余才锐 沈冬梅 汪万芬 涂有笑
摘要：《工程热力学》是热工或能动专业方向的重要专业基础课，鉴于课程的概念多、抽象、难学等特点，作者选取课程中的可逆与不可逆过程、卡诺循环与逆卡诺循环、熵、 和 等常见的基本概念进行阐述;结合作者多年来在教学中一些做法，用比较浅显易懂的方法来讲授这些概念，在讲授的过程中常列举一些与之相似的生活实例，使学生能够更好地掌握该学科的内容;通过文中叙述的一些方法，能对从事工程热力学课程教学的老师们提供一些想法和建议。
关键词：卡诺循环;熵; 和
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）12-0362-02
《工程热力学》是热工或能动专业方向重要的专业基础课，学生学习热力学课程时普遍感觉吃力，许多概念晦涩难懂，公式较多;老师们往往对此束手无策，有心有余而力不足的感觉，造成师生都不讨好的课程，然而工程热力学又是专业的核心课程，重要性不言而喻。每次期初排课的时候，老师们往往唯恐避之不及。造成这种现状的原因是多方面的，一是课程本身概念比较抽象，二是不能很好地用多媒体课件、CAE等辅助工具进行诠释，三是需要较高的数学基础、复杂的微分公式推导等。本文主要针对以上所述难点，笔者挑选几个热力学常见的基本概念加以阐述，比如可逆与不可逆过程、熵等;然后结合自己在教学过程中遇到的一些情况，最后提出一些想法和做法，希望能给从教热力学课程的同行们一些借鉴。
一、可逆与不可逆过程
热力学第一定律本质是热能与机械能的转换关系，在做功的过程中必须依靠体积的膨胀，在这里可以简单地画个活塞做功示意图。根据物理内容，我们知道活塞所做的功为dw=F.ds，假如做功是可逆过程，作用在活塞上的作用力与系统内工质作用在活塞上的力相等。即F=p.A，所做的功dw=p.A.ds=p.dv，通过积分可知，可逆过程1-2所的膨胀功为：w=p.dv，从图1（a）中可以看出，可逆过程所做的膨胀功是图中的阴影部分的面积，大小与做功的工程有关，就像我们在中学物理所学的路程一样，所做的路线不同，系统所做的膨胀功也会不同。
二、熵的概念
熵首先是1850年朗肯提出的，但是在当时没有给它命名，到1854年德国科学家克劳修斯给它取名“转变当量值”;我国物理学家胡刚复先生1923年为德国科学家普朗克演讲做翻译时译为“熵”，其中文的意思是“能量与温度的比值（商）”，后来部首加个“火”表示一个物理量[6]。熵的推导是采用克劳修斯的方法，首先假定为一个可逆的卡诺循环，再从热力学第二定律得出卡诺定理，最后提出熵和熵方程。
（一）可逆与逆卡诺循环
卡诺循环是由两个定温过程和两个定熵过程，状态由起点，完成一个卡诺循环，又回到起点，中间没有耗散能的产生，它是一个可逆循环。从图2可以看出，热量q从高温热源自发地传递给低温热源，中间还对外做w的功，比如可以用来推动压缩机做功等。在讲授这部分内容时，我们可以举锅炉这个例子，锅炉在工作过程中，通过燃烧化学能产生的高温烟气（热源）传递给低温的水中（冷源），产生的蒸汽可以推动汽轮机做功等。
在课堂上可以提醒学生，生活中的经验告诉我们，热量不可能从低温物体传递给高温物体;类似水不可能从低处向高处流动，但是我们可以通过额外消耗功的方法可以使水从低处向高处流动。
（二）卡诺定理
在讲解这方面内容时，可以提出这样的假设，假设卡诺循环对外所做的功用来驱动逆卡诺循环所需的额外消耗功，也就是把两个循环过程用热机对接起来，其中 为不可逆热机， 为可逆热机，如图3所示。
（三）熵的推导
由上述的卡诺定理，我们在多热源可逆与不可逆循环中的任意一个微元循环中进行积分，关系式表达为：■dq/T≤0，假设可逆循环1-A-2-B-2;认为是由两个部分组成的，其中1-A-2是可逆循环，2-B-1是不可逆循环[7]。在这里讲解的时候，留一定时间让学生思考，因为这里比较难懂。
我们根据热力学第一定律dq=du+pdv，我们在可逆循环中认为pdv是膨胀功，但在不可逆循环中，由于有耗散能的产生，比如说摩擦力。在这里我们可以水泵的效率来进行举例，水泵电机的轴功率可以分成两个部分，一是有用功率，它是用来推动水流旋转的;二是无用功率，它是由于摩擦力产生的热能，随着水流流出水泵，也就是我们常说的“水泵温升”。
三、 和 的概念
近几十年来，热力学上又出现两个新的名词—— 和 ， 即可用能，有效能，最大有用功或可用度; 指一切不能转化为有用能的能量。 和 的提出有效地解决了能量的损失和能量的转换等问题，揭示了能量在传递和转换过程中的衰减问题。
从卡诺定理我们知道，工作于同温热源和同温冷源之间的热机，以可逆循环的热效率最高，也就是系统从热源吸收热量，以环境温度作为冷源， 就是系统获得最大有效功;相应地 就是系统中不能从热源中吸收的能量， 和 的定义不难理解，从热源吸收的热量q，q=ex+an，也就是我们平常所说的能量守恒定律，从 和 的角度去描述的话，在一切过程中，系统的 和 的总量保持不变，是守恒的。
四、结语
以上是对《工程热力学》中常见的、比较难懂的概念进行了阐述，使用了较为浅显的方式进行了诠释，把抽象的知识内容通过类比的方法进行了简化，学生能够把热力学的概念和我们生活常识联系起来，做到理论和实践结合，使《工程热力学》不再是门难学的课程，同时老师在概念的讲解痛苦中释放出来，有效地做到教学相长。
参考文献：
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[2]谭羽非，王雪梅.《工程热力学》课程实施研究性教学的探索与实践[J].黑龙江教育（理论与实践），2016，（12）：58-59.
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