3、热力学第二定律

正向循环：正向循环在坐标图上沿顺时针进行。
p 1 1 2 b 4 3 v 4 b 3 s a T a 2
1-a-2为膨胀过程，对外作功1a2341。此过程与高 温热源接触，吸热量为Q1。 2-b-1为压缩过程，外界作功2b1432。此过程与低 温热源接触，放热量为Q2（绝对值）。 此过程的循环净功为Wnet，用面积1a2b1表示。
以上叙述说明：自然界的物质和能量只能沿着一 个方向转换，从可利用到不可利用，从有效到无 效，这说明了节能与节物的必要性。
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。 热力循环是使能量能够连续转换的条件。 分类： 正向循环：将热能转换为机械能的循环，又称动 力循环或热机循环。 逆向循环：消耗能量将热量从低温空间传递到高 温空间的循环。
4.5 W 2.23kW c 2.02 Q2
供热系数
Q1 Q2 W T1 423 c 3.02 W W T1 T2 423 283
Q1 4.5 W 2.23kW c 1 3.02 1
例：热量由高温传到低温物体 机械能转换为热能 气体自由膨胀 以上过程不需要任何外界作用而可以自动进行， 称为自发过程。
自然界的一切自发过程都具有方向性
自发过程的不可逆性： 自然界中牵涉热现象的一切过程都是单向进行 而无法使其回复到原状态而不引起外界的其它 变化，因而是不可逆的
自发过程的反向过程为非自发过程：
同样道理： Wnet Q1 Q2 可以用一示意图表示： 若工作机为制冷装置， 制冷系数 Q Q

2
高温热源T1 Q1 工作机 Q2 低温热源T2 Wnet
Wnet

2
Q1 Q2
若工作机为供暖装置 供暖系数

供暖系数的取值总大于1。
Q1 Q1 Wnet Q1 Q2
2、卡诺循环
q2 T2 w T1 T2
其中：
q2 1200 T1 T2） （
w T2 1638 2 . T1 T2 293 20 1200 1200 室外温度：
T1 T2 20 293K
习题4-4图：
Q1 W Q2 Q1/ Q2/
习题4-3 1）热机的热效率 2）因为
第三节 热力学第二定律
热力学第一定律说明热力过程中必须遵 循能量守恒 —— 数量关系 热力学第二定律说明热力过程进行的方 向、条件 、 限度问题 实际过程必须同时满足热一定律和热二 定律才能实现
自发过程的方向性与热力学第二定律的表述
1、自发过程的方向性
实践证明：凡是涉及到热现象的一切过程，都有 一定的方向性和不可逆性。
1
T1 2 4 T2 3 v T1
q1 T1 s2 s1） T1 （
4
1
2 3
q2 T2 s2 s1） T2 （
s1
T2
s2
s
则卡诺循环的热效率
分析结论： 1、卡诺循环热效率的大小只取决于热源温度T1 与冷源温度 T2 ，提高热效率的途径是提高T1 或降低 T2 。 2、卡诺循环的热效率小于1。 3、当T1 = T2 时 (单热源) ，c = 0。 4、卡诺循环的热效率与工质的性质无关。
T1 273 20 q1 14.65 T1 T2 20 0 w
热泵所需要的功为
q1 1200 20 w 1638 .2kJ 14.65
功率为
w 1638 .2 N 0.455 kW 3600 3600
（2）可逆制冷机工作时，制冷系数为：
而实际工作机的热效率远小于此，一般只有 25%左右
例:有人报告，某制冷机在高温热源 30 º 和低 C 温热源 – 20 º 间工作，耗功 140 kW , 能从低 C 温热源冷源取冷量 1000 kW, 问报告是否正确? 若循环有可能进行，至少需耗功多少?
解: T1 = 273 + 30 = 303 K T2 = 273 – 20 = 253 K 可逆循环制冷系数
例: 有一汽轮机工作于 500 º 及环境温度 30 º C C 之间，试求该机所能达到的最高热效率。如从 热源吸热 10000 kJ, 求产生净功。 解: 最高热效率
T2 30 273 c 1 1 0.608 60.8% T1 500 273
该热机产生净功
W0 Q1c 10000 0.608 6080 kJ
热能转化为机械能的热机循环，以卡诺 循环最为理想。它是热力学第二定律的 理论基础。 卡诺循环是在给定高温热源与低温热源 之间工作的最佳循环，其热效率是最高 的。
卡诺循环由两个可逆定温过程和可逆绝 热过程所组成，如图：
1-2为定温吸热过程， p 从高温热源T1吸热q1 2-3为定熵膨胀过程， 温度由T1降到T2 3-4为定温放热过程， 向低温热源T2放热q2 4-1为定熵压缩过程， 温度由T2升到T1 T 循环过程的吸热量 放热量
制冷循环 —— 热量由低温传给高温热源
水的逆向移动 ——由低液位流动到高液位 非自发过程的实现必须付出某种代价。
2、热力学第二定律的表述 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体传递到 高温物体而不引起其它变化。 （热量不可能自发地由低温向高温传递） 开尔文—普朗克说法：不可能制造只从一个热 源而使之完全变为机械能而不引起其它变化的循 环发动机。 （单热源热机不存在） 两种说法相辅相承。 第二类永动机不可能实现。
逆向循环：逆向循环在坐标图上沿逆时针进行。
p 1 2 b 4 3 v 4 1 b 3 s a T a 2
1-b-2为膨胀过程，对外作功1b2341。此过程与低温 热源接触，吸热量为Q2 。 2-a-1为压缩过程，外界作功2a1432。此过程与高温 热源接触，放热量为Q1 （绝对值） 。 此过程的循环净功为Wnet，用面积1b2a1表示。
w q2 T2 c 1 1 q1 q1 T1
对于逆卡诺循环是逆向进行的卡诺循环。其中 吸热量 q2 = T2 ( s2 – s1 ) 放热量 q1 = T1 ( s2 – s1 ) 工作系数 q2 q2 T2 制冷循环 c
w
q1 q2
T1 T2
供热循环
结论： 1、逆卡诺循环 的性能系数取决于热源温度T1 与冷源温度 T2 。 2、逆卡诺循环中制冷系数可大于或小于1，供热系数大 于1 ， 2,c = 1 + 1,c 。 3、同一台设备中可单独实现制冷与供暖，亦可联合实现 制冷与供暖。
T2 253 max c 5.06 T1 T2 303 253
实际循环的制冷系数
Q2 1000 7.134 5.06 W 140
违反卡诺定理，报告错误 至少需要耗功量
1000 Wmin 197.63kW c 5.06 Q0
例题：某热泵按逆卡诺循环工作，用于冬 季采暖和夏季降温。室内要求保持 20 oC， 室外温度每相差 1 oC 时，每小时通过房屋 围护结构的热损失为 1200 kJ。求（1）当 冬季室外温度为 0 oC 时，该热泵需要多大 功率？（2）夏季仍用上述功率，使其按制 冷循环工作，问室外空气在什么极限情况 下还能维持室内为 20 oC 。 解：（1）可逆供暖系数：
T2 10 273 c 1 1 33.1% T1 150 273
w W c q1 Q1
C
0wenku.baidu.com331
所以 Q W 2.7 8.16kJ 1 3）逆向工作时的性能系数： 制冷循环 q2 T2 283 2.02 c w T1 T2 423 283
q1 q1 T1 c w q1 q2 T1 T2

3、卡诺定理 定理一：在同温热源与同温冷源之间的一切可逆 热机，其热效率均相等，与工质无关。
定理二：所有工作于同温热源与同温冷源之间的 一切热机，以可逆热机的效率为最高。 卡诺定理解决了热机热效率的极限值问题。实际 过程热机进行的都是不可逆循环，改进实际循 环的方向是尽可能接近卡诺循环，以卡诺循环 热效率为最高标准。 卡诺定理的应用：可以判断一个热力过程是否可 以进行，并且是否可逆。
工质经历一个循环， 则 Wnet Q1 Q2
du 0
可见：工质从高温热源的吸热量，只有一部分可 以转换为功，而另一部分Q2传递给低温热源。 循环热效率等于循环净功与吸热量的比值。
Wnet Q1 Q2 Q2 t 1 Q1 Q1 Q1
热效率说明热量的利用程度，显然，它是小于 1的。