第5章热力学第二定律一、教案设计教学目标：使学生深刻认识热力学第二定律的实质-热过程的方向性，实际过程不可逆：了解第二定律的不同表述，掌握热力学的推论工具和推论方法，深刻理解卡诺定理、克劳修斯不等式、焰增原理等判据的重要意义及其应用方法。理解有效能、自由能、自由烩、热力学温标等概念。知识点：理解热力学第二定律的实质，自发过程，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统炳增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。熟练应用摘方程，计算任意过程的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无的概念。重点：热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统炳增原理难点：卡诺定理、克劳修斯不等式、增原理等判据的应用；作功能力损失的计算。教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论④问：还记得绪论中曾经提到的第二类永动机吗？谁能举出例子吗？问：自发过程都不可逆？不可逆的过程一定是自发过程？为什么？?问：高温的汽车尾气经过过滤净化后能循环利用吗？节能吗？?问：火力发电厂为什么都要设置凝汽器？为什么？?问：有人说火力发电厂的热效率可达60%以上？可信吗？学时分配：8学时+2学时（习题课）二、基本知识第一节自然过程的方向性一、磨擦过程功可以自发转为热，但热不能自发转为功39
39 第 5 章 热力学第二定律 一、教案设计 教学目标: 使学生深刻认识热力学第二定律的实质-热过程的方向性，实际 过程不可逆；了解第二定律的不同表述，掌握热力学的推论工具和推论方 法，深刻理解卡诺定理、克劳修斯不等式、熵增原理等判据的重要意义及其 应用方法。理解有效能、自由能、自由焓、热力学温标等概念。 知 识 点：理解热力学第二定律的实质，自发过程，卡诺循环，卡诺定理， 孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。 熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了 解火用、火无 的概念。 重 点：热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理 难 点：卡诺定理、克劳修斯不等式、熵增原理等判据的应用；作功能力 损失的计算。 教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论 师生互动设计：提问+启发+讨论 ☺ 问：还记得绪论中曾经提到的第二类永动机吗？谁能举出例子吗？ ☺ 问：自发过程都不可逆？不可逆的过程一定是自发过程？为什么？ ☺ 问：高温的汽车尾气经过过滤净化后能循环利用吗？节能吗？ ☺ 问：火力发电厂为什么都要设置凝汽器？为什么？ ☺ 问：有人说火力发电厂的热效率可达 60%以上？可信吗？ 学时分配：8 学时+2 学时（习题课） 二、基本知识 第一节 自然过程的方向性 一、磨擦过程 功可以自发转为热,但热不能自发转为功
二、传热过程热量只能自发从高温传向低温三、自由膨胀过程绝热自由膨胀为无阻膨胀，但压缩过程却不能自发进行四、混合过程两种气体混合为混合气体是常见的自发过程五、燃烧过程燃料燃烧变为燃烧产物（烟气等）只要达到燃烧条件即可自发进行结论：自然的过程是不可逆的第二节热力学第二定律的实质一、热力学第二定律的实质克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化开尔文说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变为机械能，而不引起其它变化的循环发动机。二、热力学第二定律各种说法的一致性反证法：（了解）第三节卡诺循环与卡诺定理意义：解决了热变功最大限度的转换效率的问题一.卡诺循环：1、正循环组成：两个可逆定温过程、两个可逆绝热过程40
40 二、传热过程 热量只能自发从高温传向低温 三、.自由膨胀过程 绝热自由膨胀为无阻膨胀,但压缩过程却不能自发进行 四、混合过程 两种气体混合为混合气体是常见的自发过程 五、燃烧过程 燃料燃烧变为燃烧产物(烟气等),只要达到燃烧条件即可自发进行 结论:自然的过程是不可逆的 第二节 热力学第二定律的实质 一、.热力学第二定律的实质 克劳修斯说法：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化 开尔文说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变为机械能，而不引起 其它变化的循环发动机。 二、热力学第二定律各种说法的一致性 反证法:（了解） 第三节 卡诺循环与卡诺定理 意义：解决了热变功最大限度的转换效率的问题 一.卡诺循环: 1、正循环 组成：两个可逆定温过程、两个可逆绝热过程
热源T热源T91T冷源T冷源工过程a-b：工质从热源(TI)可逆定温吸热b-c：工质可逆绝热(定)膨胀C-d：工质向冷源(T2)可逆定温放热d-a：工质可逆绝热(定熵)压缩回复到初始状态。循环热效率：Wo=1-92n,=q1q1q=T(s,s)=面积abefaq2=T,(s。-s.）=面积cdfec因为(s, -sa)=(s -sa)n=1-Z得到T分析：1、热效率取决于两热源温度，T1、T2，与工质性质无关。2、由于T1≠80，T2±0，因此热效率不能为13、若T1=T2，热效率为零，即单一热源，热机不能实现。逆循环：41
41 过程 a-b：工质从热源(T1)可逆定温吸热 b-c：工质可逆绝热(定'熵)膨胀 c-d：工质向冷源(T2)可逆定温放热 d-a：工质可逆绝热(定熵)压缩回复到初始状态。 循环热效率： 1 2 1 0 1 q q q w t = = − ( ) 1 1 b a q = T s − s =面积abefa ( ) 2 2 c d q = T s − s =面积cdfec 因为 ( ) ( ) b a c d s − s = s − s 得到 1 2 1 T T t = − 分析： 1、热效率取决于两热源温度，T1、T2，与工质性质无关。 2、由于T1 , T2 0，因此热效率不能为1 3、若T1=T2，热效率为零，即单一热源，热机不能实现。 逆循环：
包括：绝热压缩、定温放热。定温吸热、绝热膨胀。T2致冷系数：S1=2=-2W-2T-T,T供热系数62。==9T, -T,Wo91-q2关系：82=81c+1所以：分析：通常T2>T1-T2l >1卡诺定理：1、所有工作于同温热源、同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为最高。2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等第四节煸与炳增原理一、的导出1865年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环，假设用许多定熔线分割该循环，并相应地配合上定温线，构成一系列微元卡诺循环。则有2=1-n, =1-T,g=0因为&<0，有T,T,ds得到一新的状态参数不可逆过程炳：S,-42
42 包括：绝热压缩、定温放热。 定温吸热、绝热膨胀。 致冷系数： 1 2 2 1 2 2 0 2 1 T T T q q q w q c − = − = = 供热系数 1 2 1 1 2 1 0 1 2 T T T q q q w q c − = − = = 关系： 2c = 1c +1 分析：通常T2>T1-T2 所以： 1c 1 卡诺定理： 1、所有工作于同温热源、同温冷源之间的一切热机，以可逆热机的热效率为 最高。 2.在同温热源与同温冷源之间的一切可逆热机，其热效率均相等. 第四节 熵与熵增原理 一、熵的导出 1865 年克劳修斯依据卡诺循环和卡诺定理分析可逆循环，假设用许多定熵 线分割该循环，并相应地配合上定温线，构成一系列微元卡诺循环。则有 1 2 1 2 1 1 T T q q t = − = − 因为 q2 0 ，有 0 2 2 1 1 + = T q T q 得到一新的状态参数 re T q ds ( ) = 不可逆过程熵： − 2 1 2 2 ( ) IRR T q s s
二、焰增原理：As isol ≥ 0意义：1.可判断过程进行的方向。2.炳达最大时，系统处于平衡态。3．系统不可逆程度越大，炳增越大。4.可作为热力学第二定律的数学表达式第五节炳产与作功能力损失一、建立炳方程一般形式为：（输入一输出）+炳产=系统变或产=(输出一输入)+系统熵变Assy=As +Asg得到：称△S，为流，其符号视热流方向而定，系统吸热为正，系统放热为负，绝热为零)。称△s。为炳产，其符号：不可逆过程为正，可逆过程为0。注意：熵是系统的状态参数，因此系统熵变仅取决于系统的初、终状态，与过程的性质及途径无关。然而流与摘产均取决于过程的特性。开口系统炳方程：(s,om -S,om2)+os++osg=dsc二、作功能力损失43
43 二、熵增原理： sisol 0 意义： 1．可判断过程进行的方向。 2．熵达最大时，系统处于平衡态。 3．系统不可逆程度越大，熵增越大。 4．可作为热力学第二定律的数学表达式 第五节 熵产与作功能力损失 一、建立熵方程 一般形式为：(输入熵一输出熵)+熵产=系统熵变 或熵产=(输出熵一输入熵)+系统熵变 得到： sys f g s = s + s 称 f s 为熵流，其符号视热流方向而定，系统吸热为正，系统放热为负，绝热 为零)。 称 g s 为熵产，其符号：不可逆过程为正，可逆过程为0。 注意：熵是系统的状态参数，因此系统熵变仅取决于系统的初、终状态，与 过程的性质及途径无关。然而熵流与熵产均取决于过程的特性。 开口系统熵方程： f g cv (s m − s m ) +s +s = ds 1 1 2 2 二、作功能力损失