热工基础-2-(3)热力学第二定律-
热力学第二定律
威廉·汤姆逊（William Thomson，Lord Kelvin，1824 ~1907），英国数学物理学家、发明家，热力学的主 要奠基人之一。1848年创立了热力学温标；1851年 提出热力学第二定律；1852年发现了焦耳－汤姆逊效 应。
普朗克（Max Planck，1858~1947），德国物理 学家，量子力学的创始人，博士论文《论热力学 的第二定律》，在1918年获得Nobel物理学奖。
热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE
12
热工基础
第三节 热力学第二定律
三、 卡诺循环(Carnot Cycle)和卡诺定律
2. 概括性卡诺循环
T a
T1
回热：循环中工质内部互相传递
例如：现代火电厂，水蒸气温度T1=1000 K，环境温度T2=300 K
所：
c
1 300 1000
70%
热流科学与工程教育部重点实验室 Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE
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热工基础
第三节 热力学第二定律
三、 卡诺循环(Carnot Cycle)和卡诺定律
或：热不可能自发的、不付代价的从低温物体传至高温物体。 It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lowertemperature body to a higher-temperature body.
热工基础的期末总结
热工基础的期末总结一、热力学部分1. 热力学基础知识的学习热力学是研究热能与其他形式能量之间相互转化和传递的一门学科。
在学习过程中，我通过课堂的学习、书籍和网上资料的查阅，对热力学的基本概念、热力学系统和热力学性质等方面有了初步的了解。
2. 热力学基本定律热力学基本定律是热力学的核心内容，也是热工基础的重点。
本课程主要学习了热力学的三大基本定律：热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。
通过对这些定律的学习和应用，我能够分析和计算热力学系统的能量转移和能量转化过程。
3. 热力学过程和热力学循环热力学过程是指系统在一定条件下发生的能量传递和物理性质发生变化的过程。
热力学循环是指系统在一定路径下变化，最终回到初始状态的过程。
通过学习这些内容，我能够对热力学过程和热力学循环进行分析和计算，从而了解能量转移和物理性质变化的规律。
4. 热力学性质的计算热力学性质是指描述系统热力学状态和性质的量，如温度、压力、体积等。
在学习过程中，我学习了热力学性质的计算方法，如状态方程、热容、焓、熵等。
通过对热力学性质的计算，我能够确定系统的热力学状态和性质。
二、传热学部分1. 传热学的基本概念和模型传热学是研究热量如何从高温区向低温区传递的学科。
在学习过程中，我学习了传热学的基本概念和模型，如传热方式、传热模型和传热原理等。
2. 传热方式和传热模型传热方式是指热量传递的途径，主要包括传导、对流和辐射。
传热模型是指用来描述传热过程的数学模型，如传热定律和传热方程等。
在学习过程中，我对这些内容进行了深入的学习和了解。
3. 传热计算方法在传热学中，计算方法是非常重要的，主要包括传热计算和传热换热器的计算。
传热计算是指通过传热方程和传热模型对传热过程进行计算和分析。
传热换热器的计算是指对传热器的传热性能和换热器的几何参数进行计算和设计。
通过学习和掌握这些计算方法，我能够对传热系统进行分析和设计。
三、实践操作在本学期的热工基础课程中，我还进行了一些实践操作和实验课程。
热工基础教学大纲
热工基础教学大纲一、课程概述本课程是介绍热力学相关的知识，包括热力学基本概念、状态方程、热力学第一定律和第二定律以及热力学循环等。
本课程着重讲解热力学基本概念和定律，为学生深入理解热力学的应用奠定基础。
二、教学要求1.掌握热力学的基本概念、状态方程、热力学第一定律和第二定律等基础知识；2.掌握热力学循环的原理与应用；3.能够应用所学知识解决基本的热力学问题。
三、教学内容及教学进度章节节数教学内容第一章热力学基本概念2热力学基本概念、热力学系统、过程、平衡及稳定第二章热力学第一定律（能量守恒定律）4热力学第一定律、状态方程、热容量和焓第三章热力学第二定律（熵增原理）4热力学第二定律、熵及其计算方法、可逆过程第四章热力学循环2反应炉及其热力学工作循环、蒸汽章节节教学内容数动力循环第五章热力学应用4理想气体循环、真实气体循环、计算机辅助热力学注：教学进度为每周2节课，共计16周。
四、教学方法1.讲授：授课教师将内容详细、透彻地讲解并通过图像予以说明，重点突出，简明扼要，注重理论联系实际；2.练习：由教师在课堂上布置练习题并解答，或将一定量的习题要求学生在课后认真完成，并将重点、难点、疑点向学生重点解释；3.实验：通过热学实验环节，让学生进一步了解热力学内容和知识，拓展学生的视野，提高实践能力；4.讨论：设置问题讨论环节，让学生独立思考、吸收知识、借鉴他人经验，培养学生积极参与、独立思考、团队合作、创新意识的能力；5.课外拓展：鼓励学生通过书籍、网络和其他渠道了解热力学基础知识的应用和前沿领域的发展，提高学生的自主学习能力。
五、考核办法1.平时表现：课堂练习和实验成绩占平时成绩的30%；2.期中考试：占总成绩的30%；3.期末考试：占总成绩的40%。
六、参考教材1.《热力学基础》（第四版）马紫良、周相忠、李荣华、李忠著，高等教育出版社，2018年；2.《热力学》（第八版）郭仁言、张皖民、林同喜、周雪苹编著，清华大学出版社，2021年；3.《工程热力学》（第四版）侃夫著，中国电力出版社，2018年。
热工基础知识
一、传热基本方式
① 导热的特点 A 必须有温差 B 物体直接接触 C 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动 而传递热量 D 不发生宏观的相对位移
一、传热基本方式
②导热机理 气体： 气体：导热是气体分子不规则热运动时相 互碰撞的结果，温度升高，动能增大， 互碰撞的结果，温度升高，动能增大，不 分子相互碰撞， 同能量水平的 分子相互碰撞，使热能从高 温传到低温处。 温传到低温处。
一、传热基本方式
对流换热特点 对流换热与热对流不同，既有热对流，也 有导热； 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运 动；也必须有温差
一、传热基本方式
4） 对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 > ） 流体被加热时： 流体被加热时： 流体被冷却时： 流体被冷却时
Φ = t
1
δ
A
−
t
2
=
λ
∆ R
t
λ
一、传热基本方式
单位热流密度
q =
t1 − t 2
δ λ
∆ t = rλ
δ Rλ = Aλ
导热热阻
δ rλ = λ
单位导热热阻
Φ=
λ ∆tA δ
一、传热基本方式
λ— 比例系数，称为导热系数或热导率，其 意义是指单位厚度的物体具有单位温度差 时，在它的单位面积上每单位时间的导热 量，它的国际单位是 W／( m·K)。它表示材 料导热能力的大小。导热系数一般由实验 测定，例如，普通混凝土 W／(m·K), 纯铜 的将近400 W／(m·K) 。
作业题
2、一大平板，高3m，宽2m，厚0.2m, 导 热系数为45 W/(m·K), 两侧表面温度分别为 =150 ℃ 及=285 ℃, 试求该板的热阻、单位 面积热阻、热流密度及热流量
热工基础的原理及应用
热工基础的原理及应用1. 热工基础的概念热工基础是热力学和热传导学的基础，是研究能量转化、能量传递和能量转换的科学。
它主要涉及热力学、热传导、热辐射等内容，可以应用于各个领域，如工业、航空航天、能源等。
热工基础对于理解和应用能量转化、传递和转换非常重要。
2. 热工基础的原理2.1 热力学的原理热力学是热工基础的重要组成部分，它研究的是热力学系统中能量的转化和传递规律。
热力学的基本原理包括以下几个方面：•热力学第一定律：能量守恒，能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量不会减少或增加。
•热力学第二定律：熵增原理，自然界的熵总是增加的，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
•热力学第三定律：绝对零度原理，当温度接近绝对零度时，物体的熵趋于零。
2.2 热传导的原理热传导是热工基础中的重要内容，研究的是物体内部的热量传递规律。
热传导的原理可以用以下几个概念和公式来描述：•热导率：热导率是物质传导热量的能力，它的单位是瓦特/米·开尔文（W / m · K）。
•热传导方程：热传导方程描述了物体内部的温度变化与热流量之间的关系，可以用下面的公式表示： $Q = -k \\cdot A \\cdot \\frac{{dT}}{{dx}}$ •热阻和热导：热阻是物体传输热量的阻力，它的大小取决于物体的热导率和几何形状。
2.3 热辐射的原理热辐射是热工基础中的另一个重要内容，研究的是物体通过辐射传递热量的规律。
热辐射的原理可以用以下几个概念和公式来描述：•黑体辐射：黑体是理想的辐射体，它能完全吸收所有进入它表面的辐射能，并能以最大的效率辐射出去。
•斯特藩-玻尔兹曼定律：斯特藩-玻尔兹曼定律描述了黑体辐射的功率密度与温度的关系，可以用下面的公式表示： $P = \\sigma \\cdot A \\cdot T^4$•辐射传热：物体的辐射传热是指物体通过辐射的方式将热量传递给其它物体，其传热速率与物体的温度差和表面特性有关。
热工基础(张学学 第三版)复习知识点
式
数间的关系
交换的功量
w /( J / kg) wt /( J / kg)
交换的热 量
q /(J / kg)
定容 v 定数 定压 p 定数 定温 pv 定数
定熵 pvk 定数
v2
v1;
T2 T1
p2 p1
p2
p1
;
T2 T1
v2 v1
T2
T1;
p2 p1
v1 v2
p2 p1
1.理想气体：理想气体分子的体积忽略不计；理想气体分子之间
无作用力；理想气体分子之间以及分子与容器壁的碰撞都是弹性
碰撞。
2.理想气体状态方程式（克拉贝龙方程式）
PV mRgT
其中 R 8.314J /(mol K )，
或 PV nRT
RgΒιβλιοθήκη R M3.定容比热与定压比热。
定容比热 cV
wt
1 2
c f
2
gz
ws
当 p2v2 p1v1 时，技术功等于膨胀功。
当忽略工质进出口处宏观动能和宏观位能的变化，技术功就
是轴功；且技术功等于膨胀功与流动功之差。
在工质流动过程中，工质作出的膨胀功除去补偿流动功及宏
观动能和宏观位能的差额即为轴功。
7.可逆过程的技术功：
wt
2
vdp
6.边界：系统与外界的分界面。
7.系统的分类：
（1）闭口系统：与外界无物质交换的系统。
（2）开口系统：与外界有物质交换的系统。
（3）绝热系统：与外界之间没有热量交换的系统。
（4）孤立系统：与外界没有任何的物质交换和能量（功、热量）
热力学知识点小结
H U pV
或
h u pv
焓的物理意义： 1.对流动工质和非流动工质，焓都是状态函数 2.对流动工质，焓既是状态参数，也是工质流动时携带的取决于热力状态的 那部分能量。 3.对非流动工质，焓仅是状态参数。
第三章
1.理想气体的状态方程 状态方程： pv RgT
（只能用于同一平衡状态，不能用于过程计算，压力为绝对压力，温度为绝 对温度）
根据过程特点分别为：定容过程：n=±∞，定压过程：n=0，定温过程：n=1， 定熵过程：n=
5
复习专用
2）过程中任意两状态间 p、v、T 参数之间的关系 由克拉贝龙方程
p1v1 T1
p2v2 T2
p3v3 T3
Rg
可以很容易地推得定容、定压和定温过程中任意两状态间 p、v、T 参数之间 的关系式。而对于多变过程和定熵过程，可以利用其状态方程和过程方程联立求 出。而且多变过程与定熵过程状态参数之间的关系式结构相同，只是多变指数不 同，所以推出一个就可得出另一个。
Rg
ln
v2 v1
s c
pln
T2 T1
Rg
ln
p2 p1
另外的： s
2
cv
1
dp p
2
cp
1
dv v
上式比热容为定值时： s
cv
ln
p2 p1
cp
ln v2 v1
3.理想气体的热力过程
1）4 种基本热力过程及多变过程的特点和过程方程 过程方程描述的是过程，即整个过程遵循相应的过程方程的规律变化。 4 种基本热力过程的特点是定容、定压、定温和定熵，也就是说这 4 种过程
热工基础
工程热力学一、基本概念（一）工质及其状态参数1、工质：实现热能与机械能相互转换的工作介质（如：水蒸汽）。
工质的状态：工质在某一瞬间宏观的物理特性。
2、工质的状态参数：描述工质状态的物理量。
常见的状态参数：温度T、压力P、比容c、内能U、焓H、熵S（1）压力：单位面积上所受的垂直作用力，p=F/A，符号为p，单位是帕斯卡，表示为“Pa”，1Pa=1N/m2，工程上常用MPa，1Mpa=10Pa，此外，还有at、atm，mmHg等。
压力的测量：压力表数据与工质实际压力的关系：（我们用p表示绝对压力，p b表示大气压力，p g表示压力表读数）绝对压力：容器内工质的的实际压力，用符号p表示；表压力：工质的绝对压力与大气压力的差值，用p g表示。
p=p b时，p g=0 p＞p b时，p=p b+p g p＜p b时，压力表（真空表）上读数称为负压或真空，p v表示，p=p b-p v电厂中有时用真空度表示真空值的大小，称为真空度。
（2）内能：内部所具有的各种微观能总和，用符号“U”表示，单位为J或kJ，U=f （T，v）主要包括：分子内动能：主要由分子不规则热运动引起，是温度的函数；分子内位能：分子间存在着作用力，与分子之间距离有关，是比容的函数。
由于内能取决于工质的温度与比容，因此，内能是状态参数（3）焓：焓为内能与流动功的总和，用H或h表示，单位为J或kJ，h=u+pv；焓是状态参数；（4）熵：ds=dq/T，单位：J/（kg.k）或kJ/(kg.k)，熵为状态参数，热力学中常用ds的正负来判断热量的大小、方向：ds＞0，q＞0，吸热；ds＜0，q＜0，放热；ds=0，q=0绝热。
3、膨胀功及p-v图4、热量及T-S图（二）热力学第一定律：热可以变为功，功也可以变为热；当一定量的热消失，必产生与之数量相当的功，消耗一定量的功，必产生相当数量的热。
热力学第一定律解析式及应用q=Δu+w（1kg工质）q：系统吸收或放出的热量。
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低温热源没变化,唯有高温热源放出了热量： QHA －QHB＞0, 并对外输出了净功Wo＝ WA－WB 说明联合运转的机器：是一个单一热源的热机, 违背了热力学第二定律开尔文的说法。
故而不可能实现。 因此开始的假设不成立。 定理一得证。
TL hc = 1 TH
(1) 卡诺循环等所有的可逆循环的热效率仅取决
⑴ 循环过程
1 2
绝热压缩
2 3
等温吸热
3 4
绝热膨胀
4 1
等温放热
热工基础—第2章
⑵ 热效率
可证明，采用理想气
体为工质时的卡诺循环的 热效率η c,仅与热源温度TH 和冷源温度TL有关,为：
hc = W0 / QH = (QH - QL ) / QH = 1 - TL / TH
可逆过程熵变的计算：
设有一可逆过程12 ，其熵变及比熵变为：
2、热力学第二定律的数学表达式
克劳修斯积分等式 是循环可逆的 一种判据，那么如何判断循环不可逆呢?
（1）克劳修斯积分不等式
如图不可逆循环1－A－2－B－1, 其中虚线表示循环中的不可逆过 程。
用无数条可逆绝热过程线将循环分成无穷多
个微元循环。
力过程却未必都能自动发生。
自发过程：能够独立地、可以无条件自动发生的
过程称为自发过程；反之是非自发过程。
自发过程的反方向过程即为非自发过程。
因此，热力过程的方向性，说明自发过程具
有方向性。
！！！注意： 非自发过程，不能自动发生，强调的是自 动,并没有说非自发过程不能发生——需补偿。 事实上，许多实际过程都是非自发过程。
克劳修斯不等式： 讨论 克劳修斯不等式，可以作为判断循环是否
可以发生，是否可逆的判别式。
①等于零，为循环可以发生，且可逆； ②小于零，为循环可以发生，但不可逆； ③大于零，为不可能发生的循环。
卡诺定理
1、卡诺定理的表述： 定理1
TL hc = 1 TH
在温度相同的两恒温热源间工作的一切可逆
循环，其热效率都相等,与可逆循环的种类无关，
与采用哪种工质也无关。 定理2 在温度相同的两恒温热源间工作的一切不可 逆循环，其热效率恒＜可逆循环热效率。
采用反证法证明定理一: 设有可逆热机A和B ,分别从 同一高温热源吸取热,向同一低 温热源放热; 设： 两热机分别吸热QHA和 QHB,放热量QLA和QLB ,对外作功 WA和WB ； 则它们的热效率CA和CB分 别为： CA＝1－QLA／QHA CB ＝1－QLB／QHB
⑵ 平均吸热温度和平均放热温度
① 概念
在熵变Δ S不变的前提下,
假想一个定温吸热（或放热） 过程a-b（或d-c),使其吸热量 (或放热量）等于原循环的吸热 量QH或放热量（QL），则这个
假想换热温度Ta-b（或Td-c)，就
是平均吸热（或放热）温度。
②平均吸热（放热）温度计算
工质在变温吸热过程e-hg中的吸热量为：
每一个不可逆微元循环，其热效率η t＜η
c
热工基础—第2章
即：
注意：效率η公式中Q为绝对值
考虑到δ QL为工质放热,
补充“－”号。
改写上式，不可逆微元
循环有：
※而每一个可逆微元循环有：
对包括可逆与不可逆的所有微元循环的吸
热和放热过程，进行积分求和,则有：
因此，对于一般热力循环：
（2）热力学第二定律的数学表达式
的条件下,尽量提高工质的平均吸热温度和降低工质
的平均放热温度是提高其热效率的有效措施和途径。
③引人平均温度,使得任意可逆循环热效率
的定性比较十分方便。
作业：P57
2－31 思考题: P54
15 18 20
四、 熵参数、热过程方向的判据
熵是描述所有不可逆过程共同特性的热力学 状态参数。 熵是与热力学第二定律紧密相关的状态参数。 它是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、
率不可能等于100%,只能小于100%。这就是说,
在动力循环中,不可能把从热源吸取的热量全部
转变为功。
(4)当TH=TL时,η c=0。 这说明单一热源的热机是不可能造成的。
(5) 不花代价的冷源温度TL以“大气温度T0”为最
低极限,因此，热源 T 放出的热量Q中能转变为机 械功（有用功）的最大份额是： T0 Ex ,Q = Q(1 - ) = Q hc T 称为热量火用（热量有效能），这里η c又称为 卡诺因子。 同理，不能转变为机械功而排向大气的热量称之为 热量火无（热量无效能）：
证明:第二定律各种表述的等效性
如图所示,取热机A为系 统；
它自高温热源吸热Q1；
将其一部分(Q1-Q2)转 化为功Wo； 并向低温热源放热Q2。
如果违反克劳修斯的 说法（热量不可能自发地、 不花代价地 从低温物体传 向高温物体）； 这也就否定了开尔文说 法（不可能制造一种循环热 机，只从一个热源吸热，将 之全部转化为功，而 不留 下任何影响）。
于热源和冷源的温度,而与工质无关。
※提高热源温度TH和降低冷源温度TL是提高
可逆循环热效率的根本途径和方法。
(2) 在温度相同的两恒温热源间工作的一切不可
逆循环，其热效率恒＜可逆循环热效率。
因此，要尽量减少循环中的不可逆因素。
热工基础—第2章
TL hc = 1 TH
(3)由于TL=0K和TH→∞是不可能的,故循环热效
陕西科技大学机电学院《热工基础》
第二章 热力学第二定律
主讲教师：袁 越 锦
热工基础—第2章
2-3
热力学第二定律
一 、热力过程的方向性 由热力学第一定律知:
如果发生了一个热力过程，其能量的传递
和转换必然遵循热力学第一定律。
然而一个遵循热力学第一定律的热力过程
是否能够发生? 热力学第一定律并未告诉我们。 事实上，自然界中遵循热力学第一定律的 热力过程，未必一定能够发生。
2、热力学第二定律要解决的问题
要实现非自发过程，必须付出某种代价作为
补偿，但应最大限度地减少补偿。 减少补偿的最大限度是多少的问题,它正是 热力学第二定律要解决的问题！！！ 例如：在以消耗功作为补偿的制冷工程中,在
相同制冷量条件下,为提高制冷系数尽量减少外
界耗功; 同样在动力机中,为使热效率提高,在相同吸 热量条件下尽量减少向冷源放热。
TH和TL都是换热时热源的温度,也可用
T表示,这样上式可写为：（注意计算时换热量
与温度相对应）
此称为克劳修斯积分等式，表明Q／T的积 分与路径无关！！
再进一步说明δ Q／T的积分与路径无关: 由于： 将式变换为：
结论
①δ Q/T的积分,无论经1－A－2，还是经1－B 一2,只要是可逆过程，其积分值相等。 即可逆过程δ Q/T的积分与路径无关。 ②定义状态参数熵S： 微元熵： dS＝δ Qre/T 比熵为：
是否可逆的判据，在过程不可逆程度的量度、热
力学第二定律的量化2章
1、状态参数熵的导出
对卡诺循环： 变换得：
上式中QH和QL分别为工质在循环中的吸热
量和放热量,且为绝对值。
考虑到QL是工质放热,取值为负,则有：
对任意可逆循环
如图所示。
用无数条可逆绝热过程线（ad,bc等）把 循环分割成了无数个微元可逆循环。
①自发过程的不可逆性，要使非自发过程得以
实现，必须伴随一个适当的自发过程作为补充条件。 (向低温放热，外界对系统做功） ②过程的不可逆性和方向性互为因果！！ ③ 第二类永动机——以环境为单一热源，使
机器从中连续吸热并使之全部对外作功。
"第二类永动机"不违背热力学第一定律，但却 违背了热力学第二定律。 故，热力学第二定律也可以表述为： 第二类永动机是造不成的。
热工基础—第2章
1、分析热力过程的方向性 （1）有限温差传热
只要Q=Q，B向 A传热并不违反第一
Q
Q'
定律（总热能不变）
（2） 功热转化
重物下落，水温升高是可行；
而反方向让水温下降，重物升高？ 只要使重物位能增加=水内能减少，不违 反第一定律。 △U＋W＝0
热工基础—第2章
（3） 电热转化
电流通过电阻，产生热量是可行；
热工基础—第2章
例如：
制冷就是把热量从低温的物体(或空间)传向
温度高的物体(或空间)。但这一非自发过程的发
生,必须以外界消耗功等作为代价。 同样,在动力机（蒸气机）中可以使热能转变
为机械能,但这一非自发过程的发生是以一部分
热量从高温物体传向低温物体(或从热源传向冷
源)作为代价。
即一个非自发过程的进行，必须付出某种代 价作为补偿。
但对电阻加热，电阻内产生电流？ 只要使产生的电能=加入的热能，不 违反第 一定律。
Q＝电能
除上述比较典型的例子外,还有许多例子可以 说明热力过程的方向性，如：气体自由膨胀、混
合过程等。
有些热力过程可以自动发生,有些则不能。 结论： 在自然界中,热力过程若要发生, ①必然遵循 热力学第一定律； ②但满足热力学第一定律的热
温度为：
Te - Th - Tg
放热热源温度为：
Tg－TL－Te
在吸热和放热过程中，工质随时保持与热
源温度相等（进行无温差可逆传热）。
⑴对变温热源处理为——多热源可逆循环 变温热源——简化为无
穷多个宽度为ds的微元
可逆循环，（对每个小
循环可认为是温度相差
无限小的恒温吸热和恒 温放热，即组成多热源
可逆卡诺循环。
则其总效果为热机A从高 温热源吸热Q1 -Q2,并使 之全部转变为功Wo
即热量Q2可以自动地、无偿 地从低温热源传至高温热源
可逆循环分析及其热效率