工程热力学_曾丹苓_第三章熵与热力学第二定律

第三章熵与热力学第二定律（6+1学时）

1. 教学目标及基本要求

深刻认识热力学第二定律的实质——热过程有方向性，实际热过程不可逆；

了解历史上关于第二定律的不同表述；

了解热力学第二定律和熵方程的基本应用方法；

进一步认识热力学的推论工具和推论方法，掌握卡诺定理、克劳修斯不等式、熵增原理的重要意义及其应用方法；

理解概念，如有效能；自由能，自由焓；热力学温标等。

2. 各节教学内容及学时分配

3-1 概述（0.5学时）

3-2 热过程的方向性——不可逆性（0.5学时）

3-4 热力学第二定律的表述（0.3学时）

3-3可逆过程（0.2学时）

3-5，3-7卡诺循环，卡诺定理（1学时）

3-8 克劳修斯不等式（0.5学时）

3-9 状态参数熵（0.5学时）

3-10 熵增原理（0.5学时）

3-11 熵方程（0.5学时）

3-12 热力系的有效能（1学时）

3-6 热力学温标（0.3学时）

3-14，3-15 关于热力学第二定律的一些讨论（0.2学时）

★习题课：3-13 热力学第二定律熵方程应用举例（1学时）

3. 重点难点

第二定律的实质；热过程的方向性；第二定律各种表述的等效性；可逆与不可逆过程；可逆与准平衡过程；不可能过程；熵，熵产与熵流。

4. 教学内容的深化和拓宽

熵增原理的应用；孤立系的有效能耗散；热力学第二定律的统计解释；热寂说批判。

5. 教学方式

讲授，讨论，.ppt，习题课

6. 教学过程中应注意的问题

特别注意：本章内容是热力学最重要的理论基础，概念多，且有些较抽象（如熵参数），需十分留意联系实际，深入浅出，理清线索。同时，本章也是引导学生

进行逻辑推理、思维训练的好机会。

7. 思考题和习题

思考题：教材的课后自检题（部分在课堂上讨论）

习题：教材习题1，5，7，9，10，12~14（可变）

8. 师生互动设计

讲授中提问并启发讨论：

听说过“第二类永动机”的例子吗？

注意到汽车、摩托车都有个“排气筒”吗？不要行不行？ “根据Law II ，热量不能低温→高温”，这样的说法正确否？为什么？ 有人告诉你，某热力发电厂，热效率为100%，你觉得如何？为什么？

又有人说该电厂热效率为60%，你觉得可信吗？怎样判断？

9. 讲课提纲、板书设计

第三章 熵与热力学第二定律 3-1 概述

历史上，追求第一类永动机不成功→认识到热也是一种能量→建立 Law I ：反映热与功量上相当；追求第二类永动机不成功→认识到热过程有方向性→建立 Law II ：表明热与功质不等价。

Law I ：不行，不能“无中生有”

W W=Q

Law I ：可以，要“等量交换” Law II ：不行，不能“以一换一”，要“等价交换”

, 电阻, …）

W 这样是可以的

热力过程有方向性（有的可能，有的不可能），由Law II 揭示。 Law II 为热力学核心，仅Law I 则热力学无必要。

热过程之方向性，应与物质微观热运动性质紧密相关，但经典热力学是宏观方法。本章将用宏观方法，讨论“方向性”及其描述和应用：

——描述“方向性”：从各种现象引出一些概念；讨论Law II ；导出S 参数。 ——应用Law II ：某过程能否进行（如何判断）？若能，则进行到“哪里”为止（过程极限）？热不能全部变为功，但“一份”热最多可作多少功？等等。

3-2 热过程的方向性——不可逆性（0.5学时）

一、不可逆因素

★ .ppt图示：几种单一过程的不可逆性

摩擦耗散，温差传热，无阻膨胀，混合，…

这些过程以不同的表现形式，说明了热过程具有方向性。

共性：这些过程一旦进行，就一定留下了“不可磨灭的痕迹”（变化），而不可能用其“逆过程”来完全消除这些痕迹。

★ .ppt图示：“痕迹不可消除”的例子：温差传热（Q从高温T1→低温T2）之后，欲使T1与T 2复原，则外界不能复原（功源作功）。…

二、实际过程不可逆

这是因为，任何实际过程都不可避免地包含上述一或多种不可逆因素。

三、各种不可逆过程彼此等效

这是因为，从一种过程的不可逆性可以推断另一种过程的不可逆性。

★ .ppt图示：温差传热与摩擦耗散等效

孤立系内的总效果：功耗散为热

3-4 热力学第二定律的表述

既然一切实际过程不可逆，而各种不可逆过程（即实际过程）彼此等效，因此Law II采用何种表述方式是无关紧要的，等价的。

Law II与Law I一样，也是经验定律（大量经验、实验、观察的总结）。

克劳修斯（针对传热）：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。

开尔文（针对热功转换）：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其它影响。

或：第二类永动机不可能制造成功。

由于不可逆性是实际热过程的共性，故承认温差传热的不可逆性（克劳修斯说法），将必然导致承认功—热的不可逆性（开系文说法），反之亦然。

★ .ppt图示证明：承认克劳修斯说法，将必然导致承认开系文说法。

3-3 可逆过程

若过程未留下不可消除的痕迹（或痕迹可忽略），则称可逆过程。可逆过程进行后，可逆行而使系统与外界均回复原态。可逆过程实际上不存在，但可无限接近。

★板书图示：有限∆T传热，∆T↓，直至∆T→0

一、可逆过程的特点：

(1) 是理想/概念/实际不存在，但可无限接近的（不可逆因素→0）。

(2) 过程进行以后，不留下无法消除之影响（可逆行而不留痕迹）。

(3) 故，对系统而言应是准平衡的（∆T→0，∆p→0，…），另还要求外部无