工程热力学(5-11章)教案 - 沈道维版.doc

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1、《工程热力学》【章节名称】：第五章热力学第二定律【教学目标】：使学生熟练掌握热力学第二定律实质、数学表达式，能进行热力过程不可逆性的判定。【教学重点】：热力学第二定律的实质；卡诺循环及卡诺定理对热功转换效率的指导意义，熵参数定义，过程不可逆性与熵增之间的关系，利用熵方程进行热力计算以及作功能力损失的计算。【教学难点】：热力过程的方向性与不可逆性的判定，熵的概念及其物理意义，孤立系统熵增原理对生产实践的指导意义。【课时安排】：理论：6课时【教学环境及教具准备】：多媒体教学，板书第11次课【教学内容】：热力学第一定律确

2、定了各种能量的转换和转移不会引起总能量的改变。创造能量（第一类永动机）不可能，消灭能量也办不到。总之，自然界中一切过程都必须遵守热力学第一定律。然而，是否任何不违反热力学第一定律的过程都是可以实现的呢？事实上又并非如此。热力学第二定律就是解决与热现象有关的过程进行的方向、条件和限度等问题的规律。热力学第二定律和热力学第一定律共同构成热力学理论基础。5－1热力学第二定律1.自发过程的方向性不需外界帮助就能自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方向性，典型的自发过程有温差传热、摩擦生热、自由膨

3、胀、扩散混合等。这里并不是说这些非自发过程根本无法实现，而只是说，如果没有外界的推动，它们是不会自发进行的。一个非自发过程的进行，必须有另外的自发过程来推动，或者说必须以另外的自发过程的进行作为代价、作为补偿条件。2.可逆过程和不可逆过程一切自发过程都是不可逆过程。任何实际热力过程在作机械运动时不可避免地存在着摩擦；电能输送过程中存在电阻；在传热时必定存在着温差，扩散混合存在浓度差。因此，实际的热力过程必然具有这样的特性：如果过程沿原路线反向进行，并使热力系恢复到原状态，将会给外界留下这种或那种影响——这就是实际过

4、程的不可逆性。人们把这样的过程统称为不可逆过程。我们把因摩擦使机械能转化为热能，或因电阻使电能转化为热能等的现象，称为耗散效应。所谓可逆过程是指具备如下特性的过程：过程进行后，如果使热力系沿原过程路线反向进行并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响。因此，可逆过程的进行必须满足下述条件：(1)热力系内部原来处于平衡状态；(2)过程进行时无耗散效应和有限势差存在。3.热力学第二定律的表述在历史上，热力学第二定律曾以不同的陈述表达出来，但它们所表达的实质是共同的、一致的，任何一种表述都是其它各种表述的逻辑上的必然结果。

5、这里介绍两种常用的说法。克劳修斯的表述：“不可能将热量由低温物体传送到高温物体而不引起其它变化”。开尔文—普朗克的表述：“不可能制造出从单一热源吸热而使之全部转变为功的循环发动机”。5－2卡诺循环和卡诺定理图5－1所示的循环由两个可逆的定温过程(和)以及两个可逆的绝热(定熵)过程(和)组成，称为卡诺循环。卡诺循环的热效率为：(5－1)图5－1图5－2图5－2所示的循环由两个可逆的定温过程（和）以及两个在温熵图中平行的、吸热()和放热()正好抵消的可逆过程()组成，称为概括性卡诺循环。它的热效率为：由于因此(5－2)

6、所以，工作在两个恒温热源之间的可逆热机所进行的具体循环只能是卡诺循环或回热卡诺循环(卡诺循环也可看作是回热卡诺循环中的特例)。它们是一定温度范围(、)内热效率最高的循环。概括性卡诺循环要借助无限多个蓄热器才能实现，这在实际热力过程中很难做到，但它从原则上提出了减小不等温传热损失以使过程可逆的一种方法。5-3.卡诺定理卡诺定理是1824年由法国工程师卡诺提出的。卡诺定理包含两个定理：定理一工作在相同的恒温高温热源()和低温热源()之间的循环，不管采用什么工质，可逆热机的热效率恒高于不可逆热机的热效率。定理二工作在相同

7、的恒温高温热源()和低温热源（）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率相等。卡诺定理在理论和实践都具有重大的意义。首先它指出热机热效率的极限值；其次提出了提高热机热效率的途径。同时，它也表明，任何一种将热能转换机械能、电能或其它能量的转换装置都受到热力学第二定律的制约。对卡诺定理和卡诺循环的分析讨论可以得出如下几点对热机具有原则指导意义的结论：(1)不能期望热机的热效率达到100%。就拿热效率最高的卡诺循环来说，要使热效率达到100％，则必须＝0K或＝∞。然而，绝对零度是达不到的，无限高的温度则是不可

8、能的。所以，供给循环发动机的热量不可能全部转变为机械功。(2)无论采用什么工质和什么循环，也无论将不可逆损失减小到何种程度，在一定的温度范围到之间，不能期望制造出热效率超过的热机。最高热效率也只能接近，而实际上不能达到。(3)不能指望靠单一热源供热而使热机循环不停地工作。因为当＝时，＝0，也就是说，在单一热源的情况下，不可能通过循环发动机从该热源取得热量而使