中国石油大学热工基础典型问题第四章 热力学第二定律
工程热力学：第四章 热力学第二定律
4-5 热二律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换
传热
1851年 开尔文－普朗克表述
热功转换的角度
1850年 克劳修斯表述
热量传递的角度
开尔文－普朗克表述
不可能从单一热源取热，并使之完 全转变为有用功而不产生其它影响。
理想气体 T 过程 q = w
卡诺逆循环卡诺制冷循环
T
T0
制冷
T2 s1 s2 s
C
q2 w
q2 q1 q2
T2 (s2 s1)
T2
T0 (s2 s1) T2 (s2 s1) T0 T2
T0 c T2 c
1 T0 1 T2
T0 q1
Rc w q2
T2
卡诺逆循环卡诺制热循环
T
T1
制热
T0 s1 s2 s
' q1 q1
T1 热源
Q1
Q1’
A WA B
Q2’
冷源 T2 <T1
证明2、违反克表述导致违反开表述
反证法：假定违反克表述
Q2热量无偿从冷源送到热源
假定热机A从热源吸热Q1
T1 热源
对外作功WA 对冷源放热Q2
Q1
Q2
WA = Q1 - Q2 冷源无变化
A WA
从热源吸收Q1-Q2全变成功WA Q2
Q2
违反开表述
w q1 q2
T1(s2 s1)
T1
T1(s2 s1) T0 (s2 s1) T1 T0
T1 ’ T0 ’
1
1 T0 T1
T1 q1
Rc w q2
T0
热工基础课后题答案第二版第四章-第五章
答：不可以，因为水的临界点压力为22.12MPa，故此，当压力高于临界压力时，它的汽化不经过气液两相区，而是由液相连续的到达气相。
答：保证其压力。
2.锅炉产生的水蒸气在定温过程中是否满足 的关系？为什么？
答：不对，因为水蒸气不能看作是理想气体，其内能不仅是温度的函数，还是压力的函数，故此定温过程内能是改变的， 不等于0。
3.有无0℃或低于0℃的蒸汽存在？有无低于0℃的水存在？为什么？
答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在，只要压力足够低就可能，但是没有低于0℃的水存在，因为水的三相点温度为0.01℃，低于三相点温度，只可能是固态或是气态。
⑴熵增大的过程为不可逆过程；
⑵不可逆过程的熵变 无法计算；
3若工质从某一初态经可逆与不可逆途径到达同一终态，则不可逆途径的 必大于可逆途径的 ；
4工质经历不可逆循环后 ；
5自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程不可能实现；
6工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小。
答：（1）不正确，只有孤立系统才可以这样说；
（2）吸热
放热
（3）性能系数
得到
所以
4－4解：
对于制冷机
对于热机
4－5解：理想气体的内能是温度的单值函数，气体向真空的膨胀过程系统对外不作功，且过程绝热，系统的内能不变，故气体温度不变：
由 得到
热力学能变化为
熵的变化为
4-6解：
（1）气体熵变为
热源熵变为
总熵变为
（2）气体熵变为
热源熵变为
总熵变为
（3）气体熵变为
3.热力学第二定律可否表述为“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能”？
能源与动力工程面试问答必备热工基础部分
热工基础部分1.何谓火电厂答：用燃料生产电能的工厂.2.什么叫绝对压力、表压力和真空答：工质本身的实际压力称为绝对压力,用P表示.当地的大气压力用P amb表示.当绝对压力大于大气压力时,压力表指示的数值,称为表压力,用P e表示.即P=P e+P amb.当工质的绝对压力低于大气压力时,压力表指示的数值,称为真空,用P V表示,即P V=P amb-P.3.压力表上的读数是什么压力答：是相对压力.4.标准状态：t= P=答：标准状态：t=0o C p=× 105Pa5.热力学第一定律的含义是什么答：热力学第一定律表达为：“热可以变为功,功也可以变为热.一定量的热消失时,必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时,也必将产生相应数量的热”.热力学第一定义是能量守恒与转化定律在热力学上的应用,阐明了“没有一种机器可以不消耗任何能量而作出功来”的这一概念,也就是说“第一类永动机”是不可能实现的.6.热力学第二定律的含义是什么答：热力学第二定律是指“热不可能自发地,不付出代价地从低温物体传至高温物体”.即热不可能自发地从低温物体传至高温物体.要实现热变为功,必须有两个以上的热源——高温热源和低温热源,也就是温差.7.卡诺循环由哪些热力过程组成答：卡诺循环由：可逆的定温膨胀过程、可逆的绝热压缩过程、可逆的定温压缩过程和可逆的绝热压缩过程四个热力过程组成.8.郎肯循环由那几个热力过程组成这些热力过程分别在哪些热力设备中完成答:郎肯循环的热力过程包括：水在锅炉中的等压过程,从未饱和水加热成过热蒸汽；过热蒸汽在汽轮机内绝热膨胀做功过程；湿蒸汽在凝汽器内的等压、等温放热过程；凝结水在给水泵中的压缩过程.9.已知工质总质量及设备进出口焓值,如何求工质在锅炉内、给水在加热器中的吸热量及汽轮机的做功大小答：q=h2-h110.水蒸汽定压形成时有哪五种状态答：未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态.11.水的临界点：p= t=答：水的临界点：p= t=12.有无300o C的未饱和水和3o C的过热蒸汽为什么答：有.因饱和温度和压力的增大而增大.13.喷管的作用是什么答：喷管的作用增速降压.14.传热的基本方式有哪三种答：导热、对流、热辐射.15.保温材料为什么都是多孔性的答：因孔内有空气,空气的导热系数很小,且不流动.16.为什么暖气和电厂有些设备表面要涂上银粉、铝等答:主要是为了增强辐射换热.。
热工基础(机械)第4章
孤立系熵增原理也是热Ⅱ的一种表达式，指出了过程
进行的方向。
例1 卡诺热机（取热源、热机组成孤立系）
Siso S A S B S工
Q2 Q1 S B S A T2 T1 ，
S工 0 （循环）
由卡诺循环可知 Q2 Q1 T2 T1
4. 对可逆过程，熵变就等于熵流，但从概念上
熵变是状态参数，而熵流不是状态参数，当然熵
产也不是状态参数。 熵产是系统过程不可逆程度的一种度量。
四、熵方程
1. 闭口系熵方程 或 ds = dsf + dsg Δs=Δsf+Δsg
2. 开口系熵方程： 系统的熵变＝流入的熵＋系统的熵产－流出的熵 设系统进、出口截面工质处于平衡稳定状态，则
制冷系数 1
供热系数 ' 1
（ w0、 q1 、q2 均取绝对值）
二、卡诺循环与卡诺定理 由以上分析知，热机循环的热效率不可能达到100%， 那么在一定条件下，热机的热效率最大能达到多少？ 热机的热效率与那些因素有关？这正是卡诺循环与卡
诺定理要解决的问题。
由于难以解决的结构问题以及其它多种原因，卡诺循
Q2 T T1 Q1 Q2 Q1 T1 ， T
T1 W0 Q1 Q2 Q2 1 T
Q2 T2 t 1 tc 1 Q1 T1
Q1
T1
Q2
T2
上式中δQ2 若取负值, 则有：
Q1
T1
Q2
T2
0
1 A2
Q
T
2 B1
Q
T
0 ，即
对不可逆循环
中国石油大学热工基础典型问题第四章_热力学第二定律
工程热力学与传热学第四章热力学第二定律典型问题分析典型问题一.基本概念分析1不可逆性是自发过程的重要特征和属性。
2非自发过程就是不能进行的过程。
3有人说：“自发过程是不可逆过程，非自发过程就是可逆过程”。
这种说法对吗？4热力学第二定律可否表述为“功可以完全变为热，而热不能完全变为功。
”5第二类永动机不仅违背了热力学第二定律，也违背了热力学第一定律。
6工质经过一个不可逆循环，不能恢复原状态。
7制冷循环为逆向循环，而热泵循环为正向循环。
8一切可逆热机的热效率都相等。
9任何可逆循环的热效率都不可能大于卡诺循环的热效率。
10若工质分别经历可逆过程和不可逆过程，均从同一初始状态出发，而两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同。
11如果从同一初态出发到达同一终态有两个过程：可逆过程和不可逆过程，则两过程的熵变关系是：∆S不可逆>∆S可逆。
12在任何情况下，向气体加热，熵一定增加。
13气体放热，熵总减少。
14熵增大的过程必为不可逆过程。
15熵减小的过程是不可能实现的。
16若热力系统经过一个熵增的可逆过程后，问该热力系能否经一绝热过程回复到原态。
17只要有不可逆性就会有熵产，故工质完成一个不可逆循环，其熵的变化量必大于0。
18不可逆过程必为熵增过程。
19不可逆绝热过程必为熵增过程。
20不可逆过程不可能为等熵过程。
21封闭热力系统发生放热过程，系统的熵必减少。
22吸热过程必是熵增过程。
23可逆绝热过程是定熵过程，反之，亦然。
24当m公斤的河水和G公斤的沸水具有相同的热能时，它们的可用能一定相同。
二.计算题分析1 设工质在T H =1000K 的恒温热源和T L =300K 的恒温冷源间按热力循环工作。
已知吸热量为100kJ 。
求下列两种情况下的热效率和循环净功。
（1）理想情况，无任何不可逆损失；（2）吸热时有200K 温差，放热时有100K 温差。
2 欲设计一热机，使之能从温度为973K 的高温热源吸热2000kJ ，并向温度为303K 的冷源放热800kJ 。
热工基础课后题答案第二版第四章-第五章教案资料
⑵不可逆过程的熵变 无法计算；
3若工质从某一初态经可逆与不可逆途径到达同一终态，则不可逆途径的 必大于可逆途径的 ；
4工质经历不可逆循环后 ；
5自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程不可能实现；
6工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小。
答：（1）不正确，只有孤立系统才可以这样说；
答：保证其压力。
2.锅炉产生的水蒸气在定温过程中是否满足 的关系？为什么？
答：不对，因为水蒸气不能看作是理想气体，其内能不仅是温度的函数，还是压力的函数，故此定温过程内能是改变的， 不等于0。
3.有无0℃或低于0℃的蒸汽存在？有无低于0℃的水存在？为什么？
答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在，只要压力足够低就可能，但是没有低于0℃的水存在，因为水的三相点温度为0.01℃，低于三相点温度，只可能是固态或是气态。
所以做功能力的损失为：
假设环境温度为20度，所以：
4-12解：根据温度流动的过程方程有：
所以
空气在压缩过程中的熵变为：
所以做功能力的损失为：
4-13解：混合后的温度为：
熵变为：
4-14解：依题意：
故制冷机得到的功为：
又
所以
4-15解：（1）根据稳定流动的过程方程可得：
（2）进口处
出口处
（3）所以压气机所需的最小有用功为：
9.闭口系统经历了一不可逆过程对外作功10 kJ，同时放出热量5 kJ，问系统
的熵变是正、是负还是不能确定？
答：熵是状态参数，功和热量都是过程量，所以不能确定系统的熵变。
习题
4－1解:由热量守恒
由克劳休斯不等式：
它的设计是不合理的
4－2解：采用电炉取暖时，
《热学》课件-第四章 热力学第二定律
热是否可以全部变为功？
有条件
效率等于1的热机制造的失败导致热力 学第二定律的产生
热力学第二定律的 开耳芬(Lord.Kelven)叙述： 不可能制造成功一种循环动作的机器， 它只从单一热源吸热， 使之全部变为功而 对外界不发生任何影响。
热力学第二定律的 克劳修斯(R.J.E.Clausius)叙述： 热量不可能自动地从低温热源传给高温 热源。
解：设想系统与273.15（K）的恒温热源
相接触而进行等温可逆吸热过程
S2 d Q Q mΔ h S1=1 = = T T T 1 × 334 =1.22(kJ.K-1) = 273.15
2
[例2] 在恒压下将1(kg)水从T1 =273.15(K) 加热到 T2=373.15(K)，设水的定压比热为 cp =4.18×103(J.kg-1.K-1) 解： S2 dQ S 1 = 1 T =
初始状态
几率大 几率 很小
摇动后
气体自由膨胀的 不可逆性可以用几率 来说明。
A a b
隔 板
B c
a、b、c 三个分子在A、B两室的分配方式 a b 0 A室 abc ab bc ca c c a b ab bc ca abc B室 0
a 分子出现在A室的几率为 a、 b、 c 三分子全部回到A室的几率为
对于可逆的绝热过程 因为 Δ Q = 0
p
ΔS >0
V0 ) (p 0 ，
所以 Δ S = 0
可逆的绝 热过程熵变为 零，绝热线又 称等熵线。
o
ΔS < 0 V
在 p ~V 图中系统从初态( p0 ， V0 ) 开始变化，
在 白色 区域熵增加，在橘黄色区域熵减少。
三、熵增加原理 对于一个可逆的绝热过程是一个等熵过 程，但是对于一个不可逆的绝热过程熵是否 不变呢？ 设1、2两物体组成一个系统，该系统和 外界无能量交换称为孤立系统。两物体之间 发生热传导过程， 这一过程是不可逆的，并 且是绝热的。 设 T 1 > T 2 ，当物体1有微小热量 d Q 传 给物体 2时，两者温度都不会发生显著的改 变，所以可以设想用一可逆的等温过程来计 算熵变。
第四章 工程热力学热力学第二定律
2 b1
q
T
q
T
) rev 0
2 b1
(
q
T
) rev
(
q
T
) rev (
1a 2
q
T
) rev
2 a1
(
) rev
沿可逆过程的克劳修斯积分与路径无关，由初、终状态决定 ，这 就引出了状态参数---熵的定义式。
ds
(
q
T
)
rev
熵 S
比熵 s kJ kg K T 1 2 1 ) rev s s ( 2 dq
q
T
) rev 0
q q 2b1( ) rev 1a 2 T T irev
v
b
q q 1b 2 ( ) rev 1a 2 T T irev
) rev
s 2 s1
T T 1a 2 2 1 ( ) irev s s q
本章小结：
1。热力学第二定律的实质：------- 两种说法。 2。（1）卡诺循环：两热源间的可逆循环，由定温吸热、绝热膨胀、定温放 两热源间的可逆循环 热、绝热压缩四个可逆过程组成。 c 1 （2）卡诺定理：在温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之 间工 作的一切可逆热机，其热效率相等，与工质的性质无关；在温度 可逆热机 为T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的热机循环，以卡 热机循环 诺循环的热效率为最高。 （3）提高循环热效率的基本途径。(T1 ,T2 ；减少不可逆性） q 3。克劳修斯不等式： 0
第四章 热力学第二定律
T1 = 400 K 时， u1 = 286.16kJ / kg
4
工程热力学
T2 = 280 K 时， u 2 = 199.75kJ / kg
第四章 热力学第二定律
185.45 − 178.28 × (257.76 − 250)]kJ / kg = 183.34kJ / kg 260 − 250
W0 = Q1 − Q2 = mc p (TA − TATB ) − mc p ( TATB − TB ) = mc p (TA + TB − 2 TATB )
(3)如果抽掉可逆热机，使二物体直接接触，直至温度相等。这时二物体的熵增为
=−
− 169.064kJ / kg − 468.72kJ / kg 676.25kJ / kg + 468.72kJ / kg − 300 K 1200 K = 1.1718kJ /( kg ⋅ K )
2
工程热力学
4-4
第四章 热力学第二定律
两台卡诺热机串联工作。A热机工作在700℃和t之间；B热机工作在t和20℃之间。试计
T2 s = 257.76 K 时， u 2 s = [178.28 +
ws = u1 − u 2 s = 286.16kJ / kg − 183.84kJ / kg = 102.32kJ / kg
有内摩擦
w = u1 − u 2 = 286.16kJ / kg − 199.75kJ / kg = 86.41kJ / kg
（3）定温放热过程3→4
qT 2 = wT 2 = wt ,T 2 = R g T2 ln
热工基础课件课件-热力学第二定律
根據卡諾定理，在溫度分別為T1與T2的兩 個恒溫熱源間工作的一切可逆熱機的熱效率都
相同，與工質的性質無關。
t
1
q2 q1
1 T2 T1
q2 T2 q1 T1
q1 q2 T1 T2
式中q1、q2均為絕對值，若取代數值，可改成 14
q1 q2 0
在卡諾迴圈中，單位品質工質與熱 源交換的熱量除以熱源的熱力學溫
該式為不可逆穩定流動過程的
。
熱工系統的熱能利用程度可以通過列出其
（
），
分析可以清楚地揭示出導致作功能力損失的原
因和部位，從而為系統的改進提供有力的依據。
。
31
第四章 小結
重點掌握以下內容： （1）熱力學第二定律的實質及表述； （2）熱力迴圈、製冷（熱泵）迴圈的定義及迴 圈經濟性的描述方法；
作的一切可逆熱機具有相同的熱效
率，與工質的性質無關。
11
R1帶動R2 逆向運行
假如t,R1t,R2
R1帶動R2逆向運行
WR1 WR2 Q2 Q2 '
Q2 ' Q2 WR1 WR2
單一熱源熱機，違背熱力學第二定律
t,R1t,R2、 t,R1<t,R2不可能
t,R1＝t,R2 12
定理二：
在相同高溫熱源和低溫熱源間工作的任 何不可逆熱機的熱效率都小於可逆熱機的熱 效率。
Wnet Q1 Q2
Q1 Q2 Wnet
高溫熱源 放熱Q1
通常用工作係數評價逆向迴圈
的熱經濟性。
熱泵
Wnet
製冷係數 ：製冷裝置工作係數 Q2 Q2 Wnet Q1 Q2
吸熱Q2 低溫熱源
供熱係數 ：熱泵工作係數
Q1 Q1
石油大学热工学热力学第二定律相关知识介绍
之后，出现了许多深入而更严格的探讨、争论和说法的演化过程。
麦克斯韦、玻尔兹曼、奥斯特瓦尔德、马赫和普朗克等著名科学家， 都一致指出，热力学第二定律只有在一个孤立系统条件下才成立。
关于热力学第二定律在微观方面的解释和说法，主要是由玻尔兹曼
提出的，他是在克劳修斯和麦克斯韦工作的基础上，用分子运动的统计 观点对熵增原理进行新的表述。玻尔兹曼提出的H定理和克劳修斯提出的
“麦克斯韦妖”的提出，大大促进了对热力学第二定律的正确程度 和应用范围的研究。 布里渊在1949－1956年间深入研究了信息和熵的关系，认为麦克 斯韦理想实验的熵减过程，是由于信息对小妖的作用引起的。信息应 该看作系统的熵的负项，即信息是负的熵。 “麦克斯韦妖”假想实验只能而且必须是一个可从外部引入负熵 的开放系统，正因为这样，它并不违反热力学第二定律。
克劳修斯 克劳修斯(R. J. E. Clausius，1822～1888年)，德国物理学家。1822年 1月2日生于普鲁士的克斯林(今波兰科沙林)。曾就学于柏林大学。1847 年在哈雷大学主修数学和物理学的哲学博士学位。从1850年起，曾先后 任柏林炮兵工程学院、苏黎世工业大学、维尔茨堡大学、波恩大学物理 学教授。他是气体动理论和热力学的主要奠基人之一，是历史上第一个 精确表示热力学定律的科学家。1850年发表《论热的动力以及由此推出 的关于热学本身的诸定律》的论文。论文首先从焦耳确立的热功当量出 发，将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律，并第一 次引人热力学的一个新函数U；论文的第二部分在卡诺定理的基础上提 出了热力学第二定律的最著名的表述形式：热不能自发地从较冷的物体 传到较热的物体。1854年发表《力学的热理论的第二定律的另一种形 式》、1865年他发表《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》的 论文，引入了一个新的热力学函数并定名为熵，同时提出克劳修斯不等 式和"熵增原理"，1857年发表《论热运动形式》的论文，第一次推导出 著名的理想气体压强公式。1858年发表《关于气体分子的平均自由程》 论文，开辟了研究气体的输运过程的道路。1851年从热力学理论论证了 克拉珀龙方程。1888年8月24日克劳修斯在波恩逝世。
热工基础第四章习题答案
热工基础第四章习题答案热工基础第四章习题答案热工基础是热能科学的基础学科，是热能工程学、热力学和热工学的基础。
在学习热工基础的过程中，习题是非常重要的一部分，通过做习题可以巩固理论知识，提高解题能力。
本文将为大家提供热工基础第四章习题的详细解答。
1. 问题描述：一个理想气体在等温过程中，体积从V1变为V2，压强由P1变为P2。
求气体对外做功。
解答：根据理想气体的状态方程PV=nRT，我们可以得到P1V1=P2V2。
由于等温过程，气体的温度保持不变，因此气体的内能也不变。
根据热力学第一定律，等温过程中气体对外做功等于热量的负值。
所以，气体对外做功为W=-Q。
由于内能不变，所以热量Q=0。
因此，气体对外做功W=0。
2. 问题描述：一个理想气体在绝热过程中，体积从V1变为V2，压强由P1变为P2。
求气体对外做功。
解答：绝热过程中，气体与外界没有热量交换，所以热量Q=0。
根据热力学第一定律，气体对外做功等于热量的负值，即W=-Q。
所以，气体对外做功W=0。
3. 问题描述：一个理想气体在等容过程中，温度从T1变为T2，压强由P1变为P2。
求气体对外做功。
解答：等容过程中，气体的体积保持不变，所以体积的改变量为ΔV=0。
根据理想气体的状态方程PV=nRT，我们可以得到P1V1=P2V2。
由于等容过程，气体的体积不变，所以V1=V2，所以P1=P2。
根据热力学第一定律，等容过程中气体对外做功等于热量的负值。
所以，气体对外做功W=-Q。
根据理想气体的内能公式U=CvΔT，其中Cv为等容热容量，ΔT为温度变化量。
所以，热量Q=CvΔT。
因此，气体对外做功W=-CvΔT。
4. 问题描述：一个理想气体在等压过程中，温度从T1变为T2，体积由V1变为V2。
求气体对外做功。
解答：等压过程中，气体的压强保持不变，所以压强的改变量为ΔP=0。
根据理想气体的状态方程PV=nRT，我们可以得到P1V1=P2V2。
由于等压过程，气体的压强不变，所以P1=P2。
中国石油大学热工基础典型问题第四章 热力学第二定律
工程热力学与传热学第四章热力学第二定律典型问题分析典型问题一.基本概念分析1不可逆性是自发过程的重要特征和属性。
2非自发过程就是不能进行的过程。
3有人说：“自发过程是不可逆过程，非自发过程就是可逆过程”。
这种说法对吗？4热力学第二定律可否表述为“功可以完全变为热，而热不能完全变为功。
”5第二类永动机不仅违背了热力学第二定律，也违背了热力学第一定律。
6工质经过一个不可逆循环，不能恢复原状态。
7制冷循环为逆向循环，而热泵循环为正向循环。
8一切可逆热机的热效率都相等。
9任何可逆循环的热效率都不可能大于卡诺循环的热效率。
10若工质分别经历可逆过程和不可逆过程，均从同一初始状态出发，而两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同。
11如果从同一初态出发到达同一终态有两个过程：可逆过程和不可逆过程，则两过程的熵变关系是：∆S不可逆>∆S可逆。
12在任何情况下，向气体加热，熵一定增加。
13气体放热，熵总减少。
14熵增大的过程必为不可逆过程。
15熵减小的过程是不可能实现的。
16若热力系统经过一个熵增的可逆过程后，问该热力系能否经一绝热过程回复到原态。
17只要有不可逆性就会有熵产，故工质完成一个不可逆循环，其熵的变化量必大于0。
18不可逆过程必为熵增过程。
19不可逆绝热过程必为熵增过程。
20不可逆过程不可能为等熵过程。
21封闭热力系统发生放热过程，系统的熵必减少。
22吸热过程必是熵增过程。
23可逆绝热过程是定熵过程，反之，亦然。
24当m公斤的河水和G公斤的沸水具有相同的热能时，它们的可用能一定相同。
二.计算题分析1 设工质在T H =1000K 的恒温热源和T L =300K 的恒温冷源间按热力循环工作。
已知吸热量为100kJ 。
求下列两种情况下的热效率和循环净功。
（1）理想情况，无任何不可逆损失；（2）吸热时有200K 温差，放热时有100K 温差。
2 欲设计一热机，使之能从温度为973K 的高温热源吸热2000kJ ，并向温度为303K 的冷源放热800kJ 。
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工程热力学与传热学
第四章热力学第二定律典型问题分析
典型问题
一.基本概念分析
1不可逆性是自发过程的重要特征和属性。
2非自发过程就是不能进行的过程。
3有人说：“自发过程是不可逆过程，非自发过程就是可逆过程”。
这种说法对吗？
4热力学第二定律可否表述为“功可以完全变为热，而热不能完全变为功。
”
5第二类永动机不仅违背了热力学第二定律，也违背了热力学第一定律。
6工质经过一个不可逆循环，不能恢复原状态。
7制冷循环为逆向循环，而热泵循环为正向循环。
8一切可逆热机的热效率都相等。
9任何可逆循环的热效率都不可能大于卡诺循环的热效率。
10若工质分别经历可逆过程和不可逆过程，均从同一初始状态出发，而两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同。
11如果从同一初态出发到达同一终态有两个过程：可逆过程和不可逆过程，则两过程的熵变关系是：∆S不可逆>∆S可逆。
12在任何情况下，向气体加热，熵一定增加。
13气体放热，熵总减少。
14熵增大的过程必为不可逆过程。
15熵减小的过程是不可能实现的。
16若热力系统经过一个熵增的可逆过程后，问该热力系能否经一绝热过程回复到原态。
17只要有不可逆性就会有熵产，故工质完成一个不可逆循环，其熵的变化量必大于0。
18不可逆过程必为熵增过程。
19不可逆绝热过程必为熵增过程。
20不可逆过程不可能为等熵过程。
21封闭热力系统发生放热过程，系统的熵必减少。
22吸热过程必是熵增过程。
23可逆绝热过程是定熵过程，反之，亦然。
24当m公斤的河水和G公斤的沸水具有相同的热能时，它们的可用能一定相同。
二.计算题分析
1 设工质在T H =1000K 的恒温热源和T L =300K 的恒温冷源间按热力循环工作。
已知吸热量为100kJ 。
求下列两种情况下的热效率和循环净功。
（1）理想情况，无任何不可逆损失；（2）吸热时有200K 温差，放热时有100K 温差。
2 欲设计一热机，使之能从温度为973K 的高温热源吸热2000kJ ，并向温度为303K 的冷源放热800kJ 。
问
（1） 此循环能否实现？
（2） 若把此热机当作制冷机用，从冷源吸热800kJ ，是否可能向热源放热2000kJ ？此时，至少需耗多少功？
a: 利用克劳修斯积分式判断循环是否可行；
b: 利用孤立系统熵增原理判断。
3 试证明使热从低温物体传到高温物体的过程能否实现？若使之实现，需何条件，
耗功多少？
4.
大气温度为300K ，从温度为1000K 的热源放出热量100kJ ，此热量的有效能为多少？ 5. 将p 1=0.1MPa ，t 1=250ºC 的空气定压冷却到t 2=80ºC ，求单位质量的空气放出的热量中有效能为多少？环境温度为27ºC ，若将此热量全部放给环境，则有效能损失为多少？
一. 基本概念分析解答 1 √；2 ╳；3 ╳；4 ╳；5 ╳；6 ╳；7 ╳；8 ╳；9 ╳；10 可逆不可逆S S ∆>∆；
11 ╳；12 √；13 ╳；14 ╳；15 ╳；16 不能；17 ╳；18 ╳；19 √；20 ╳；
21 √╳；22 √；23 ╳；24 ╳；
二. 计算题分析解答
1. 解：（1）在两个热源间工作的可逆循环的热效率同卡诺循环：
%70100030011=-=-=K
K T T H L c η 根据：kJ Q W Q W c net net c 70,11===
ηη，即是最大循环净功。
（2）这时工质的吸热，放热温度分别为T 1=800K ，T 2=400K ，与热源间存在传热温差。
设想在热源与工质间插入中间热源，比如热阻板，使与热源接触的一侧温度接近T H ，与工质接触的另一侧温度接近T L ，而将不可逆循环问题转化为工质与T 1=800K ，T 2=400K 的两个中间热源的可逆循环，因而分 析 解 答
热效率为：
%508004001112=-=-=K
K T T t η 净功：kJ Q W t net 501==η
分析：借助中间热源是为了方便计算。
计算结果t c ηη ，即在T H ，T L 下进行的不可逆循环的热效率低于可逆循环，验证了卡诺定理。
2. 解：（1）方法1，利用克劳修斯积分式来判断循环是否可行，
0/585.030380097320002211<-=-+=+=⎰K kJ K
kJ K J T Q T Q T Q
δ 所以此循环能实现，且为不可逆循环。
（2）利用孤立系统熵增原理来判断循环是否可行，孤立系统由高温热源，低温热源，热机及功源组成，因此：
0/585.03038009732000002211>=+-=+++=∆+∆+∆+∆=∆K kJ K
kJ K J T Q T Q S S S S S W R L H iso 孤立系统的熵是增加的，所以此循环可以实现。
（3）若将此热机当作制冷机使用，使其逆行，显然不可能进行。
也可借助与上述方法的任一种重新判断。
若使制冷机能从冷源吸热800kJ ，假设至少耗功W min ，根据孤立系统熵增原理，
0303800973800002211=-++=+++=
∆+∆+∆+∆=∆K
kJ K W kJ T Q T Q S S S S S net W R L H iso 解得：kJ W 1769min =。
分析：（1）对于循环方向性的判断可以采用卡诺循环的热效率，克劳修斯积分式，孤立系统熵增原理的任一种，但需注意的是，克劳修斯积分式适用于循环，针对于工质，所以热量，功量的方向都以工质为对象考虑；而孤立系统熵增原理表达式适用于孤立系统，所以计算熵的变化时，热量的方向以构成孤立系统的有关物体为对象，它们吸热为正，放热为负。
一定要注意方向的选取。
（2）重点掌握孤立系统熵增原理的方法，该方法对于循环和过程都适用，而克劳修斯积分式和卡诺循环仅适用于循环方向性的判断。
3. 解：设热量从一个热源传到另一个热源，其大小相等，但方向相反，即21Q Q -=，
设两个热源组成孤立系统，则根据孤立系统熵增原理：
2
11121T Q T Q S S S iso +-=∆+∆=∆，
设热源T 1为高温热源，T 2为低温热源，则有 0>∆iso S ，即说明高低两热源间的任意热流必须是从高温热源流向低温热源，反之的过程不能自动进行。
若想使热量由低温热源传到高温热源，必须消耗外界的能量，外界对系统作功，设在高温热源和低温热源之间有一热泵，通过热机的工作将热量由高温物体传到低温物体，设由高温热源，低温热源，热泵组成孤立系统，利用孤立系统熵增原理， 得：
02
21min 221=-++=∆+∆+∆=∆T Q T W Q S S S S RE RE iso 得至少需外界作功：)11(
1
221min T T Q T W RE -= 4. 解：此热量的有效能为： kJ Q T T e Q x 701001000
300110,=⨯-=-=）（）（ 5. 解：（1）放出热量中的有效能：
kg kJ K K K kg J K K K kg J T T c T T T c dT c T T q T T e p p p T T T T Q x /27.52523353ln
)./(1004300)523353)(./(1004ln )()1()1(1
201200,2121-=⨯--=--=-=-=⎰⎰δ
负号表示放出火用。
（2）将此热量全部放给环境，则热量火用中的有效能全部损失，即：
kg kJ e i Q x /27.52,==，
或取空气和环境组成孤立系统，则：
)
./(2.174300)3539523)./(1004523353ln
)./(1004)(ln )ln ln (0
2112001212K kg J K K K kg J K K K kg J T T T c T T c T q p p R T T c S S S p p g p surr air iso =-+=-+=+-=∆+∆=∆ 于是有效能损失为：kg kJ K kg J s T i iso /27.52)./(2.1743000=⨯=∆=。