表示第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六

供熱系數：逆卡諾循環逆卡諾循環是制冷循環和熱泵循環的理想循環。

制冷系數:

第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六逆卡諾循環結論：

（1）逆卡諾循環的制冷系數和制熱系數只取決于高溫熱源溫度T1和低溫熱源溫度T2。且隨高溫熱源溫度T1的降低或低溫熱源溫度T2的提高而增大。（2）逆卡諾循環的制熱系數總是大于1，而其制冷系數可以大于l、等于1或小于l。在一般情況下，由于T2＞（T1-T2），所以制冷系數也是大于1的。第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六三、卡諾定律卡諾定律可表述為：

（1）在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源間工作的一切熱機，可逆熱機的熱效率最高。（2）在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源間工作的一切可逆熱機，其熱效率相等。

卡諾循環與卡諾定理在熱力學研究中的重要意義:

它解決了熱機熱效率的極限問題，指出了提高熱效率的途徑。雖然卡諾循環在實際工程中無法實現，但它給實際熱機的循環提供了改進方法和比較標準。

第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六

例4-1某熱機在高溫熱源1000K和低溫熱源300K之間工作。問能否實現對外作功1000kJ，向低溫熱源放熱200kJ。

解：計算該熱機從高溫熱源吸熱量

Q1Q2W020010001200（kJ）該熱機的熱效率在相同條件下工作的可逆熱機的熱效率＞，顯然這一結果違反了卡諾定理，因此不能實現。

第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六

例4-2利用以逆卡諾循環工作的熱泵作為一住宅的采暖設備。已知室外環境溫度為-10℃，為使住宅內溫度保持20℃，每小時需供給105kJ的熱量。試求（1）該熱泵每小時從室外吸取的熱量；（2）熱泵所需功率；（3）若直接用電爐取暖，電爐的功率應為多少？

解:（1）該熱泵的制熱系數為又由于故熱泵每小時從室外的吸熱量為

（2）熱泵所需功率為

P=Q1-Q2=（105-89765）=10235（kJ/h）=2.84kW

（3）電爐采暖所需功率為

P1=Q1=105（kJ/h）=27.78kW第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六第四節熵與熵增原理

一、熵的基本概念熵S是由熱力學第二定律推導出的狀態參數。

熵的微分定義式為適用于任何熱力系的任何熱力過程可逆過程中1、2兩平衡態的熵差為

第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六關于熵的幾點說明：

（1）熵是狀態參數，當熱力系平衡態確定后，熵就完全確定了，與通過什么路徑（過程）到達這一平衡態無關。（2）無論過程是否可逆,計算兩個狀態的熵差時，可選任一連接兩狀態的可逆過程進行計算。（3）熵具有可加性,熱力系的熵等于熱力系內各個部分熵的總和。（4）從微觀上看，熵與熱力系內部分子運動的混亂程度有關。熵是熱力系內部分子混亂程度的量度。熵值較小的狀態對應于較為有序的狀態，熵值較大的狀態，對應于較為無序的狀態。熵例如，隨著物質固→液→氣的相變過程進行，熵是遞增的，物質內部分子運動的混亂程度同樣也是遞增的。第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期六二、熵