关于热力学第二定律的教学方法的探讨.pdfVIP

第 8卷第4期 潍坊学院学报 Vol_8No．4 2OO8年 7月 JournalofW eifangUniversity Ju1．2008 关于热力学第二定律的教学方法的探讨 徐永贵 ，徐文忠 (1．潍坊学院，山东 潍坊 261061；2．山东科技大学 ，山东 青岛 266510) 摘 要：从热力学第二定律的提出背景、热力学第二定律的表述、热力学第二定律的数学描述三个方面进行分析。并对 各部分 内容的内在联系及教学方法进行 了探讨 。 关键词：热力学第二定律；熵概念；数学描述 ；教学方法 中图分类号：G640 文献标识码 ：A 文章编号：1671—4288(2008)O4一O144一O2 在工程热力学的教学 中，热力学第二定律与熵概念 ，历 有 了一个清晰的思路 。 来是教学的重点。但 由于 《工程热力学》教材对于该部分 内 2 热力学第二定律的表述 容的论述 ，系统性及连贯性不强 ，使得大部分学生很难系统 在科学史上 ，热力学第二定律具有多种不 同的表述形 地掌握热力学第二定律的本质。作者在多年的教学实践中 式，其 中最具有代表性的是开尔文和柯劳修斯表述 。开尔文 发现 ，从热力学第二定律 的提 出背景 、热力学第二定律 的表 表述为 “不可能制造只从一个热源取热使之完全变成机械能 述、热力学第二定律 的数学描述等几个方面进行讲授 ，并注 而不引起其他变化的循环发动机”，柯劳修斯表述为 “不可能 意强调这几部分 内容之间的内在联系，可 以收到 良好 的教学 把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化”Ez3。 效果 。 这看似不 同的表示形式，却揭示 了热力过程共 同的本质特 1 热力学第二定律的提 出背景 性 ：自然界的一切实际过程都是不可逆的或者说一切 自发过 热力学第一定律指 出，各种形式的能量在相互转化 的过 程都是有方向性 的。柯劳修斯表述反映了热传递这一具体 程 中必然满足能量守恒 。但是否能够推断出只要在理论上 的 自发热力过程 的不可逆性或方 向性 。开尔文表述则揭示 满足能量守恒的热力过程都能够实现呢?热力学第二定律 了热功转化这一具体的 自发过程的不可逆性或方向性。因 给出了答案。热力学第二定律指出，一切实际的热力工程都 此，任何不可逆的热力过程，都可以作为热力学第二定律的 是有方 向性的，任何实际的热力过程在满足热力学第一定律 表述形式 。各种具体 的表述形式之间，其一致性都是可 以得， 的同时，也要满足热力学第二定律 。 到证明的。在教学过程中，关于开尔文表述与柯劳修斯表述 在热力学发展史上 ，热力学第二定律 的建立是与热机的 在本质上的一致性的证明可根据教材进行讲述。 效率相联系的。热力学定律的发现也是工业革命与技术革 3 热力学第二定律的数学描述 命的必然结果 。第一次技术革命中，蒸汽机 的发明与不断改 3．1 熵概念的引入 进促进了第一次工业革命，但当时的效率是很低 的，能量浪 熵的概念是在热力学第二定律的基础上，由克劳修斯首 费相当大。因而，制造能源利用效率高的机器成为了人们研 先提出的。热力学第二定律建立后，柯劳修斯打算把热力学 究的课题。对此 问题 的研究，人们发现，要制造效率高于 第二定律用数学方程描述 出来 ，他通过对热力学热力过程的 100％的热机 (第一类永动机)是不可能的。这一发现 ，直接 研究发现 ，系统从状态 1经过一系列可逆 的热力过程 ，变化 导致 了能量守恒定律 ，即热力学第一定律的建立 。在此基础 r2 zn 为状态2，积分I 与所经过的路径无关，只与系统的初末 上，人们又提出了一个 问题，即效率为 100 的热机能否实现 J 1 “ 』 呢?人们 的进一步研究发现 ，这种热机也是不可能的。开尔 状态有关，具有状态参数 的特性，由此引入 了一个描述系统 文定性地解答这个 问题 ，他认为 “不可能从第一热源取