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1、长 沙 理 工 大 学 备 课 纸第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：
2、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J 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？J 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？J 问：高温的汽车尾气经过过滤净化后能循环利用吗？节能吗？J 问：火力发电厂为什么都要设置凝汽器？为什么？J 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
3、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、两个可逆绝热过程过程a-b：工质从热源(
4、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：=面积abefa =面积cdfec因为 得到 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 T20，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：包括：绝热压缩、定温放热。定温吸热、绝热膨胀。致冷系数：供热系数关系：分析：通常T2T1-T2 所以： 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
5、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。则有因为，有 得到一新的状态参数 不可逆过程熵： 二、熵增原理： 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： 称为熵流，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)。称为熵产，其符号：不可逆过程为
6、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：二、作功能力损失作功能力损失：例题精要：例1 刚性容器中贮有空气2kg，初态参数P1=0.1MPa，T1=293K，内装搅拌器，输入轴功率WS=0.2kW，而通过容器壁向环境放热速率为。求：工作1小时后孤立系统熵增。解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程： 经1小时，由定容过程：， 取以上系统及相关外界构成孤立系统：例2气机空气由P1=100kPa，T1=400K，定温压缩到终态P2=1000kPa，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴
7、功多25%。设环境温度为T0=300K。求：压缩每kg气体的总熵变。解：取压气机为控制体。按可逆定温压缩消耗轴功：实际消耗轴功： 由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：因为理想气体定温过程：h1=h2 故：孤立系统熵增：稳态稳流：例3 已知状态P1=0.2MPa，t1=27的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为P2=0.1MPa。求：作功能力损失。（设环境温度为T0=300K）解：取整个容器（包括真空容器）为系统，由能量方程得知：，对绝热过程，其环境熵变热机热泵图5.1600K293K263K例4 如果室外温度为-10，为保持车间内最低温度为20，需要每小时向车间供热36000kJ,求
8、：1) 如采用电热器供暖,需要消耗电功率多少。2) 如采用热泵供暖，供给热泵的功率至少是多少。3) 如果采用热机带动热泵进行供暖，向热机的供热率至少为多少。图5.1为热机带动热泵联合工作的示意图。假设：向热机的供热温度为600K，热机在大气温度下放热。 解：1)用电热器供暖，所需的功率即等于供热率, 故电功率为= 10kW2)如果热泵按逆向卡诺循环运行，而所需的功最少。则逆向卡诺循环的供暖系数为 =9.77热泵所需的最小功率为=1.02kW3)按题意，只有当热泵按逆卡诺循环运行时，所需功率为最小。只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为时所需的供热率为最小。由 热机按所需的最小供热率为三、本章总
9、结l深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。2深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。3系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。4深入理解熵增原理,并掌握其应用。5深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法6过程不可逆性的理解，过程不可逆性的含义。不可逆性和过程的方向性与能量可用性的关系。7状态参数熵与过程不可逆的关系。8熵增原理的应用。9不可逆性的分析四、作业与讨论1、作业：思考题9、10、11、12；习题5-6、5-7、5-11、5-12、5-172、讨论：1) 自发过程为不可逆过程，那么非自发
10、过程即为可逆过程。此说法对吗?为什么?2) 自然界中一切过程都是不可逆过程，那么研究可逆过程又有什么意义呢?3) 以下说法是否正确?工质经历一不可逆循环过程,因0，故0不可逆过程的熵变无法计算若从某一初态沿可逆和不可逆过程达到同一终态，则不可逆过程中的熵变必定大于可逆过程中的熵变。4) 某热力系统经历一熵增的可逆过程，问该热力系统能否经一绝热过程回复到初态。5) 若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，均从同一初始状态出发，且两过程中工质的吸热量相同，问工质终态的熵是否相同？6) 绝热过程是否一定是定熵过程？定熵过程是否一定满足PvK=定值的方程？7) 工质经历一个不可逆循环能否回复到初态？8) 用孤立系统熵增原理证明：热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆过程。47
