熱工基礎(chǔ)電子教案

熱工基礎(chǔ)電子教案第1頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律揭示：能量不但有數(shù)量之分，還有方向之別，品質(zhì)之別。電熱（100％）但熱電（100％）1000℃的熱能比100℃的熱能更有用，更有價值。能量的品質(zhì)不能自動升高，只能自動降低，理想情況是不變。2.1熱力過程的方向性熱過程是有方向性的，是不可逆的。第2頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月①不等溫傳熱過程是不可逆的兩個物體Ａ、Ｂ，設(shè)ＴＡ＞ＴＢ，那么Ａ、Ｂ接觸，就有ＱＡ從Ａ中傳出，Ｂ就有ＱＢ流入。第一定律指出：ＱＡ＝ＱＢ但相反的過程，即Ｂ放熱ＱＢ，Ａ吸熱ＱＡ，即使?jié)M足ＱＡ＝ＱＢ，也不會發(fā)生。即低溫物體熱量不會自動流入高溫物體，否則將會出現(xiàn)很多怪現(xiàn)象。

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BTB第3頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月②自由膨脹過程是不可逆的第一定律指出：膨脹前與后必須滿足：Ｕ１＝Ｕ２但相反過程，即使仍滿足Ｕ１＝Ｕ２，也不可能發(fā)生，沒有誰見過氣體能自動恢復(fù)一半真空的。12第4頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月③功熱轉(zhuǎn)換過程是不可逆的功可以自動地轉(zhuǎn)換為熱（注意：自發(fā)、自動）焦耳實驗中的重物下降引起攪拌器轉(zhuǎn)動，通過摩擦使功自發(fā)變?yōu)闊?。相反的過程不可能發(fā)生。總之：有摩擦、電阻、磁阻、非彈性形變等耗散效應(yīng)存在的過程都是不可逆的?；旌线^程是不可逆的，任何涉及到熱現(xiàn)象的實際宏觀過程都是不可逆的。雖然，實際過程是不可逆的，但減小不可逆因素，過程的不可逆性就會相應(yīng)減少，減少到可以忽略，過程就趨于可逆過程。第5頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月可逆過程的共同特征：a．它必須是準(zhǔn)平衡過程。（力、熱、化學(xué)平衡）b．過程中不包括有摩擦、磁電阻等耗散效應(yīng)。上述不可逆過程，我們強調(diào)了不能“自動”發(fā)生，不是說不能發(fā)生，不然鹽、真空、冷飲從何來？如果要發(fā)生，外界必須提供能量、某種補償，制冷過程就必須消耗機械作為補償。第6頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2第二定律的表述第二定律是大量觀察、無數(shù)經(jīng)驗總結(jié)、千百次重復(fù)沒有一次例外總結(jié)出來的。它指出：一切實際的宏觀熱過程都是不可逆的，具有方向性，這是熱過程的基本特征。也正是第二定律要揭示的基本事實和基本規(guī)律。由于熱過程種類很多，它們的不可逆性并不是孤立的，是彼此相關(guān)的，等效的。因此，第二定律有多種表述，但它們是等效的，一種表述成立則另一種表述也必然成立。第7頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月典型說法：克勞修斯(1850年)：不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化。開爾文(1851年)：不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。普朗克：不可能制造一部機器，它在循環(huán)中把一重物升高而同時使一熱源冷卻。歷史上出現(xiàn)過違反能量守恒定律的第一類永動機的設(shè)想，還出現(xiàn)過違反第二定律的第二類永動機的設(shè)想（不違反第一定律）第8頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律的其他表述喀喇氏表述：在一個任意給定的初始狀態(tài)附近，總是存在著一些經(jīng)絕熱過程不能達到的狀態(tài)。單一公理法則：約束系統(tǒng)可以從一個初始的允許狀態(tài)，經(jīng)過一系列的中間允許狀態(tài)，變化到最終唯一確定的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，而不會在外界產(chǎn)生任何影響。穩(wěn)定平衡定律：過程總是朝著單一的方向進行的（單向性），每個中間允許狀態(tài)只能經(jīng)歷一次（演進性），過程的終態(tài)是唯一的（唯一性），當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定平衡態(tài)時過程就結(jié)束（有限性）。過程中系統(tǒng)的能量保持不變（守恒性），但是，系統(tǒng)能量的做功能力（能質(zhì)）是下降的（衰變性）。過程中在外界不會產(chǎn)生任何影響（孤立性）。第9頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月它要求冷卻一個熱源來產(chǎn)生有用功而不產(chǎn)生其它影響。如果這種設(shè)想能成立，就可利用環(huán)境中無限的熱能做功。所以：第二類永動機是造不成的。一切不可逆過程是相互聯(lián)系的，各種表述是等效的，它反映的是熱力過程的不可逆性。第二定律是經(jīng)驗定律，但沒有違反之例，只有同時遵守一、二定律的過程才能發(fā)生。第10頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月第二定律有多種表述，但是等效的，一種表述成立則另一種表述也必然成立。

但第二定律推廣到宇宙空間去時，會產(chǎn)生熱寂說，——這種學(xué)說是錯誤的。2.3卡諾定理歷史上，卡諾定理是第二定律的出發(fā)點，早在一、二定律建立之前，卡諾就在分析影響蒸汽機的功熱轉(zhuǎn)換的各種因素的基礎(chǔ)上，于1824年提出了卡諾定理。但他對這個定理的證明是錯誤的。（依據(jù)熱質(zhì)說和第一類永動機不能實現(xiàn)，前者后來被證明是錯誤的，后者不可能證明卡諾定理）克勞修斯與開爾文正是從卡諾定理得到思路提出熱力學(xué)第二定律的。第11頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月定理一：相同熱源和冷源間工作的一切可逆熱機具有相同的熱效率，與工質(zhì)無關(guān)，均等于定理二：相同熱源和冷源間工作的可逆熱機的效率恒高于不可逆熱機的效率。結(jié)論：所有可逆熱機效率相等，不可逆熱機效率恒小于可逆熱機效率。于是，所有可逆熱機效率只與熱源溫度有關(guān)，與所使用工質(zhì)無關(guān)。

第12頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4卡諾循環(huán)(Carnotcycle)它是恒溫?zé)嵩撮g工作的理想可逆循環(huán)，它由２個定溫過程及2個可逆絕熱過程構(gòu)成。原因：為使循環(huán)在吸放熱過程中可逆，在吸、放熱過程中，與冷熱源的溫差為無限小，只能是等溫過程。要組成循環(huán)，還需加入其它過程。這些過必須在Ｔ１與Ｔ２之間變溫，所以，只能是絕熱過程，因此有兩條絕熱線。第13頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月在圖T-S圖和p-V圖上可表示為：吸熱量Ｑ１，放熱量Ｑ２，完成功量Ｗ＝Ｑ１－Ｑ２效率：

1234THTLTSS2S1Q1Q21243pv第14頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月對卡諾循環(huán)分析可得到如下結(jié)論：

1)卡諾循環(huán)效率僅與熱源溫度有關(guān)，而與工質(zhì)和熱機類型無關(guān)。

2)提高ＴＨ和降低ＴL，可以提高ηＣ，但

ＴＨ∞，ＴＬ０，所以ηＣ＜１

3)當(dāng)ＴＨ＝ＴＬ時，ηc＝0（單熱源熱機不可能造成的）

第15頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5狀態(tài)參數(shù)熵

第二定律有多種表述，各種表述是等效的，最根本是告訴我們，所有熱過程都是不可逆的，它們的發(fā)展是有方向性的。當(dāng)然，不同的熱過程有不同的可逆性，但不同的可逆性不是孤立的，彼此是相互聯(lián)系的，它們有共同的本質(zhì)特征。因此，可用同一物理量描述這一本質(zhì)特征，這個物理量就是熵。所以熵是用來描述所有不可逆過程共同特征的熱力學(xué)參數(shù)，它是一個狀態(tài)參數(shù)。第16頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月本書還以更直接的方式引入了熵的概念：功δＷ＝p·dＶ（可逆過程，是一個過程量）δＷ＝Ｆ·dx（牛頓力學(xué)中）p是作功的推動力，容積變化dV是作功的標(biāo)志。而功和熱都是過程的特征量（單位相同，地位相同），必有共性，所以也應(yīng)有類似關(guān)系。可猜想：δＱ＝ＴdS這標(biāo)明：Ｔ是傳熱的推動力，ds是傳熱的標(biāo)志。那么，我們就叫Ｓ為熵（狀態(tài)參數(shù)）第17頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月本章要點：熱力學(xué)第一