工程熱力學(xué)基礎(chǔ)及理論循環(huán)

1、第一章 工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識熱力學(xué)是研究能量（特別是熱能）性質(zhì)及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。工程熱力學(xué)是熱力學(xué)最早發(fā)展起來的一個分支。它的主要內(nèi)容包括三部分：（1） 介紹構(gòu)成工程熱力學(xué)理論基礎(chǔ)的兩個基本定律熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。（2） 介紹常用工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。（3） 根據(jù)熱力學(xué)基本定律，結(jié)合工質(zhì)的熱力性質(zhì)，分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的各種熱力過程和熱力循環(huán)，闡明提高轉(zhuǎn)換效率的正確途徑。本章僅就工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識作一簡要闡述，為學(xué)習(xí)汽車發(fā)動機(jī)原理提供必要的理論基礎(chǔ)和分析計(jì)算方法。1.1 氣體的熱力性質(zhì)一、 氣體的熱力狀態(tài)及其基本參數(shù)熱機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是靠氣態(tài)工質(zhì)及在特定的條件下不斷地改變它的熱力狀

2、態(tài)（簡稱狀態(tài)），執(zhí)行某一具體的熱功轉(zhuǎn)換過程來實(shí)現(xiàn)的。常用的氣態(tài)工質(zhì)基本上可分為兩類：氣體和蒸氣。氣體是指遠(yuǎn)離液態(tài)，不易液化的氣態(tài)，而蒸氣則是指液態(tài)過渡過來或者比較容易液化的氣態(tài)。內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)是氣體（包括空氣、燃?xì)夂蜔煔猓晕覀儍H討論氣體的性質(zhì)。標(biāo)志氣體熱力狀態(tài)的各個物理量叫做氣體的狀態(tài)參數(shù)。常用的狀態(tài)參數(shù)主要有6個，即壓力p、溫度T、比體積v、內(nèi)能U、焓H、熵S 。其中p、T、v 可以直接用儀表測量。且其物理意義易被理解，所以稱為描述工質(zhì)狀態(tài)最常用的基本狀態(tài)參數(shù)。（一） 壓力p氣體對單位面積容器壁所施加的垂直作用力稱為壓力p，按照分子運(yùn)動論，氣體的壓力是大量分子向容器壁面撞擊的統(tǒng)計(jì)量。壓力

3、的單位為Pa，或記作N/m2，工程上亦常用kPa與MPa。容器內(nèi)氣體壓力的大小有兩種不同的表示方法。一種是指明氣體施加于器壁上的實(shí)際數(shù)值，叫絕對壓力，記作p ；另一種是測量時壓力計(jì)的讀數(shù)壓力，叫表壓力，記作pg 。由圖1-1可知，表壓力是絕對壓力高出于當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫o 的數(shù)值。 其關(guān)系式為:                     p = po + pg  &#

4、160;                (1-1)如果容器內(nèi)氣體的絕對壓力低于外界大氣壓力時，表壓力為負(fù)數(shù)，僅取其數(shù)值，稱之為真空度，記作pv 。即                      p = po - pv &#

5、160;                 (1-2)真空度的數(shù)值愈大，說明愈接近絕對真空。表壓力、真空度都只是相對于當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Χ缘摹ｏ@然，只有絕對壓力才是真正說明氣體狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。（二） 溫度T溫度表示氣體冷熱的程度。按照分子運(yùn)動論，氣體的溫度是氣體內(nèi)部分子不規(guī)則熱運(yùn)動激烈程度的量度，是與氣體分子平均速度有關(guān)的一個統(tǒng)計(jì)量。氣體的溫度愈高，表明氣體分子的平均動能愈大。熱力學(xué)溫度（習(xí)慣上稱為絕對溫度）T 是國際單位制

6、SI 制中的基本溫度，單位為K 。選取水的三相點(diǎn)溫度為基本定點(diǎn)溫度，規(guī)定其溫度為273.16K 。1K 等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16， SI 容許使用攝氏溫度 t ，并定義                     t = T - To            

7、;       (1-3)式中：To = 237.15K ，即水的冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度。在一般工程計(jì)算中，把 To 取作273 K 已足夠精確，攝氏溫度每一度間隔與熱力學(xué)溫度每一度間隔相等，但攝氏溫度的零點(diǎn)比熱容力學(xué)溫度的零點(diǎn)高273.15K 。熱力學(xué)溫度不可能有負(fù)值。必須指出，只有熱力學(xué)溫度才是狀態(tài)參數(shù)。（三） 比體積v比體積是單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積：   式中：v 比體積；      V 容積；   &

8、#160;  m 質(zhì)量。比體積的倒數(shù)稱為密度。密度是指單位容積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量； (1-5)比體積的單位為m3/kg；密度的單位為kg/m3 。二、 熱力系統(tǒng)、工質(zhì)及其平衡態(tài)和熱力過程（一） 熱力系統(tǒng)在熱力學(xué)中，把某一宏觀尺寸范圍內(nèi)的工質(zhì)作為研究的具體對象，稱為熱力系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。與該系統(tǒng)有相互作用的其他系統(tǒng)稱為外界。包圍系統(tǒng)的封閉表面就是系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界（或界面）。邊界可以是真實(shí)的，也可以是假想的。根據(jù)邊界上物質(zhì)和能量交換情況，熱力系統(tǒng)分為下述幾類：（）開口系統(tǒng)，指與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)；（）封閉系統(tǒng)，指與外界無物質(zhì)交換的系統(tǒng)；（）絕熱系統(tǒng)，指與外界無熱交換

9、的系統(tǒng)；（）孤立系統(tǒng)，指與外界即無熱交換，也無能量交換的系統(tǒng)。（二） 工質(zhì)及其平衡態(tài)工程熱力學(xué)中，把實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互交換的工作物質(zhì)稱為“工質(zhì)”。內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)是空氣和燃?xì)?。因?yàn)闅怏w具有最好的流動性和膨脹性，便于迅速引進(jìn)熱機(jī)，作功以后又能迅速排出熱機(jī)，在相同的壓差或溫差下，其膨脹比最大，因而能夠更有效地作功。同時氣體的熱力性質(zhì)簡單，可以簡化為理想氣體。為了對系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換情況進(jìn)行分析計(jì)算，系統(tǒng)中氣體各部分的溫度和壓力必須均勻一致（即處于熱平衡和力平衡），且不隨時間而變化，這樣的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài)（簡稱平衡態(tài)）。處于平衡態(tài)時，氣體的所有的參數(shù)都有確定的數(shù)值。只要知道兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)（如壓力p

10、和溫度T）就可確定氣體所處的狀態(tài)。（三） 熱力過程過程是指熱力系統(tǒng)從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總合。熱力系統(tǒng)從一個平衡（均勻）狀態(tài)連續(xù)經(jīng)歷一系列（無數(shù)個）平衡的中間狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)，這樣的過程稱為內(nèi)平衡過程。否則便是內(nèi)不平衡過程。在熱力學(xué)中，常用兩個彼此獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成坐標(biāo)圖，例如以p為縱坐標(biāo)、V為橫坐標(biāo)組成的坐標(biāo)圖（簡稱壓容圖）來進(jìn)行熱力學(xué)分析，如圖1-2所示。圖1-2 內(nèi)平衡過程在 pV 圖上的表示 圖中1、2分別代表p1 、v1兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)所確定的兩個平衡狀態(tài)；1-2曲線代表一個內(nèi)平衡過程。如果工質(zhì)由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2所經(jīng)歷的不是一個內(nèi)平衡過程，則該過程

11、無法在 pv 圖上表示，僅可標(biāo)出1、2兩個平衡態(tài)，其過程用虛線表示?？赡孢^程：假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷平衡過程1-2，由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，并對外作膨脹功W，見圖1-2。如果外界給以相同大小的壓縮功W使系統(tǒng)從狀態(tài)2反向循著原來的過程曲線經(jīng)歷完全相同的中間狀態(tài)回復(fù)到原來的狀態(tài)1，外界也回復(fù)到原來的狀態(tài)，即沒有得到功，也沒有消耗功，這樣的平衡過程稱為可逆過程。只有無摩擦、無溫差的平衡過程才有可逆性，即可逆過程就是無摩擦、無溫差的平衡過程?？赡孢^程是沒有任何損失的理想過程，實(shí)際的熱力過程既不可能是絕對的平衡過程，又不可避免地會有摩擦。因此，可逆過程是實(shí)際過程的理想極限。今后我們所討論的主要是可逆過程。三、 理想

12、氣體狀態(tài)方程式假設(shè)在氣體內(nèi)部其分子不占有體積，分子間又沒有吸引力，這樣的氣體稱為理想氣體。在熱力計(jì)算和分析中，常常把空氣、燃?xì)狻煔獾葰怏w都近似地看作理想氣體。因氣體分子之間的平均距離通常要比液體和固體的大得多，所以，氣體分子本身的體積比氣體所占的容積小得多；氣體分子之間的相互吸引力也很小。通常把實(shí)際氣體近似地看作理想氣體來進(jìn)行各種熱力計(jì)算，所以對理想氣體性質(zhì)的研究在理論上和實(shí)際上都是很重要的。根據(jù)分子運(yùn)動論和對理想氣體的假定，結(jié)合試驗(yàn)所得的一些氣體定律，并綜合表示成理想氣體狀態(tài)方程式（或稱克拉貝隆方程式）。對于質(zhì)量為1（單位為kg）的理想氣體，其狀態(tài)方程為：   

13、;               pv = RT                  (1-6)對于質(zhì)量為m（單位為kg）的理想氣體，其總?cè)莘eV=mv其狀態(tài)方程為：         &

14、#160;        pV = mRT                  (1-6)式中的R稱為氣體常數(shù)，它的數(shù)值決定于氣體的種類，其單位為：  對于1千摩爾（kmoL）理想氣體，其質(zhì)量為kg（為氣體分子量），其容積為v=Vm(m3/kmoL) ，按式(1-6) 可以得出1kmoL理想氣體的狀態(tài)方程式為： 

15、0;                pv = RT                   (1-6)即            

16、60;     pVm = RmT                    (1-6)根據(jù)上式可得：               Rm = R = pVm /T      

17、          (1-7)根據(jù)阿佛加德羅定律：同溫同壓下，相同容積的任何氣體都具有相同數(shù)目的分子。因此，在同溫同壓下任何氣體的千摩爾容積相等。在物理標(biāo)準(zhǔn)狀況（po =101325Pa及To =273.15K）條件下，千摩爾容積Vm的數(shù)值等于22.4m3/kmoL 。故對于任何理想氣體Rm的數(shù)值都相同，并稱為通用氣體常數(shù)，將 po、To 及Vm值代入（1-7）可得到：Rm = 8314.3J/kmoL·K(1-7)或： (1-7)理想氣體狀態(tài)方程式反映了理想氣體三個基本狀態(tài)參數(shù)間的內(nèi)

18、在聯(lián)系：F( p1V1T )=0，只要知道其中的兩個參數(shù)就可以通過該方程求出第三個參數(shù)。四、 工質(zhì)的比熱容在熱力工程中，熱量的計(jì)算常利用比熱容。工質(zhì)的比熱容就是單位量的物質(zhì)作單位溫度變化時所吸收或放出的熱量。用符號 C 表示。按定義 ：             式中：dq 某工質(zhì)在某一狀態(tài)下溫度變化dT 時所吸收或放出的熱量。單位是J（焦）或kJ（千焦)。比熱容是物質(zhì)的一個重要的熱力學(xué)性質(zhì)。氣體比熱容數(shù)值與氣體的性質(zhì)、熱力過程的性質(zhì)和加熱的狀態(tài)等有關(guān)。（一） 比熱容與物量單位的關(guān)系 因

19、為工質(zhì)的計(jì)量單位可用kg、kmoL、m3，工質(zhì)的比熱容有如下三種：質(zhì)量熱容(比熱容) c ,單位為 kJ/(kg·K)摩爾熱容 Cm ,單位為 J/(moL·K) 容積熱容 C ,單位為 kJ/( m3·K)（二） 比定壓熱容和比定容熱容氣體在壓力不變或容積不變的條件下被加熱是的比熱容，分別叫做比定壓熱容和比定容熱容，通常用腳標(biāo) p 和 v 來識別。如定壓千摩爾比熱容記作 cp kJ/( kmoL·K)，定容千摩爾比熱容為 cv kJ/( kmoL·K)等等。定義比熱容比k = cp / cv 。氣體在定壓下受熱時，由于在溫度升高的同時，還要克

20、服外界抵抗力而膨脹作功，所以同樣升高1，比在定容下受熱時需要更多的熱量。試驗(yàn)表明，理想氣體的比定壓熱容值和比定容熱容值差是一個常數(shù)，即：          cp - cv = R =8.3143 (1-9)或         cp - cv =R(梅耶公式)(1-9)設(shè)比熱容比 k = cp / cv ， k 又稱絕熱指數(shù)，它在工程熱力學(xué)中有很重要的作用，將在以后用到。如果以 k 和 R 來表示 cp 、 cv ，由梅耶公式可得

21、60;     (1-9)（三） 真實(shí)比熱容和平均比熱容根據(jù)大量精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和比熱容的量子力學(xué)理論，理想氣體的比熱容與壓力無關(guān)，是溫度的函數(shù)，可表示成下式：      C = a+bt+et2+ kJ/(kg·K)(1-10) 式中：a、b、e是常數(shù)，它們的數(shù)值隨氣體的種類及加熱過程的不同而異。這種相應(yīng)于每一溫度下的氣體比熱容就叫做真實(shí)比熱容。已知?dú)怏w的真實(shí)比熱容隨溫度變化的關(guān)系 C=f(t) 時，氣體由 t1 升到 t2 所需的熱量可按下式計(jì)算：（四） 定比熱容在實(shí)際應(yīng)用

22、中，當(dāng)溫度變化不大或不要求很精確的計(jì)算時，常忽略溫度的影響而把理想氣體的比熱容當(dāng)作常量，只按理想氣體的原子數(shù)確定比熱容，稱為定比熱容，如表1-1所示。 表1-1  理想氣體的定比熱容 理想氣體原子數(shù)定容千摩爾比熱容 cv J/(moL·K) 定壓千摩爾比熱容 cp J/(moL·K) 單原子氣體雙原子氣體多原子氣體3×4.18685×4.18687×4.18685×4.18687×4.18689×4.18681.2 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在熱力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。它主要

23、表達(dá)：工質(zhì)經(jīng)歷受熱作功的熱力過程時，工質(zhì)從外界接受的熱量、工質(zhì)因受熱膨脹而對外界所作出的功、同時間內(nèi)工質(zhì)部儲存或付出的能量三者之間必須保持收支上的平衡，否則就不符合能量守恒的原則。因此在介紹熱力學(xué)第一定律解析式之前，對功、熱量和內(nèi)能作必要的介紹。一、 功、熱量和內(nèi)能（一） 工質(zhì)的膨脹功W圖1-4 可逆過程的膨脹功 圖1-4表示質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)封閉在氣缸內(nèi)進(jìn)行一個可逆過程的膨脹作功情況。設(shè)活塞截面面積為A(m2)，工質(zhì)作用在活塞上的力的pA，活塞被推進(jìn)一微小距離dx，在這期間，工質(zhì)的膨脹極小，工質(zhì)的壓力近乎不變，因而工質(zhì)對活塞作的功為：    

24、              dw = pAdx = pdv            (1-12)對可逆過程1-2，工質(zhì)由狀態(tài)1膨脹到狀態(tài)2所作的膨脹功為：               

25、0;         如果已知工質(zhì)的初、終態(tài)參數(shù)，以及過程12的函數(shù)關(guān)系p=f(v)，則可求得工質(zhì)的膨脹功W，其數(shù)值等于p v 圖上過程曲線12下面所包圍的面積。因此壓容圖也叫示功圖。由圖可見，膨脹功不僅與狀態(tài)改變有關(guān)。而且與狀態(tài)變化所經(jīng)歷的過程有關(guān)。若氣缸中的工質(zhì)為m（單位為kg），其總?cè)莘e為V = m w ，膨脹功為：             當(dāng)工質(zhì)不是膨脹，而是受到外界壓縮時，則是外界對工質(zhì)作功。這時

26、dv成為負(fù)值，由式（1-13）算出的W 也是負(fù)值，負(fù)的膨脹功實(shí)際上表明工質(zhì)接受了外界的壓縮功。（二） 熱力Q熱量和功一樣不是熱力狀態(tài)的參數(shù)，而是工質(zhì)狀態(tài)改變時對外的效應(yīng)，即傳遞中的能量。因此不能說：“工質(zhì)在該狀態(tài)下具有多少熱量?！睙崃亢凸Φ母緟^(qū)別在于：功是兩個物體間通過宏觀的運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳遞的能量；熱量則是兩物體間通過微觀的分子運(yùn)動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。按習(xí)慣，規(guī)定外界加給系統(tǒng)的熱量為正，而系統(tǒng)放給外界的熱量為負(fù)。國際單位制規(guī)定功W 和熱量Q 的單位都用焦耳（J）。（三）工質(zhì)的內(nèi)能工質(zhì)內(nèi)部所具有的各種能量，總稱為工質(zhì)的內(nèi)能。由于工程熱力學(xué)主要討論熱能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換，不考慮化

27、學(xué)變化和原子核反應(yīng)的熱力過程，故可以認(rèn)為這兩部分能量保持不變，而認(rèn)為工質(zhì)內(nèi)能是分子熱運(yùn)動的動能和克服分子間作用力的分子位能的總和。分子動能是由分子直線運(yùn)動動能、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動動能、分子內(nèi)原子振動能、原子內(nèi)的電子振動能等組成，由于工質(zhì)內(nèi)動能與位能都與熱能有關(guān)，故也稱工質(zhì)內(nèi)部的熱能。分子熱運(yùn)動動能是溫度T 的函數(shù)，分子間的位能是比體積v 的函數(shù)。因此工質(zhì)的內(nèi)能取決于工質(zhì)的溫度和比體積，即與工質(zhì)的熱力狀態(tài)有關(guān)。一旦工質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化，內(nèi)能也就跟著改變。單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能u 也是一個狀態(tài)參數(shù)，其單位是（J/kg）或(kJ/kg)。質(zhì)量為m（單位為kg）的工質(zhì)的總內(nèi)能U = m u (J)或（kJ）。工質(zhì)內(nèi)能

28、變化值U = U2-U1 只與工質(zhì)的初、終狀態(tài)有關(guān)，而與工質(zhì)由狀態(tài)1到狀態(tài)2所經(jīng)歷的過程無關(guān)。在熱工計(jì)算中，通常只計(jì)算內(nèi)能變化值，對內(nèi)能在某一狀態(tài)下的值不感興趣。對于理想氣體，因假設(shè)其分子間沒有吸引力，故理想氣體分子間的位能為零，其內(nèi)能 u 僅是溫度的單值函數(shù)。二、封閉系統(tǒng)能量方程式熱力學(xué)第一定律應(yīng)用到不同熱力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程中去，可得到不同的能量平衡方程式?，F(xiàn)在討論最簡單的封閉系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換情況。封閉在氣缸中的定量工質(zhì)，可作為封閉系統(tǒng)的典型例子。假定氣缸中質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)，熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為：       

29、60;           q =U + W         （115）式中: q 外界加給每kg工質(zhì)的熱量，J/kg；      w 每kg工質(zhì)對外界所作的功，J/kg；     U 每kg工質(zhì)內(nèi)能的增加，J/kg。對于質(zhì)量為m（單位為kg）的工質(zhì)來說，則其總熱量Q有 

30、0;              Q = U + W式（115）叫做熱力學(xué)第一定律解析式或封閉系統(tǒng)能量方程式。式中各項(xiàng)的值可以是正數(shù)、零或負(fù)數(shù)。若q為負(fù)，表明工質(zhì)對外界傳出熱量；w為負(fù)，表明工質(zhì)接受了外界的壓縮功；U為負(fù)，表明工質(zhì)的內(nèi)能減少。以上公式是從熱力學(xué)第一定律直接用于封閉系統(tǒng)導(dǎo)出的，所以它們對于任何工質(zhì)和任何過程都是適用的。式（115）清楚地表明，熱量和功的轉(zhuǎn)換通過工質(zhì)來完成。如果讓熱機(jī)工質(zhì)定期回到它的初狀態(tài)，周而復(fù)始，循環(huán)不息，就可不斷地使熱量轉(zhuǎn)換

31、為功。此時每完成一個閉合的熱力過程（熱力循環(huán)），工質(zhì)的內(nèi)能不變，即內(nèi)能=0。根據(jù)式（1-15），在該周期內(nèi)，工質(zhì)實(shí)際所得到的熱量將全部轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)量的功。這正是熱機(jī)工作的根本道理。由此可見，不消耗熱量，或少消耗熱量而連續(xù)作出超額機(jī)械功的熱機(jī)是不存在的。熱力學(xué)第一定律直接否定了這種創(chuàng)造能量的“第一類永動機(jī)”。在上面討論的封閉系統(tǒng)的能量平衡方程式中，如果系統(tǒng)經(jīng)歷的是比體積不變的等容過程，則由式（1-12）：dw = pdv = 0由式（1-15）得:dq =du +dw =du即工質(zhì)在等容過程中的加熱或釋放熱量，全部變?yōu)楣べ|(zhì)內(nèi)能的增加或減少。同時根據(jù)比定容熱容的定義有：  

32、0;                      dq =CvdT故                      dq =CvdT =du即證明了，對于理想氣體，內(nèi)

33、能u 是溫度的單值函數(shù)。三、開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式與焓實(shí)際上，許多熱機(jī)工作時，工質(zhì)通常都不是永遠(yuǎn)被封閉在熱機(jī)中，而是連續(xù)地（汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)）或周期地（內(nèi)燃機(jī)、蒸氣機(jī)）將已作功的工質(zhì)排出，并重新吸入新工質(zhì)，工質(zhì)的熱力循環(huán)要在整個動力裝置內(nèi)完成。對于有工質(zhì)流入的熱力設(shè)備，作為開口系統(tǒng)分析研究比較方便。工質(zhì)在開口系統(tǒng)中的流動又可分為穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動。對工程上常見的各種熱功設(shè)備來說，在正常運(yùn)動（即穩(wěn)定工況）時，工質(zhì)的連續(xù)流動情況將不隨時間變化，表現(xiàn)為流動工質(zhì)在各個截面上的狀態(tài)和對外熱量和功量的交換都不隨時間變動，并且同時期內(nèi)流過任何截面上的工質(zhì)流量均保持相同。此工況就叫做穩(wěn)定流動。嚴(yán)格地說。

34、工質(zhì)出入內(nèi)燃機(jī)的氣缸并不是連續(xù)的，而是重復(fù)著同樣的循環(huán)變化，每一循環(huán)周期出入氣缸的工質(zhì)數(shù)量相同，也可以按穩(wěn)定流動的情況分析。圖1-5 開口系統(tǒng)工質(zhì)流過進(jìn)、出口時的情況 如圖1-5所示，質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)在開口系統(tǒng)中作穩(wěn)定流動，設(shè)系統(tǒng)在過程中從外界吸收熱量q，并對外輸出可被利用的機(jī)械功Wsh（技術(shù)功）。由圖可知：質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)流進(jìn)界面-所攜帶進(jìn)去的能量為：動能（J/kg）(C1為流速)、位能gZ1（Z1為高度）（J/kg）、內(nèi)能u1（J/kg）、流動功p1v1（J/kg）。系統(tǒng)從外界吸收的熱量為q（J/kg）。質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)流出界面-所攜出的能量為：gZ2

35、、u2 、p2v2，對外輸出功 Wsh 。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，輸入能量等于輸出能量，即經(jīng)整理后可得：                                         (1-16)或

36、        式（1-16）就是開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程式，它廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴管、鍋爐、泵、壓縮機(jī)以及節(jié)流裝置等熱力設(shè)備的計(jì)算中。由于流動工質(zhì)除了自身內(nèi)能u之外，總隨帶推進(jìn)功pv一起轉(zhuǎn)移，熱力學(xué)中令兩者之和為焓h，即：                h = u + pv(J/kg)(1-17)質(zhì)量為m（單位為kg）的工質(zhì)的焓用H 表示：

37、60;               H = U + pV(J)(1-17)h是質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)的內(nèi)能u 和工質(zhì)在流動時，由機(jī)械移動而攜帶的功pv 的總和，其中pv 又稱為流動功或推進(jìn)功。既然p、v、u 都是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，因此由p、v、u 所決定的焓h也是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。焓被稱為復(fù)合的狀態(tài)參數(shù)。將式（1-17）代入式（1-16）得：        

38、0; (1-18)由于熱工設(shè)備的進(jìn)口標(biāo)高相差很小，gZ 可忽略不計(jì)。工質(zhì)流速在50m/s以下時，C 2 <1.25kJ/kg，也可忽略不計(jì)，則得簡化后的開口系統(tǒng)能量方程式：                  q =h + Wsh (1-19) 四、熵及溫熵圖在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律建立的各種能量平衡方程中，我們知道功和熱量都是能量，只不過是兩種不同形式的能量，功量和熱量都是工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中與外界進(jìn)行能

39、量交換的度量，工質(zhì)膨脹對外輸出膨脹功在可逆過程中其大小為：                         dw =pdv在這里壓力p起著動力的作用，然而只有壓力，沒有位移，即沒有比體積v的變化dv，則不可能有功的交換。根據(jù)dv的增大或減小，則可以確定功量的正負(fù)。可見功量的交換是通過工質(zhì)的兩個狀態(tài)參數(shù) p、v 來進(jìn)行計(jì)算的。并且可以在由p、v 坐標(biāo)

40、組成的壓容圖上用一塊面積來圖示功量的大小。如圖1-6（a）上曲線1-2下的面積12v2v1所示。熱量q與功量w一樣同是過程量，它們有同一性，對比起來分析，系統(tǒng)與外界發(fā)生熱量交換時，起動力作用的是溫度T，沒有溫差就不可能發(fā)生實(shí)際的傳熱，在極限的情況下，系統(tǒng)與外界發(fā)生熱量交換的溫差為無窮小時，則屬于可逆的傳熱過程。顯而易見，有一個狀態(tài)參數(shù)，它的變化可以判斷熱量的正負(fù)，并且與功量相仿可以構(gòu)成類似的表達(dá)式和坐標(biāo)圖，并在類似的坐標(biāo)圖上用一塊面積來圖示熱量。這個狀態(tài)參數(shù)就是熵。熵是一個導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)，它的定義式是：       

41、0;  ds = dq / T (1-20)式中： dq 可逆過程中系統(tǒng)與外界交換的微元熱量；    T 可逆過程時的溫度（可逆過程中工質(zhì)與外界的溫度隨時間保持相等）。熵的定義是：熵的增量等于系統(tǒng)在可逆過程中交換的熱量除以傳熱時的絕熱溫度所得的商。質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)的熵s的單位是（J/kg·k）。質(zhì)量為m（單位為kg）的工質(zhì)的熵S的單位是（J/k）。S = ms 。下面證明熵是工質(zhì)的一個狀態(tài)參數(shù)。對任何工質(zhì)來說，都可以嚴(yán)格地加以證明。這里僅針對理想氣體作如下證明：    &#

42、160;     ds = dq / T質(zhì)量為1（單位為kg）的理想氣體在可逆過程中的能量平衡為：dq = du +dw,       du = CvdT , dw =pdv      dq = CvdT + pdv又    pv = RT則:       當(dāng)理想氣體由狀態(tài)1,P1、V1、T1、S1 經(jīng)歷可逆過程變化到狀態(tài)2 ,P2、V2

43、、T2、S2 時，積分上式得：          其中，第二項(xiàng)只與初、終態(tài)的比體積v有關(guān)而與過程的性質(zhì)無關(guān)；第一項(xiàng)中Cv是溫度的函數(shù)，故該項(xiàng)積分也僅與初、終態(tài)的溫度T1、T2有關(guān)而與過程性質(zhì)無關(guān)。如取Cv為比定容熱容，則上式更簡化為：                     (1-21)  

44、;   既然，參數(shù)S從狀態(tài)1到狀態(tài)2的變化，只與初態(tài)1和終態(tài)2有關(guān)，而與中間所經(jīng)歷的過程無關(guān)，這就說明S是狀態(tài)參數(shù)。同功量的圖示相仿，也可用兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)T、S 構(gòu)成的狀態(tài)圖來表示熱量。在TS 圖上的一點(diǎn)表示一個平衡狀態(tài)，一條曲線表示一個可逆過程，如圖1-6（b）的曲線1-2。圖1-6 可逆過程的pv 圖和TS 圖             dq =Tds       因此TS 圖上曲

45、線1-2下的面積表示該過程中的傳熱量q 的大小，故TS 圖又稱為“示熱圖”，它在熱工分析中有重要的功用。對于質(zhì)量為m（單位為kg）的工質(zhì)的熱量Q ，可按下式計(jì)算：       從表1-2的對比中，可以清楚地看到熵與比體積是相互對應(yīng)的一個狀態(tài)參數(shù)。熵是一個導(dǎo)出的狀態(tài)參數(shù)，熵有如下性質(zhì)：（1） 熵是一狀態(tài)參數(shù)，如已知系統(tǒng)兩個獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)，即可求出熵的值：（2） 只有在平衡狀態(tài)下，熵才有確定的值：（3） 與內(nèi)能和焓一樣，通常只需求熵的變化量S ，而不必求熵的絕對值。 表1-2      &

46、#160;    00功量w 熱量q 表達(dá)式dw =pdv, dq =Tds, 動力p T 能量傳遞的方向dv>0,dw>0,對外作功dv =0,dw =0,不作功dv<0,dw<0,外對內(nèi)作功ds>0,dq>0,工質(zhì)吸熱ds =0,dq =0,絕熱ds<0,dq<0,工質(zhì)放熱圖示pv 圖TS 圖（4） 熵是可加性的量，質(zhì)量為m（單位為kg）的工質(zhì)的熵是質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)熵的m倍，S = ms ；（5） 在可逆過程中，從熵的變化中可判斷熱量的傳遞方向ds>0系統(tǒng)吸熱;ds =0系統(tǒng)絕熱；ds

47、<0系統(tǒng)放熱。（6） 熵是判據(jù)，判斷自然界一切自發(fā)過程的熵變，ds孤立系0。這點(diǎn)性質(zhì)將在本章第四節(jié)中闡述，讀者再進(jìn)一步領(lǐng)會。1.3氣體的熱力過程 工程熱力學(xué)中把熱機(jī)的工作循環(huán)概括為工質(zhì)的熱力循環(huán)，把整個熱力循環(huán)分成幾個典型的熱力過程。并對熱力學(xué)過程進(jìn)行分析，確定過程中氣體狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，揭示出熱力過程能量轉(zhuǎn)換的特性。在這個基礎(chǔ)上總結(jié)出整個熱力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換規(guī)律。分析過程的方法是：首先研究理想氣體的可逆過程，導(dǎo)出過程方程式，利用過程方程和理想氣體狀態(tài)方程求出過程的初、終態(tài)參數(shù)（主要是v、p、T ）之間的關(guān)系式，并按熱力學(xué)第一定律研究熱力過程中氣體吸收或放出的熱量、內(nèi)能的變化以及對外所作

48、的功；然后將這種可逆過程的分析結(jié)果，換算成實(shí)際氣體的不可逆過程，并引進(jìn)各種有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。由于定容、定壓、定溫和絕熱過程中各有一個狀態(tài)參數(shù)（分別為v、p、T 和S ）保持不變，且這四個過程與實(shí)際熱力設(shè)備中工質(zhì)的狀態(tài)變化較為接近，故稱為基本的熱力過程。本節(jié)先討論理想氣體的基本熱力過程。然后討論理想氣體的一般過程，即多變過程。一、 定容過程圖1-7(a)表示定容加熱過程，其中活塞不動。圖1-7 定容過程在pv 圖和TS 圖上的表示 定容過程中，比體積v 保持不變，其過程方程式為：v =常數(shù)定容過程曲線如圖1-7中的曲線1-2或1-2所示。即在 pv 圖上是一條垂直于 v 軸的鉛垂線。按照v=常

49、數(shù)和狀態(tài)方程pv = RT ，可求得初、終狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系為：                  v1 = v2 或                         &

50、#160;             (1-22) 即在定容過程中，氣體的絕對壓力與絕對溫度成正比。定容過程的膨脹功,因dv =0,所以W =0。根據(jù)比熱容的定義,，可得，若假定cv 為定值，故定容過程中工質(zhì)吸如（或放出）的熱量為：          根據(jù)（1-16），可求得定容過程中內(nèi)能的變量為：       

51、; q = U = U2 - U1 = cv( T2 - T1 )(1-24)即定容過程中工質(zhì)吸入（或放出）的熱量全部轉(zhuǎn)換為工質(zhì)內(nèi)能的增加（或減少）。根據(jù)熵的定義式，又cv 為定值，故熵的變量S 為：        在TS 圖上（圖1-7c）過程1-2或1-2為一條對數(shù)曲線。二、 定壓過程圖1-8a)表示定壓加熱過程，活塞上的載質(zhì)量mg保持不變。圖1-8 定壓過程在pv 圖和TS 圖上的表示 在定壓過程中，壓力p 保持不變，其過程方程為：     

52、0;            p =常數(shù)在pv 圖上，定壓過程曲線為一條平行于v 軸的水平線(見圖1-8b)。根據(jù)p =常數(shù)和pv = RT ，可求得定壓過程初、終態(tài)參數(shù)關(guān)系為：                         &#

53、160; (1-25)即在定壓過程中氣體的比體積與絕對溫度成正比。定壓過程中氣體所作的膨脹功為：         在pv 圖上，1-2直線下的面積即為氣體所作的膨脹功。同理。直線1-2下的面積為壓縮功。根據(jù)比熱容的定義及cp =常數(shù)，可求得定壓過程中的熱量為：         根據(jù)熵的定義式dS =及cp =常數(shù)，則熵的變量S 為：      &#

54、160;  因?yàn)閏p >cv ，故在TS 圖上，定壓過程曲線與定容過程曲線相比較，它是一條較為平坦的對數(shù)曲線。 三、 定溫過程在定溫過程中，溫度保持不變，即T=常數(shù)，按照狀態(tài)方程，可得定溫過程方程為：pv=常數(shù)在pv 圖上定溫過程為一條等邊雙曲線，如圖1-9a）中曲線1-2或1-2所示。圖1-9 定溫過程 在定溫過程中，氣體初、終狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系為：                  

55、0;     (1-28)即在定溫過程中，氣體的絕對壓力與比體積互成反比。定溫過程中氣體所作的膨脹功為:     定溫過程中，因 u = Cv (T2 - T1 )=0;h = Cp (T2 - T1 )=0，所以內(nèi)能和焓不變。定溫過程中的熱量，根據(jù)能量平衡方程得：    可見，在定溫過程，外界加給工質(zhì)的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)對外所作的膨脹功；反之，外界對工質(zhì)所作的壓縮功全部轉(zhuǎn)換為熱量放給外界。根據(jù)熵的定義式及T =常數(shù)，則定溫過程中氣體熵的變化為： 

56、;   在TS 圖上，定溫過程為一條水平線，圖1-9b中曲線1-2下面的面積，表示了定溫過程中氣體所接受的熱量。四、絕熱過程在絕熱過程中的每一時刻，工質(zhì)與外界均不發(fā)生熱交換，即dq=0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律解析式、理想氣體的性質(zhì)和dq=0，可以導(dǎo)出絕熱過程方程為：dq = du + dw = cvdT + pdv =0對理想氣體狀態(tài)方程取全微分，則：pdv + vdp = RdT把這個結(jié)果代入上式，整理后得：(cv +R)pdv + cvdp =0因cv +R = cp，故vdp + pdv =0令cp/cv =K，對上式積分，可得：   

57、60;                           (1-31) 即：pvk =常數(shù)或p1v1k = p2v2k式（1-31）即為絕熱過程方程式。k為絕熱指數(shù)或比熱容比，其數(shù)值隨氣體的種類和溫度而變。當(dāng)cp、cv取為常數(shù)時，k 也是定值。對于空氣和燃?xì)猓琸 =1.4。絕熱過程曲線在pv 圖上是一條較定溫線斜率大的不等邊雙曲線（高次雙曲線），如圖1-1

58、0a）所示。圖1-10 絕熱過程 由絕熱過程方程式和理想氣體狀態(tài)方程式，可以得到絕熱過程氣體初終狀態(tài)參數(shù)的如下關(guān)系式：(1-32)   (1-32') (1-32")    絕熱過程中氣體對外功量交換為：對于閉口系統(tǒng)，根據(jù)過程方程（1-31），則p = p1v1k/vk，代入式（1-16），得：          由于pv = RT，功量公式（1-33）還可寫成：      &#

59、160;         W =R/(k-1)( T1 - T2 )(J/kg)       （1-33'）                  =1/(k-1)( p1v1 - p2v2 ) (J/kg)   （1-33&

60、quot;）    在pv 圖上，絕熱過程得膨脹功可用曲線1-2下面得面積表示。    絕熱過程氣體內(nèi)能得變量為：u = cvT 。    絕熱過程中的變量為：ds = dp/T =0，即絕熱過程是不變的過程，也稱為定過程，因此在TS 圖上絕熱過程曲線是一條平行T 軸的垂直線。五、多變過程實(shí)際熱機(jī)中工質(zhì)進(jìn)行的各種熱力過程通?？杀硎緸椋簆vn = p1v1n = 常數(shù)          &

61、#160;    (1-34)    式中n 稱為多變指數(shù)，在某一多變過程中，n 為一定值，但不同多變過程的n 值各不相同。前述的四種基本熱力過程都是多變過程的特例。例如當(dāng)指數(shù)n =0時pv0 = p =常數(shù)，為定壓過程當(dāng)n =1,pv = 常數(shù),為定溫過程；當(dāng) n =k ,pvk = 常數(shù)，為絕熱過程；當(dāng)n =,p1/v = p0v = v = 常數(shù)為定容過程。當(dāng)n 等于O、1、k、以外的某一數(shù)值時，它表示了上述四種基本過程之外的熱力過程。n 的數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際過程的具體條件來確定。   &#

62、160;將式（1-31）中的換成即變成式（1-34），因此上面討論的絕熱過程初終狀態(tài)之間的關(guān)系式（1-32)、（1-32）、（1-32）及計(jì)算對外功量交換的關(guān)系式（1-33）、（1-33）、（1-33），都將直接適用于多變過程。表1-3列出的是經(jīng)替換指數(shù)后的有關(guān)公式。表1-3  理想氣體的各種熱力過程（定比熱容）過程過 程方程式初終狀態(tài)參數(shù)關(guān)系功量交換W(J/kg) 熱交換q(J/kg)多變指數(shù) n比熱容c(J(kg.k)定容v=常數(shù) v1=v2  T2/T1=p2/p1   Ocv(T2 - T1 )± 

63、0; cv定壓p=常數(shù)p1=p2  T2/T1=v2/v1p(v2-v1)或        R(T2-T1)cp(T2 - T1 )或h2 - h1  O   cp定溫pv=常數(shù)T1=T2 p1v1=p2v2RTln(v2/v1)或RTln(p1/p2)    W  1   絕熱pvk=常數(shù)p2/p1=(v1/v2)k  T2/T1=(v1/v2)k-1    T1/T2=(p2/p1)

64、(k-1)/k(p1v1-p2v2)/(k-1)或(T1-T2)R/(k-1)   O  k    O多變pvn=常數(shù)p2/p1= (v1/v2)n T2/T1= (v1/v2)n-1 T2/T1=(p2/p1)n-1/n(p1v1-p2v2)/(n-1)或(T1-T2)R/(n-1)cv(T2 - T1 )(n-k)/(n-1)  ncv(n-k)/(n-1)    多變過程對外熱量交換與絕熱過程有所不同，根據(jù)式（1-15），既然多變過程的外功為：   

65、                  同時 u=cv(T2-T1)    則             如果用Cn 來表示多變過程定比熱容，則：    故       

66、60;                              (1-36)     由式（1-36） cp- cv=R和 cp/cv =k可得：         &#

67、160;     (1-36')         上式說明多變過程比熱容Cn 的數(shù)值不僅取決于氣體本身(cv、k )，還和過程性質(zhì)(n)有關(guān)。圖1-11 氣體的多變過程曲線     圖1-11表示四種基本熱力過程曲線畫在同一個pv 圖和TS 圖上的情況。由圖可知，    多變過程曲線在圖上都依照指數(shù)n 的大小按順時針方向排列，如果初態(tài)相同，壓力下降或容積增加也相同，則過程指數(shù)越小

68、，所能獲得的膨脹功就越大；同時，隨著n 從降到k ，氣體對外傳熱的熱量也將減小到零。然后，隨著 n 的繼續(xù)減小而需要從外界吸取更多的熱量。    從pv 圖上可看出，以定容線為分解線，右邊的各過程膨脹功為正，即W >0；左邊的過程線W <0，從TS 圖上可看出，以定溫線為分解線，上方的各過程線內(nèi)能增加，u >0；下方的各過程線u <0。從TS 圖上可看出，以絕熱線為分界，右邊各過程線熱量為正，即q >0，外界對系統(tǒng)加熱，左邊的各過程線q <0 ，系統(tǒng)對外界放熱。    研究氣體的

69、多變過程有突出的實(shí)際意義，例如氣體在空氣壓縮機(jī)中的壓縮過程就是n =1k 之間的某一多邊過程，過程指數(shù)越小，所需消耗的外功也越小，因此為了節(jié)省壓氣功量，就應(yīng)該設(shè)法加強(qiáng)氣缸壁的冷卻。1.4 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第一定律確定了熱功轉(zhuǎn)換之間的數(shù)量關(guān)系，熱力學(xué)第二定律則指明了實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的條件、限度以及自發(fā)過程進(jìn)行的方向性。一、熱力循環(huán)與熱效率（一）熱力循環(huán)熱變功的根本途徑是工質(zhì)的膨脹。為了連續(xù)不斷地將熱轉(zhuǎn)換為功，工程上是通過熱機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，工質(zhì)在熱機(jī)氣缸中僅僅完成了一個膨脹過程不可能連續(xù)作功。為了重復(fù)地進(jìn)行膨脹過程，工質(zhì)在每次膨脹作功之后，必須進(jìn)行某種壓縮過程，使它恢復(fù)到初態(tài)，以便重新膨脹做工，這種

70、工質(zhì)從初態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變化又回到初態(tài)的封閉過程，稱為熱力循環(huán)。     根據(jù)效果的不同，將熱力循環(huán)分為正向循環(huán)和逆向循環(huán)，把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的循環(huán)叫正向循環(huán)；依靠消耗機(jī)械功而將熱量從低溫源向高溫源的循環(huán)叫逆向循環(huán)。圖1-12 正向循環(huán) 如圖1-12所示，設(shè)質(zhì)量為1（單位為kg）的工質(zhì)進(jìn)行一個可逆的正向循環(huán)。在pv 圖上可看出，膨脹過程線1a2曲線1a2b1高于壓縮過程2b1 曲線，即過程1a2所作的膨脹功大于過程2-b-1所消耗的壓縮功，整個循環(huán)中工質(zhì)作出的靜功dw 為正，用W0表示靜功的絕對值，在pv 圖上封閉曲線1a2b1所包圍的面積表示W(wǎng)0的數(shù)值。在TS

71、 圖上看出，工質(zhì)的吸熱過程曲線1a2高于工質(zhì)的放熱過程曲線2-b-1，即過程1a2種工質(zhì)的吸熱量1a2dq 大于過程中工質(zhì)放出的熱量2b1dq ，整個循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩粗薪邮艿膬魺崃縟q 為正，用q1 表示循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩粗薪邮軣崃康慕^對值，用q2 表示工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃康慕^對值，則循環(huán)中工質(zhì)接受的凈熱量為q1-q2 ，它可用TS 圖上曲線1a2b1所包圍的面積表示。按熱力學(xué)第一定律，循環(huán)中所接受的凈功為：dq =du +dW ,因?yàn)閐u =0 ,所以循環(huán)凈功等于循環(huán)凈熱：           

72、         q1-q2 = W0     即熱力循環(huán)中工質(zhì)從高溫?zé)嵩此邮艿臒崃縬1，只有一部分變成循環(huán)凈功W0 ,而另一部分熱量q2 放出給低溫?zé)嵩础?（二）熱效率為了評價熱力循環(huán)在能源利用方面的經(jīng)濟(jì)性，通常采用熱力循環(huán)的凈功W0與工質(zhì)從高溫?zé)嵩唇邮艿臒崃縬1的比值作為指標(biāo)，稱為循環(huán)熱效率，用 t 表示，即：             

73、60;              (1-37)    熱效率是衡量熱機(jī)性的重要指標(biāo)之一，它說明了工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃坑卸嗌俎D(zhuǎn)換為功，從式（1-37）可以看出，q2 越小，t 越大，但因 q2 =0所以 t 總小于1。 二、熱力學(xué)第二定律的幾種表示長期以來，人們通過無數(shù)熱機(jī)時間，對實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的條件有了比較深刻的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)任何熱機(jī)的熱效率不僅不能超過100%，實(shí)際上永遠(yuǎn)達(dá)不到100%，在這個事實(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)的出熱力

74、學(xué)第二定律，已被確定為自然界中另一條客觀規(guī)律 。熱力學(xué)第二定律有許多種表達(dá)式，其實(shí)質(zhì)都完全一致，即都是說明實(shí)現(xiàn)某些具體熱功轉(zhuǎn)換過程的必要條件的，以下兩種說法具有普遍意義。（1）根據(jù)長期制造熱機(jī)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出：為了連續(xù)地獲得機(jī)械功，必須有兩個熱源，熱機(jī)工作時，從高溫?zé)嵩慈〉脽崃?，把其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，把另一部分熱量傳給低溫?zé)嵩础Ｒ虼诉@種表達(dá)方式是：不可能創(chuàng)造出只從熱源吸熱作功而不向冷源放熱的熱機(jī)，或者說單熱源機(jī)是不存在的。從單一熱源不斷吸取熱量而將它全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱機(jī)稱為第二類永動機(jī)，因此又可以表述為第二類永動機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。 （2）根據(jù)長期制造制冷機(jī)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出：不管利用什么機(jī)器，都不可能不付出代價的實(shí)現(xiàn)把熱量由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。于是熱力學(xué)第二定律又可以表示為“熱量不可能自發(fā)地從冷物體轉(zhuǎn)移到熱物體”。三、卡諾循環(huán)與卡諾定理前已述及，熱機(jī)循環(huán)的熱效率不可能達(dá)到100%，那么可能達(dá)到的高限究竟是多少？卡諾在1924年提出了最理想的熱機(jī)工作方案，即卡諾循環(huán)。（一）卡諾循環(huán)圖1-13 正向卡諾循環(huán) 如圖1-13所示，卡諾循環(huán)是由兩個定溫過程和兩個絕熱過程交錯組成的可逆循環(huán)。其中ab為在溫度較高的恒溫?zé)嵩礈囟萒1下定問膨脹，吸熱q1;bc為絕熱膨脹；cd為在溫度較低的恒溫冷源溫度T2下定溫壓縮，放熱q2;da為絕熱壓縮?？ㄖZ循環(huán)的熱效率 tk 為：  &#