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2021.03.06
热力学第二定律概要
熵--表示系统中工质有序程度的热力状态参数。
热力学第二定律内涵
背景：热能否100%连续转化为功？如能，如何转换？如不可以，可多大比例转换，即转换的最高效率是多少？如何实现这一最高效率？冷热能否双向自发流动？自然过程（自发过程）是单向的还是双向的？宏观世界的生物体生长、宇宙进化等如何理解；微观分子结构、体系结构、界面或表面构形如何稳定等。
热力学第二定律可从如下几种表述理解（不同表述是等价的）：
●能量品质有差异，热能品质<功的品质（功与电、磁、光、声、化学能、核能等品质相同；如同含金量，功等能量是纯金，热能则是含杂质的金，同样数量的热能和功，其中包含纯金的量不同）；
●过程有方向性，自发过程不可逆（如盐和水混合可自发进行，但盐水不能自发还原成盐和水；杯子可自发落到地上，但地下的杯子不能自发回到桌面）；
●热能不能连续100%转化为功；
●热能不能自发从低温物体流向高温物体；
●第二类永动机不可能；
●孤立系统熵增；
●基于热力循环的热功连续转换的最高效率是卡诺效率；卡诺循环可实现最高效率。
●卡诺循环-热机卡诺循环及卡诺效率
卡诺循环由四个可逆过程构成，具有最高的热力效率，其在温-熵图上的表示如下图所示（以热机卡诺循环为例）：
其中1-2为高温吸热过程，2-3为等熵膨胀过程，3-4为低温排热过程，4-1为等熵压缩过程。
热机的卡诺循环效率为{热机为消耗热能连续做功（如汽车发动机）或发电（如热力发电）的装置}：
式中，W为做功或发电量，J；QH为高温热源耗热量，J；TS为环境温度，K；TH为高温热源温度，K。
计算示例：以热力发电为例，设高温热源温度为500℃，环境温度为30℃，则该温度的热能连续转换为功的最高效率为：
1-(30+273)/(500+273)=61%
即1J高温热能可制得0.61J电或功。
●制冷机卡诺循环及卡诺效率
制冷机是消耗电或功来制取冷能的装置（如冰箱、夏季制冷空调等），其卡诺循环如下图所示：
图中，1-2为等熵压缩过程，2-3为高温排热过程，3-4为等熵膨胀过程，4-1为低温吸热（制冷）过程。
制冷机卡诺循环与热机卡诺循环的主要区别有两点，一是循环方向不同（热机顺时针，制冷机逆时针），二是冷热源温度不同。
制冷机的卡诺循环效率，即制冷系数为：
式中，QL为制冷量，J；W为耗功或耗电量，J；TS-环境温度，K；TL-制冷温度，K。
计算示例：设冰箱制冷温度-20℃，环境温度35℃，则冰箱的卡诺制冷系数为：
(-20+273)/(35-(-20))=4.6
即1J电可制得4.6J冷能。
●热泵卡诺循环及卡诺制热系数
热泵是消耗少量电或功将热能从低温向高温泵送的装置，具有消耗1份电或功可制取多份热或冷的特点。
热泵的卡诺循环如下图所示：
图中，1-2为等熵压缩过程，2-3为高温制热过程，3-4为等熵膨胀过程，4-1为低温吸热（制冷）过程，其中低温吸热温度可为环境温度，也可低于或高于环境温度。
热泵的卡诺循环制热系数：
式中，QH为制热量，J；W为耗电或耗功量，J；TS为环境温度或低温热源温度，K；TH为高温制热温度，K。
计算示例：
设热泵空调冬季为室内供暖时，室外环境温度为-10℃，室内空气温度为23℃，则此时热泵卡诺制热系数为：
(23+273)/(23-(-10))=9.0
即消耗1J电可为室内制取9J热能。
设开式热泵浓缩装置（MVR），料液加热温度120℃，料液中水分汽化排出的蒸汽温度105℃，则此时热泵卡诺制热系数为：
(120+273)/(120-105)=26
即消耗1J电或功可制取26J热能用于加热料液。
思考与练习
0℃时冰变水是否可逆过程？
1kg温度为0℃的水变为0℃的冰，其熵是增加还是减小？变化多少？设水的凝固热为320kJ/kg.
热能100℃，环境0℃时，1J热能最多可做出多少功（连续运行）？
冰箱-18℃，环境30℃，制取1J冷量最少需多少电（连续运行）？
热水50℃，环境0℃，制取1J热能最少需多少电能（连续运行）？
有没有措施消耗1J电可制取5J热能，如有，是否违反热力学第一定律？
暖气片传热过程中，暖气片内热水中的热能都传给了暖气片外的室内空气，这个过程中有没有能量损失？