热工基础电子教案

热工基础电子教案第一页，共十九页，2022年，8月28日热力学第二定律揭示：能量不但有数量之分，还有方向之别，品质之别。电热（100％）但热电（100％）1000℃的热能比100℃的热能更有用，更有价值。能量的品质不能自动升高，只能自动降低，理想情况是不变。2.1热力过程的方向性热过程是有方向性的，是不可逆的。第二页，共十九页，2022年，8月28日①不等温传热过程是不可逆的两个物体Ａ、Ｂ，设ＴＡ＞ＴＢ，那么Ａ、Ｂ接触，就有ＱＡ从Ａ中传出，Ｂ就有ＱＢ流入。第一定律指出：ＱＡ＝ＱＢ但相反的过程，即Ｂ放热ＱＢ，Ａ吸热ＱＡ，即使满足ＱＡ＝ＱＢ，也不会发生。即低温物体热量不会自动流入高温物体，否则将会出现很多怪现象。

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BTB第三页，共十九页，2022年，8月28日②自由膨胀过程是不可逆的第一定律指出：膨胀前与后必须满足：Ｕ１＝Ｕ２但相反过程，即使仍满足Ｕ１＝Ｕ２，也不可能发生，没有谁见过气体能自动恢复一半真空的。12第四页，共十九页，2022年，8月28日③功热转换过程是不可逆的功可以自动地转换为热（注意：自发、自动）焦耳实验中的重物下降引起搅拌器转动，通过摩擦使功自发变为热。相反的过程不可能发生。总之：有摩擦、电阻、磁阻、非弹性形变等耗散效应存在的过程都是不可逆的。混合过程是不可逆的，任何涉及到热现象的实际宏观过程都是不可逆的。虽然，实际过程是不可逆的，但减小不可逆因素，过程的不可逆性就会相应减少，减少到可以忽略，过程就趋于可逆过程。第五页，共十九页，2022年，8月28日可逆过程的共同特征：a．它必须是准平衡过程。（力、热、化学平衡）b．过程中不包括有摩擦、磁电阻等耗散效应。上述不可逆过程，我们强调了不能“自动”发生，不是说不能发生，不然盐、真空、冷饮从何来？如果要发生，外界必须提供能量、某种补偿，制冷过程就必须消耗机械作为补偿。第六页，共十九页，2022年，8月28日2.2第二定律的表述第二定律是大量观察、无数经验总结、千百次重复没有一次例外总结出来的。它指出：一切实际的宏观热过程都是不可逆的，具有方向性，这是热过程的基本特征。也正是第二定律要揭示的基本事实和基本规律。由于热过程种类很多，它们的不可逆性并不是孤立的，是彼此相关的，等效的。因此，第二定律有多种表述，但它们是等效的，一种表述成立则另一种表述也必然成立。第七页，共十九页，2022年，8月28日典型说法：克劳修斯(1850年)：不可能把热从低温物体传至高温物体而不引起其它变化。开尔文(1851年)：不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。普朗克：不可能制造一部机器，它在循环中把一重物升高而同时使一热源冷却。历史上出现过违反能量守恒定律的第一类永动机的设想，还出现过违反第二定律的第二类永动机的设想（不违反第一定律）第八页，共十九页，2022年，8月28日热力学第二定律的其他表述喀喇氏表述：在一个任意给定的初始状态附近，总是存在着一些经绝热过程不能达到的状态。单一公理法则：约束系统可以从一个初始的允许状态，经过一系列的中间允许状态，变化到最终唯一确定的稳定平衡状态，而不会在外界产生任何影响。稳定平衡定律：过程总是朝着单一的方向进行的（单向性），每个中间允许状态只能经历一次（演进性），过程的终态是唯一的（唯一性），当系统达到稳定平衡态时过程就结束（有限性）。过程中系统的能量保持不变（守恒性），但是，系统能量的做功能力（能质）是下降的（衰变性）。过程中在外界不会产生任何影响（孤立性）。第九页，共十九页，2022年，8月28日它要求冷却一个热源来产生有用功而不产生其它影响。如果这种设想能成立，就可利用环境中无限的热能做功。所以：第二类永动机是造不成的。一切不可逆过程是相互联系的，各种表述是等效的，它反映的是热力过程的不可逆性。第二定律是经验定律，但没有违反之例，只有同时遵守一、二定律的过程才能发生。第十页，共十九页，2022年，8月28日第二定律有多种表述，但是等效的，一种表述成立则另一种表述也必然成立。

但第二定律推广到宇宙空间去时，会产生热寂说，——这种学说是错误的。2.3卡诺定理历史上，卡诺定理是第二定律的出发点，早在一、二定律建立之前，卡诺就在分析影响蒸汽机的功热转换的各种因素的基础上，于1824年提出了卡诺定理。但他对这个定理的证明是错误的。（依据热质说和第一类永动机不能实现，前者后来被证明是错误的，后者不可能证明卡诺定理）克劳修斯与开尔文正是从卡诺定理得到思路提出热力学第二定律的。第十一页，共十九页，2022年，8月28日定理一：相同热源和冷源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质无关，均等于定理二：相同热源和冷源间工作的可逆热机的效率恒高于不可逆热机的效率。结论：所有可逆热机效率相等，不可逆热机效率恒小于可逆热机效率。于是，所有可逆热机效率只与热源温度有关，与所使用工质无关。

第十二页，共十九页，2022年，8月28日2.4卡诺循环(Carnotcycle)它是恒温热源间工作的理想可逆循环，它由２个定温过程及2个可逆绝热过程构成。原因：为使循环在吸放热过程中可逆，在吸、放热过程中，与冷热源的温差为无限小，只能是等温过程。要组成循环，还需加入其它过程。这些过必须在Ｔ１与Ｔ２之间变温，所以，只能是绝热过程，因此有两条绝热线。第十三页，共十九页，2022年，8月28日在图T-S图和p-V图上可表示为：吸热量Ｑ１，放热量Ｑ２，完成功量Ｗ＝Ｑ１－Ｑ２效率：

1234THTLTSS2S1Q1Q21243pv第十四页，共十九页，2022年，8月28日对卡诺循环分析可得到如下结论：

1)卡诺循环效率仅与热源温度有关，而与工质和热机类型无关。

2)提高ＴＨ和降低ＴL，可以提高ηＣ，但

ＴＨ∞，ＴＬ０，所以ηＣ＜１

3)当ＴＨ＝ＴＬ时，ηc＝0（单热源热机不可能造成的）

第十五页，共十九页，2022年，8月28日2.5状态参数熵

第二定律有多种表述，各种表述是等效的，最根本是告诉我们，所有热过程都是不可逆的，它们的发展是有方向性的。当然，不同的热过程有不同的可逆性，但不同的可逆性不是孤立的，彼此是相互联系的，它们有共同的本质特征。因此，可用同一物理量描述这一本质特征，这个物理量就是熵。所以熵是用来描述所有不可逆过程共同特征的热力学参数，它是一个状态参数。第十六页，共十九页，2022年，8月28日本书还以更直接的方式引入了熵的概念：功δＷ＝p·dＶ（可逆过程，是一个过程量）δＷ＝Ｆ·dx（牛顿力学中）p是作功的推动力，容积变化dV是作功的标志。而功和热都是过程的特征量（单位相同，地位相同），必有共性，所以也应有类似关系。可猜想：δＱ＝ＴdS这标明：Ｔ是传热的推动力，ds是传热的标志。那么，我们就叫Ｓ为熵（状态参数）第十七页，共十九页，2022年，8月28日本章要点：热力学第