【正文】 增大。 1定容過程 的pv圖和Ts圖 （a）Pv圖； （b）Ts圖 理想氣體的主要熱力過程 119 理想氣體的主要熱力過程 120 定壓過程 定壓過程是指定量的工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中壓力保持不變的熱力過程，工程實(shí)際中有許多在熱力設(shè)備中進(jìn)行的工質(zhì)加熱和冷卻過程都可近似按定壓過程對待。 （ 1）過程方程式 定壓過程的特征是工質(zhì)的壓力始終保持不變，所以其過程方程式為 p=常數(shù) （ 2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系 式按過程方程及理想氣體狀態(tài)方程式得 上式說明，定壓過程中理想氣體的比容與熱力學(xué)溫度成正比。 1212TTvv ? 理想氣體的主要熱力過程 121 （ 3）定壓過程在 pv圖、 Ts圖上的表示 如圖 ，定壓過程在 pv圖上是一條水平線，過程 1— 2表示系統(tǒng)對外界做膨脹功， w＞ 0；過程 1— 2′表示外界對系統(tǒng)做壓縮功， w＜ 0。 在 Ts圖上定壓過程也是 一條指數(shù)曲線，其斜率 為 定容過程 的斜 率）。也即加入 同樣熱量后定壓過程的 氣體溫度升高值較定容 過程小，因?yàn)橛胁糠譄? 量用于對外做功。過程 1— 2是一個吸熱升溫膨脹過程，溫度、比體積、熵都增大。 CvT＜CpTdSdT ?)(圖 定壓過程的 pv圖和 Ts圖 (a) pv圖；（ b） Ts圖 理想氣體的主要熱力過程 122 理想氣體的主要熱力過程 123 定溫過程 定溫過程是指定量的工質(zhì)在狀態(tài)變化中保持溫度不變的熱力過程。 （ 1）過程方程式 由過程特征 T=常數(shù)及 pv=RT得定溫過程的過程方程式為： pv=常數(shù) （ 2）初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式 由過程方程式可得定溫過程初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為： 可見，定溫過程中理想氣體的絕對壓力與比體積成反比。 2112vvpp ? 理想氣體的主要熱力過程 124 （ 3）定溫過程在 pv圖、 Ts圖上的表示 定溫過程 pv=常數(shù)，故其過程曲線在 pv圖上是一條等軸雙曲線，在 Ts圖上是一條與橫坐標(biāo)軸平行的直線，如 圖 。等溫加熱時，比體積增加，壓力下降，熵值增加，為吸熱膨脹過程，即圖中過程曲線 1— 2；反之，為壓縮放熱過程，熵值減小，即圖中過程曲線1— 2′。 圖 定溫過程的 pv圖和 Ts圖 (a) pv圖 。（ b） Ts圖 理想氣體的主要熱力過程 125 理想氣體的主要熱力過程 126 絕熱過程 定量工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中與外界沒有熱量交換的熱力過程稱為絕熱過程。實(shí)際工程中當(dāng)過程進(jìn)行得極快，熱力系來不及與外界發(fā)生熱交換，或者系統(tǒng)有良好的保溫絕熱材料使之與外界熱隔絕，都可近似看成絕熱過程來對待。 （ 1）過程方程式 對于理想氣體，依熱力學(xué)第一定律能量方程式可推出過程方程式為： pvk=常數(shù) 理想氣體的主要熱力過程 127 理想氣體的主要熱力過程 128 (3) 絕熱過程在 pv圖、 Ts圖上的表示 圖 絕熱過程的 pv圖和 Ts圖 (a) pv圖；（ b） Ts圖 理想氣體的主要熱力過程 129 理想氣體的主要熱力過程 130 理想氣體的主要熱力過程 131 前面所討論的基本熱力過程都有明顯的過程特征，即某一狀態(tài)參數(shù)在過程中保持不變。實(shí)際過程中往往是各參數(shù)都發(fā)生變化，比前述基本熱力過程更一般、更普遍，事實(shí)上也更具代表性，這種過程一般稱為多變過程。 過程方程式與多變指數(shù) 歸納四個基本熱力過程方程式，多變過程方程式可表示為 pvn=常數(shù) （ ） 式中， n為多變指數(shù)，可以是從 ∞到 +∞的任何實(shí)數(shù)。式中， n為多變指數(shù)，可以是從 ∞到 +∞的任何實(shí)數(shù)。 比較前面四個基本熱力過程，有： 多變過程 理想氣體的主要熱力過程 132 n=0時， p=常數(shù)，代表定壓過程； n=1時， pv=常數(shù)，代表定溫過程； n=k時， pvk=常數(shù)，代表定熵過程； n=177。 ∞時， v=常數(shù)，代表定容過程。 可見，四個基本熱力過程是多變過程的特例。實(shí)際過程中 n值也可能是變化的，即 n≠常數(shù)，如果 n值變化不大，則可用一定的多變過程來近似表示實(shí)際過程；如果 n值變化較大，則可把實(shí)際過程分作幾段，各段的 n值為不同的常數(shù)。當(dāng) n值為定值時，由公式（ ）可得： 上式表明，多變指數(shù) n值可由鄰近的兩個狀態(tài)參數(shù)來求得。 2112lnlnvvppn??????? 理想氣體的主要熱力過程 133 多變過程分析 （ 1）相關(guān)公式 顯然，多變過程與絕熱過程公式類似，只是指數(shù)不同。將多變過程初、終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系式及功量與熱量的計(jì)算公式和前述幾個熱力過程的有關(guān)公式均列于 表 ，以便比較。 （ 2）多變過程在 pv圖、 Ts圖上的表示 多變過程線的大致相對位置借助于四個基本熱力過程線可以確定。如圖 ，在制冷壓縮過程中常遇到的是 1＜ n＜ k，即介于定溫過程和定熵（絕熱）過程之間的多變過程。 理想氣體的主要熱力過程 134 表 理想氣體的主要熱力過程 135 （ 3）過程中 w、 Δu正負(fù)值的判定 圖 、負(fù)范圍。熱量的正、負(fù)以定熵線為基準(zhǔn)。從初狀態(tài)點(diǎn) 1到終狀態(tài)點(diǎn) 2，當(dāng)終點(diǎn)在 pv圖的右上區(qū)域， Ts圖的右側(cè)區(qū)域的熱力過程均為 q＞ 0、 Δs＞ 0的吸熱過程；反之，則 q＜ 0、 Δs＜ 0 ，為放熱過程。 圖 pv圖和 Ts圖 (a) pv圖 。(b) Ts圖 理想氣體的主要熱力過程 136 體積變化功的正、負(fù)以定容線為基準(zhǔn)。以 1點(diǎn)開始，當(dāng)過程終點(diǎn)位于 pv圖上定容線右側(cè)，或 Ts圖中右下側(cè)時， Δv＞ 0、Δw0,為膨脹做功；反之，則 Δv＜ 0、 Δw＜ 0,為外界對系統(tǒng)做壓縮功。 內(nèi)能的增、減以定溫線為基準(zhǔn)，以 1點(diǎn)為開始，當(dāng)過程終點(diǎn)位于 pv圖中定溫線右上區(qū)域，或 Ts圖中定溫線上側(cè)區(qū)域，則 ΔT＞ 0、 Δu＞ 0、 Δh＞ 0，為工質(zhì)的內(nèi)能及焓增加的過程；反之，則 ΔT＜ 0、 Δu＜ 0、 Δh＜ 0，工質(zhì)內(nèi)能及焓減少。 需要指出的是，當(dāng) 1＜ n＜ k時，從圖上可以看出，此時氣體的膨脹過程中 q為正而 ΔT為負(fù)，氣體的壓縮過程中 q為負(fù)而 ΔT為正。這意味著此時多變比熱容為負(fù)值，其物理意義可認(rèn)為是：當(dāng)氣體膨脹做功時，對外做的功大于氣體吸收的熱量，差數(shù)由氣體內(nèi)能來補(bǔ)償，故氣體溫度降低；壓縮時，外界對氣體做的功大于氣體向外界放出的熱量，其內(nèi)能增加而溫度升高。 理想氣體的主要熱力過程 137 工程中都是通過工質(zhì)來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移的，為保持過程的連續(xù)性，工質(zhì)常會循環(huán)使用。如采暖系統(tǒng)利用熱水在散熱器內(nèi)散熱可以維持室內(nèi)溫度，散熱后的水絕對不會排掉，而是仍返回?zé)嵩慈ダ^續(xù)被加熱，如此循環(huán)往復(fù)，才能保證有熱水連續(xù)不斷地流入散熱器而向室內(nèi)供熱。而將散熱后的水排掉，顯然是不合理的。 工質(zhì)從初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列熱力狀態(tài)變化后又回復(fù)到原來狀態(tài)的全部過程稱為熱力循環(huán)，簡稱循環(huán)。 熱力循環(huán) 熱力學(xué)第二定律簡介 138 如果組成循環(huán)的全部熱力過程均為可逆過程，則該循環(huán)為可逆循環(huán)，在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)中可用實(shí)線表示，并且是一條封閉的曲線，如 圖 。否則，為不可逆循環(huán)。 按照熱力循環(huán)的目的或效果不同，可分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)。 圖 （ a）正向循環(huán)； (b)逆向循環(huán) 熱力學(xué)第二定律簡介 139 正向循環(huán)和熱效率 熱力學(xué)中，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的循環(huán)稱為正向循環(huán)，圖 (a)所示為 1 kg工質(zhì)在熱機(jī)中進(jìn)行 12341的正向循環(huán)，在 pv圖上是按順時針方向進(jìn)行的。在過程 1—2— 3中，工質(zhì)從高溫?zé)嵩?T1吸收熱量 q1，并向外界輸出膨脹功，即面積 S123v3v11。過程 3— 4— 1為壓縮過程，所消耗的壓縮功即面積 Sv1v3341v1，同時向低溫?zé)嵩?T2放出 q2的熱量，并結(jié)束一個循環(huán)回到初始狀態(tài)。如 圖，按熱力學(xué)第一定律，在這一個循環(huán)過程中，系統(tǒng)向外界輸出的凈功 w0，應(yīng)等于工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃?q1與向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?q2的差值，即 熱力學(xué)第二定律簡介 140 （ a）熱機(jī)； (b)制冷機(jī)（熱泵） 熱力學(xué)第二定律簡介 141 逆向循環(huán)和工作系數(shù) 逆向循環(huán)是消耗機(jī)械能（或其他能量），將熱能從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移（傳遞）到高溫?zé)嵩吹臒崃ρh(huán)。如制冷裝置及熱泵型空調(diào)等，均是由外界對系統(tǒng)輸入循環(huán)凈功（壓縮過程 3— 2— 1與膨脹過程 1— 4— 3的功量代數(shù)和， w0＜ 0）來實(shí)現(xiàn)熱能由低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移的。如圖 (b)和 (b)所示，逆向循環(huán)在 pv圖上為逆時針方向進(jìn)行。若 1 kg工質(zhì)完成一個逆向循環(huán)，消耗凈功 w0，從低溫?zé)嵩?T2吸收熱量 q2，向高溫?zé)嵩?T1放出熱量 q1，則 注意，上式中，循環(huán)凈功 w0本應(yīng)為負(fù)值，但為計(jì)算方便，將 q1放熱取絕對值，按上式求得 w0為正。 021 wqq ?? 熱力學(xué)第二定律簡介 142 熱力學(xué)第二定律簡介 143 自發(fā)過程與非自發(fā)過程 按過程的發(fā)生是否為人類所為 ,我們所涉及的一切過程可分為自發(fā)與非自發(fā)過程。 在重力場、溫度場等自然條件下能夠自動進(jìn)行的過程我們稱為自發(fā)過程。由于人為干涉或影響才能進(jìn)行的過程稱為非自發(fā)過程。 按照上述劃分，我們稍加注意后就會發(fā)現(xiàn)，自然界所發(fā)生的自然過程都是按一定方向進(jìn)行的，是不可逆的。如水可以自發(fā)地從高處流向低處、氣體可以自發(fā)地由高壓向低壓膨脹、熱自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體、機(jī)械能可以通過摩擦自發(fā)地轉(zhuǎn)換為熱能，等等。這些自然過程不需附加任何人為的條件而自然進(jìn)行，我們稱之為自發(fā)過程。 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律簡介 144 反過來，水不會自發(fā)地從低處流向高處，但人們用水泵卻可以將水輸送到高處；氣體不會自發(fā)地進(jìn)行壓縮升壓，但我們可以利用壓縮機(jī)來對其進(jìn)行壓縮，提高其壓力；同樣，熱不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，也不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，但我們可以利用制冷機(jī)或熱機(jī)來實(shí)現(xiàn)這些過程。上面這些須附加人為條件才可實(shí)現(xiàn)的過程稱為非自發(fā)過程，而所有非自發(fā)過程的完成，必須要人為地付出一定的代價，如水泵、制冷機(jī)等消耗額外的機(jī)械能來作為補(bǔ)償；熱機(jī)則有部分熱量 (q2)從 T1傳遞到 T2使這部分熱的可用性降低來作為補(bǔ)償。 熱力學(xué)第二定律簡介 145 熱力學(xué)第二定律的表述和實(shí)質(zhì) 熱力學(xué)第二定律不單只解決能量轉(zhuǎn)換和傳遞有關(guān)熱過程的方向、限度等問題，而且也指明一切自發(fā)過程的方向性問題。所以熱力學(xué)第二定律的表述有多種，都反映同一客觀規(guī)律，而每一種說法又都緊密地與自然界的具體現(xiàn)象相聯(lián)系。下面介紹兩種與熱能的傳遞和轉(zhuǎn)換聯(lián)系緊密的經(jīng)典說法。 （ 1 Kelvin Plank）表述 ：不可能制造從單一熱源取得熱量使之完全變成機(jī)械能而不引起其他變化的熱機(jī)。 這種說法指明，從某熱源取得的熱量不能全部變成機(jī)械能。要使熱能連續(xù)不斷地變?yōu)闄C(jī)械能，必須有一部分熱能從高溫?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩矗词?()中的 q2不為零），這就是熱能變?yōu)闄C(jī)械能的不可或缺的補(bǔ)償過程。換句話說，即熱機(jī)效率永遠(yuǎn)小于 100%。 熱力學(xué)第二定律簡介 146 過去曾有人試圖制造一種使工質(zhì)可以無償?shù)貜拇髿饣蚝Ｋ形崃坎⑹怪哭D(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器，即所謂的“第二類永動機(jī)”。此種機(jī)器并不違反熱力學(xué)第一定律，但它違反了熱力學(xué)第二定律：單熱源的熱機(jī)是不存在的。 （ 2）克勞修斯（ Clausius）表述 ：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。 這種說法指出了熱傳遞過程的方向性：熱可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體；反之，則是非自發(fā)的，需要消耗其他能量作為補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)。 熱力學(xué)第二定律還有很多種表述，但實(shí)質(zhì)上是一致的，都說明了自發(fā)過程是有方向性的，非自發(fā)過程必須在一定條件下才能進(jìn)行。 熱力學(xué)第二定律簡介 147 量不單有數(shù)量的守恒（熱力學(xué)第一定律），而且還存在質(zhì)量的差異。因?yàn)槲覀冎?，機(jī)械能可以百分之百地轉(zhuǎn)化為熱，而熱機(jī)卻不能百分之百地將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。所以，同樣是能量，但能的存在形式不同，其品