1、第四章熱力學第二定律熱力學第一定律揭示了熱量與功的相互轉換及熱量傳遞中的能量守恒規律。 熱力學第二定律解決的是熱功轉換和熱量傳遞的方向、條件與限度等問題。 熱力學第一定律和熱力學第二定律共同組成了熱力學的理論基礎。本章重點討論熱力循環、卡諾循環和熵的概念；介紹熱力學第二定律的兩種 說法及卡諾定理等有關理論。從工程應用的角度，闡明提高動力裝置熱效率和制 冷裝置制冷系數的基本途徑。第一節熱力循環由前邊的分析知道，熱機將熱能轉變成機械能是借助氣體工質的膨脹過程來 進行的。工質吸收熱量，體積膨脹，推動活塞對外做功。但是僅靠一個膨脹過程 是不可能連續地把熱能轉換為機械能的。因為隨著工質的膨脹，它的參數將

2、變化 到不能再做功的程度。而且機器的尺寸也是有限的，也不允許工質無限制地膨脹 下去。為了實現不斷地做功，必須在工質膨脹做功之后，在經歷某種壓縮過程使工 質恢復原來的狀態重新獲得做功的能力，以便再次膨脹做功。只有不斷地重復這些過程，周而復始，熱機才能連續不斷地將熱能轉變成機 械能。熱力循環：指工質從某一熱力狀態出發，經過一系列中間狀態變化過程，又 回到原來的熱力狀態的全部過程的組合稱為熱力循環（循環）。熱力循環包括：可逆循環和不可逆循環。可逆循環：組成循環的所有熱力過程都是可逆過程的循環。循環過程可用狀態參數坐標圖表示。如圖4-1所示。可逆循環包括：正循環（在狀態參數坐標圖上沿順時針方向進行的循

3、環）； 和逆循環（在狀態參數坐標圖上沿逆時針方向進行的循環）。正循環的結果是工質將高溫熱源的部分熱能連續不斷地轉變為機械能，故稱為熱機循環（或稱為動力循環）。如：內燃機循環、蒸汽輪機循環燃氣輪機循環等。逆循環：是借助環境提供的能量而將低溫物體的熱能轉移到高溫物體上的。如：制冷循環、熱泵循環等。不可逆循環：再循環過程中只要有一個過程不可逆，則整個循環就是不可逆 循環。熱機包括：可逆熱機（進行可逆循環的熱機）和不可逆熱機（進行不可逆循 環的熱機）。可逆循環的特征：（1）循環中工質的任意一個狀態參數的凈變化量都為零。并可用b dx = 0表示。（2）循環過程中工質與環境交換的凈功w等于其與環境的凈傳

4、熱量q。圖4 -1正循環示意圖因為任何熱力循環都應符合熱力學第一定律，且工質在完成一個循環后又回 到初始態，則有A u = 0 或 b dx = 0。所以q=Au+w=w.一、正循環和熱效率正循環：是把熱能轉換為機械能 的循環。循環按順時針方向進行。即沿1-a-2-b-1的順序進行。圖中1-a-2為膨脹過程，工質從高溫熱源吸收熱量q1后做膨脹功，功的大 小可用p-v圖上的面積1-a-2-3-4-1表示。為使工質恢復到初始態，必須對工質 進行壓縮。在壓縮過程2-b-1中，工質向低溫熱源放出的熱量為q2 （取絕對值）環境 消耗的壓縮功為面積2-b-1-4-3-2。工質完成一個循環后，對外所作的凈功

5、W為膨脹功與壓縮功之差（正值）， 在p-v圖上為循環曲線所包圍的面積1-a-2-b-1。根據熱力學第一定律，正循環的比循環凈功為w=q=q1-q2（4-1）通常用循環熱效率n t來評價正循環的經濟性。循環熱效率（nt）：指工質在整個熱力循環中，對外所做的循環功凈w與循 t環中外界加給工質的熱量q1的比值即門二虬=q廣q 2 1 全_q 1q 1q 1熱效率是衡量熱機性能的重要指標之一，體現了熱機循環熱能轉變為機械能 的有效程度。由熱力學第一定律知，第一類永動機是造不出來的，所以熱效率不可能大于 1.。由上式知，若q2=0，則nt=100%，即在循環中工質如果沒有向低溫環境 放熱，則工質便可將吸

6、收的熱量100%地轉換為功。這雖然不違反熱力學第一定 律，但實踐證明這是不可能的。熱力學第二定律就是在研究如何提高熱機效率的過程中被發現并逐步發展 起來的。由此可見，循環的熱效率總是小于1的。每完成一次正循環，工質從高溫熱 源得到的熱量q1中，在一部分熱量（q1-q2）轉變為功w的同時，必定有另外一 部分熱量勺2排放該低溫熱源（環境），這就是熱能連續不斷地轉換為機械功必要 的補充條件。二、逆循環及其工作系數逆循環：是消耗機械能，迫使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的循環。按目的不同，逆循環可分為兩種：制冷循環：從低溫熱源吸收熱量；熱泵循環：向高溫熱源供熱。圖4 -1逆循環示意圖逆循環按逆時針方向進

7、行。如圖 4-2所示。圖中，1-b-2為膨脹過程，工質從低溫熱源吸收熱量q2后做膨脹功，功的大小可用p-v圖上的面積1-b-2-3-4-1表示。為使工質恢復到初始態，必須對工質進行壓縮。在壓縮過程2-a-1中，工質向高溫熱源放出的熱量為q1 （取絕對值）環境消 耗的壓縮功為面積2-a-1-4-3-2。循環所消耗的凈功w為壓縮功與膨脹功之差（取絕對值），在p-v圖上為循 環曲線所包圍的面積1-b-2-a-1。根據熱力學第一定律，逆循環的比循環凈功為W = Q1- q2逆循環的經濟程度用工作系數來衡量。工作系數 =得到的收益花費的代價制冷機的目的：從冷庫或冰箱中抽取熱量排向溫度較高的環境，使冷庫或

8、冰 箱內的溫度下降并保持低溫。代價：消耗了一部分機械能。制冷循環的經濟程度用制冷系數8表示熱泵循環的經濟程度用供熱系數 /表示e / = q_ q 1供熱系數 /恒大于1。制冷系數可能大于1、等于1也可能小于1。在同一個循環中，分別以制冷為目的和以供熱為目的的工作中，其制冷系數 供熱系數 /之間存在以下關系：e / 幻幻-q2+q2 = 1 + e 幻*2 幻*2無論是制冷循環還是供熱循環，為了實現把熱量從低溫物體傳該高溫物體， 都必須消耗一定的機械能。這些機械能將轉換為熱能，并與q2 一起傳向高溫物 體。這就是使熱量從低溫熱源傳至高溫熱源必要的補充條件。小結：指工質從某一熱力狀態出發，經過一系列中間狀態變化過程，又回到 原來的熱力狀態的全部過程的組合稱為熱力循環（循環）。熱力循環