热力学第二定律及其应用

点击数：10092016-05-18 00:00:00　

根据热力学第一定律，可以确定热力过程中能量转换的数量关系。但是，遵守能量守恒的热力过程是否都能实现？热力学第一定律没有回答这个问题，即热力学第一定律没有指出能量转换的条件和方向。解决这一问题是热力学第二定律的任务。

一、 热力学第二定律的表述

热力学第二定律与第一定律一样，也是事实的总结。根据热现象不同侧面的观察结果，得到的第二定律的具体表述各不相同。

1．第一种表述：事实证明，历史上曾有人企图发明的第二类永动机是不能实现的。如果这种热机能够实现，其能量利用率可达100%，那是最理想的了。人们通过长期的科学实验和生产实践，得到的结论是：循环工作的热力发动机，其中工质从高温热源取得的热量不可能全部转变为机械能，总有一部分热量必须放给低温热源。这就是说，要使工质通过热力循环将热能转变为机械能，至少应有两个温度不同的热源，并且能量的利用率不可能达到100%，即第二类永动机也无法实现。依据热功转换的这种事实，开乐文和普朗克将热力学第二定律表述为：

不可能制造只从一个热源取得热量，使之完全变成机械能而不引起其它变化的循环发动机。

2．第二种表述：从传热的角度看，热量可以自发地、无任何条件限制地从高温物体传到低温物体。若要使热量由低温物体传向高温物体，必须消耗能量。例如，电冰箱要将从箱内被冷藏物体（低温物体）处吸取的热量传给大气环境（相对箱内温度是高温热源），就要求冰箱压缩机工作，通过消耗压缩机提供的机械能才能实现。这表明热量的传递具有方向性。克劳修斯依据传热的方向性，将热力学第二定律表述为：

热不可能自发地、不付出代价地从低温物体传到高温物体。

尽管热力学第二定律还有其它表述方法，但各种表述在本质上都是一致的。各种表述都表明自然界的自发过程具有一定的方向性和不可逆性，非自发过程的实现必须具备补充条件，并且非自发过程中能量转换的有效利用有一定的限度。

注：1．第一类永动机：不需外界提供能量，而能通过热力循环不断向外作功。这是违反热力学第一定律的，循环工作的热机，要不断向外输出机械功，必须依靠外界不断给系统提供热量，即循环对外输出的净功等于外界加给系统的净热，工质在经历一系列的状态变化后，又回到初始状态，内能的变化量为零。

    2．第二类永动机：工质在作热力循环中，只从单一的热源取得热量使之完全变成机械能对外作功。它没有违背热力学第一定律，但违反了热力学第二定律。

二、 致冷系数与供热系数

制冷循环的目的有两种。一是致冷，即获得需要的低温环境；二是从低温热源吸热，向高温热源供热，实现这个过程的装置称为热泵，如在冬季使用的热泵型房间空调器，就是利用制冷循环，从温度相对低的室外大气环境吸热，向温度相对高的室内供热，以达到取暖的目的。第一种以致冷为目的的制冷性能系数，称为致冷系数ε；第二种以供热为目的的制冷循环性能系数，称为供热系数μ。它们都是利用制冷循环所得收获与消耗之比，用于衡量有效利用程度的高低。

若制冷循环从低温热源吸收的热量用q2表示，向高温热源放出的热量用q1表示，消耗的外功用ω表示。根据热力学第一定律应有

对于理想循环，则有

                                  μC=εC+1                        （1-3-7）

例2-2冬天用一热泵对房屋供热，若房屋热损失是每小时50000kJ，室外环境温度为-10℃，问要使房屋内部保持室温为20℃，则带动该热泵所需的最小功率是多少？若直接采用电炉供暖，则需消耗多少功率？

解  当热泵按逆卡诺循环工作时，其供热系数最高，带动热泵所需功率就最小。因此，应按逆卡诺循环计算。

现热泵工作于-10℃和20℃两个热源之间，由式（1-3-5），当它按逆卡诺循环工作时，其供热系数为

μc=TH/（TH-TC）=（20+273）/[（20+273）-（-10+273）]=9.77

又由μc=q1/w =Q1/W知，带动此热泵每小时需消耗的外功

W=Q1/μc=50000/9.77=5118Kj

因此，带动该热泵所需最小功率为

P=W/τ=5118/3600=1.42Kw

若直接采用电炉采暖，电炉每小时所作的功应为50000kJ，则电炉所需功率为

P`=W`/τ=50000/3600=13.89kW

P、/P=9.77，可见，用热泵供暖较之电炉要经济得多。