第11章热力学基础PPT讲稿.ppt

第11章热力学基础第1页，共62页，编辑于2022年，星期日11.1 热力学的研究对象和研究方法热力学的研究对象和研究方法一一.热学的研究对象热学的研究对象热现象热现象热热 学学物体与温度有关的物理性质及状态的变化物体与温度有关的物理性质及状态的变化研究热现象的理论研究热现象的理论热力学热力学从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规律律宏观量宏观量二二.热学的研究方法热学的研究方法微观量微观量描述宏观物体特性的物理量；描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。容量、密度、熵等。描述微观粒子特征的物理量；描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。如质量、速度、能量、动量等。第2页，共62页，编辑于2022年，星期日微观粒子微观粒子观察和实验观察和实验出出 发发 点点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质本质二者关系二者关系无法自我验证无法自我验证不深刻不深刻缺缺 点点揭露本质揭露本质普遍，可靠普遍，可靠优优 点点统计平均方法统计平均方法力学规律力学规律总结归纳总结归纳逻辑推理逻辑推理方方 法法微观量微观量宏观量宏观量物物 理理 量量热现象热现象热现象热现象研究对象研究对象微观理论微观理论（统计物理学）（统计物理学）宏观理论宏观理论（热力学）（热力学）第3页，共62页，编辑于2022年，星期日11.2 平衡态与准静态过程平衡态与准静态过程 理想气体状态方程理想气体状态方程一一.系统和外界系统和外界 热力学系统热力学系统热力学所研究的具体对象，简称系统。热力学所研究的具体对象，简称系统。外界外界系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统以外的物体系统以外的物体系统与外界可以有相互作用系统与外界可以有相互作用例如：例如：热传递热传递、质量交换质量交换等等系统系统系统的分类系统的分类开放系统开放系统系统与外界之间，既有物质交系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。换，又有能量交换。第4页，共62页，编辑于2022年，星期日封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统系统与外界之间，没有物质交换，只有能量系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。交换。系统与外界之间，既无物质交换，又无能系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。量交换。二二.气体的状态参量气体的状态参量温度温度(T)体积体积(V)压强压强(p)气体分子可能到达的整个空间的体积气体分子可能到达的整个空间的体积大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果大量分子热运动的剧烈程度大量分子热运动的剧烈程度温标：温度的温标：温度的数值数值表示方法表示方法国际上规定水的三相点温度为国际上规定水的三相点温度为273.16 K第5页，共62页，编辑于2022年，星期日1.1.定义定义在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。时间内不发生变化的状态。三三.平衡态平衡态说明说明(1)不受外界影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；如：量，但可以处于均匀的外力场中；如：两头两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体系统的粒子数密度处于重力场中气体系统的粒子数密度随高随高 度变化，但它是平衡态。度变化，但它是平衡态。低温低温T2高温高温T1(2)平衡是热动平衡平衡是热动平衡第6页，共62页，编辑于2022年，星期日(3)平衡态的气体平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示表示(4)平衡态是一种平衡态是一种理想状态理想状态四四.准静态过程准静态过程系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。另一状态的过程。热力学过程热力学过程1221准静态过程准静态过程在过程进行的每一时刻，系统都无限地在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。接近平衡态。第7页，共62页，编辑于2022年，星期日非准静态过程非准静态过程系统经历一系列非平衡态的过程系统经历一系列非平衡态的过程实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。的驰豫时间，均可看作准静态过程。如：如：实际汽缸的压缩过程可实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程看作准静态过程 S说明说明 (1)准静态过程是一个理想过程准静态过程是一个理想过程；(3)准静态过程在状态图上准静态过程在状态图上可用一条曲线表示可用一条曲线表示,如图如图.(2)除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情况大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；下都可以把实际过程看成是准静态过程；OVp第8页，共62页，编辑于2022年，星期日五五.理想气体的状态方程理想气体的状态方程气体的状态方程气体的状态方程(3)混合理想气体的状态方程为混合理想气体的状态方程为其中其中理想气体的状态方程理想气体的状态方程（平衡态）（平衡态）(1)理理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体；方程的气体；(2)实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体，可当作理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高处理。且温度越高、压强越低，精确度越高.说明说明（克拉珀龙方程）（克拉珀龙方程）第9页，共62页，编辑于2022年，星期日一柴油的汽缸容积为一柴油的汽缸容积为 0.82710-3 m3。压缩前汽缸的压缩前汽缸的 空气温空气温度为度为320 K，压强为压强为8.4104 Pa，当活塞急速，当活塞急速 推进时可将空气压缩到原推进时可将空气压缩到原体积的体积的 1/17，使压强增大使压强增大 到到 4.2106 Pa。解解T2 柴油的燃点柴油的燃点若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。塞作功，这就是柴油机点火的原理。例例求求 这时空气的温度这时空气的温度第10页，共62页，编辑于2022年，星期日11.3 功功 热量热量 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律一.功功 热量热量 内能内能1.概念概念热力学系统与外界传递能量的两种方式热力学系统与外界传递能量的两种方式作功作功传热传热是能量传递和转化的量度；是是能量传递和转化的量度；是过程量。过程量。功功(A)热量热量(Q)是传热过程中所传递能量的多少的量度；是传热过程中所传递能量的多少的量度；是是过程量过程量内能内能(E)是物体中分子无规则运动能量的总和是物体中分子无规则运动能量的总和；是是状态量状态量系统吸热系统吸热：系统对外作功系统对外作功：；外界对系统作功外界对系统作功：；系统放热；系统放热：第11页，共62页，编辑于2022年，星期日2.功与内能的关系功与内能的关系12外界仅对系统作功，无传热，则外界仅对系统作功，无传热，则说明说明(1)内能的改变量可以用绝内能的改变量可以用绝 热过程中外界对系统所热过程中外界对系统所 作的功来量度；作的功来量度；绝热壁绝热过程(2)此式给出此式给出过程量与状态量的关系过程量与状态量的关系第12页，共62页，编辑于2022年，星期日3.热量与内能的关系热量与内能的关系外界与系统之间不作功，仅外界与系统之间不作功，仅传递热量传递热量系统系统说明说明(1)在外界不对系统作功时在外界不对系统作功时，内能的改变量也内能的改变量也 可可以用外界对系统所传递的热量来度量；以用外界对系统所传递的热量来度量；(2)此式给出此式给出过程量与状态量的关系过程量与状态量的关系(3)作功和传热作功和传热效果一样，本质不同效果一样，本质不同二二.热力学第一定律热力学第一定律外界与系统之间不仅作功，而且外界与系统之间不仅作功，而且传递热量，则有传递热量，则有第13页，共62页，编辑于2022年，星期日系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界作功。则用以对外界作功。(热力学第一定律热力学第一定律)对于无限小的状态变化过程对于无限小的状态变化过程，热力学第一定律可表示为，热力学第一定律可表示为(1)热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒 与转换定律；与转换定律；说明说明(2)第一类永动机第一类永动机是不可能实现的。这是热力学第一定律的是不可能实现的。这是热力学第一定律的 另一种表述形式；另一种表述形式；(3)此定律此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态。历的各状态则不一定是平衡态。(4)适用于任何系统（气、液、固）。适用于任何系统（气、液、固）。第14页，共62页，编辑于2022年，星期日11.4 准静态过程中功和热量的计算准静态过程中功和热量的计算一一.准静态过程中功的计算准静态过程中功的计算SV1V2热力学第一定律可表示为热力学第一定律可表示为 OVp(功是一个过程量功是一个过程量)12第15页，共62页，编辑于2022年，星期日二.准静态过程中热量的计算准静态过程中热量的计算1.热容热容 热容热容 比热容比热容 摩尔热容摩尔热容注意注意:热容是过程量，热容是过程量，式中的下标式中的下标 x 表示具体的过程。表示具体的过程。第16页，共62页，编辑于2022年，星期日2.定体摩尔热容定体摩尔热容CV 和定压摩尔热容和定压摩尔热容Cp（1 1 摩尔物质摩尔物质）(1)定体摩尔热容定体摩尔热容CV(2)定压摩尔热容定压摩尔热容Cp 3.热量计算热量计算若若Cx与温度无关时，则与温度无关时，则 第17页，共62页，编辑于2022年，星期日11.5 理想气体理想气体的内能和的内能和CV V，Cp一一.理想气体的内能理想气体的内能 气体的内能是气体的内能是 p,V,T 中任意两个参量的函数，其具体中任意两个参量的函数，其具体形式如何？形式如何？1.焦耳试验焦耳试验 问题：问题：(1)实验装置实验装置温度一样温度一样 实验结果实验结果膨胀前后温度膨胀前后温度计的读数未变计的读数未变第18页，共62页，编辑于2022年，星期日气体绝热自由膨胀过程中气体绝热自由膨胀过程中(2)分析分析说明说明 (1)焦耳实验室是在焦耳实验室是在18451845完成的。温度计的精度为完成的。温度计的精度为 0.01 0.01水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有微小水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有微小变化，由于温度计精度不够而未能测出。变化，由于温度计精度不够而未能测出。通过改进实验或其它实验方法通过改进实验或其它实验方法（焦耳（焦耳汤姆孙实验）汤姆孙实验）,证证实仅理想气体有上述结论。实仅理想气体有上述结论。气体的内能仅是其温度的函数。这一结论称为焦耳定律气体的内能仅是其温度的函数。这一结论称为焦耳定律(2)焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。第19页，共62页，编辑于2022年，星期日二二.理想气体的摩尔热容理想气体的摩尔热容CV、Cp 和内能的计算和内能的计算 1.定体摩尔热容定体摩尔热容CV 和定压摩尔热容和定压摩尔热容Cp 定体摩尔热容定体摩尔热容CV定压摩尔热容定压摩尔热容Cp 1 mol 理想气体的状态方程为理想气体的状态方程为压强不变时，将状态方程两边对压强不变时，将状态方程两边对T 求导，有求导，有第20页，共62页，编辑于2022年，星期日迈耶公式迈耶公式 比热容比比热容比 2.理想气体内能的计算理想气体内能的计算第21页，共62页，编辑于2022年，星期日根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有解解因为初、末两态是平衡态，所以有因为初、末两态是平衡态，所以有如图，一绝热密封容器，体积为如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等的，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为 p0，右边一半为真空。，右边一半为真空。例例求求把中间隔板抽去后，把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强达到新平衡时气体的压强绝热过程绝热过程自由膨胀过程自由膨胀过程第22页，共62页，编辑于2022年，星期日 11.6 热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体 在典型准静态过程中的应用在典型准静态过程中的应用 一一.等体过程等体过程 l 不变不变l功功吸收的热量吸收的热量内能的增量内能的增量SOVpV1等体过程中气体等体过程中气体吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度上升。上升。第23页，共62页，编辑于2022年，星期日二二.等压过程等压过程功功吸收的热量吸收的热量内能的增量内能的增量在等压过程中理想气体吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则在等压过程中理想气体吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能。用来增加其内能。S lp1OVpV1V2第24页，共62页，编辑于2022年，星期日恒恒温温热热源源S l 三三.等温过程等温过程内能的增量内能的增量功功吸收的热量吸收的热量在等温膨胀过程中在等温膨胀过程中 ，理想气体吸收的热量全部用来对外作功，理想气体吸收的热量全部用来对外作功，在等温压缩中，外界对气体所的功，都转化为气体向外界放出的在等温压缩中，外界对气体所的功，都转化为气体向外界放出的热量。热量。SOVpV1V2第25页，共62页，编辑于2022年，星期日质量为质量为2.8g，温度为，温度为300K，压强为，压强为1atm的氮气，的氮气，等压膨胀等压膨胀到原来的到原来的2倍。倍。氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量 解解例例求求根据等压过程方程，有根据等压过程方程，有因为是双原子气体因为是双原子气体第26页，共62页，编辑于2022年，星期日11.7 绝热过程绝热过程一一.绝热过程绝热过程系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。良好绝热材料包围的系统发生的过程良好绝热材料包围的系统发生的过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程1.过程方程过程方程 对无限小的准静态绝热过程对无限小的准静态绝热过程 有有第27页，共62页，编辑于2022年，星期日利用上式和状态方程可得利用上式和状态方程可得2.过程曲线过程曲线微分微分A绝热线等温线由于由于 1 1 ，所以绝热线要比等，所以绝热线要比等温线陡一些。温线陡一些。VpO第28页，共62页，编辑于2022年，星期日绝热过程中绝热过程中，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外作，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外作功功。3.绝热过程中功的计算绝热过程中功的计算第29页，共62页，编辑于2022年，星期日一定量氮气，其初始温度为一定量氮气，其初始温度为 300 K，压强为，压强为1atm。将其绝热。将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的压缩，使其体积变为初始体积的1/5。解解例例求求 压缩后的压强和温度压缩后的压强和温度根据绝热过程方程的根据绝热过程方程的pV 关系，有关系，有根据绝热过程方程的根据绝热过程方程的TV 关系，有关系，有氮气是双原子分子氮气是双原子分子第30页，共62页，编辑于2022年，星期日温度为温度为25，压强为，压强为1atm 的的1mol 刚性双原子分子理想气刚性双原子分子理想气体经等温过程体积膨胀至原来的体经等温过程体积膨胀至原来的3倍倍。(1)该过程中气体对外所作的功；该过程中气体对外所作的功；(2)若气体经绝热过程体积膨胀至原来的若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3 倍倍，气体对外所，气体对外所 作的功。作的功。解解例例求求VpO(1)由等温过程可得由等温过程可得(2)根据绝热过程方程，有根据绝热过程方程，有第31页，共62页，编辑于2022年，星期日将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有第32页，共62页，编辑于2022年，星期日二二.多方过程多方过程满足这一关系的过程称为满足这一关系的过程称为多方过程多方过程(n 多方指数，多方指数，1n )可见可见:n 越大，越大，曲曲 线越陡线越陡根据根据多方过程多方过程 方程，有方程，有VpO多方过程方程多方过程方程多方过程曲线多方过程曲线第33页，共62页，编辑于2022年，星期日功功 内能增量内能增量 热量热量摩尔热容摩尔热容多方过程中的功多方过程中的功内能内能 热量热量 摩尔热容的计算摩尔热容的计算第34页，共62页，编辑于2022年，星期日多方过程曲线与四种常见基本过程曲线多方过程曲线与四种常见基本过程曲线第35页，共62页，编辑于2022年，星期日如图，如图，一容器被一可移动、无摩擦且一容器被一可移动、无摩擦且绝热的绝热的活塞分割成活塞分割成,两两部分。容器左端封闭且导热部分。容器左端封闭且导热，其他部分绝热。开始时在，其他部分绝热。开始时在,中各中各有温度为有温度为0，压强压强1.013105 Pa 的刚性双原子分子的理想气体。的刚性双原子分子的理想气体。两部分的容积均为两部分的容积均为36升升。现从容器左端缓慢地对现从容器左端缓慢地对中气体加热，中气体加热，使活塞缓慢地向右移动，直到使活塞缓慢地向右移动，直到中气体的体积变为中气体的体积变为18升升为止。为止。(1)中气体末态的压强和温度。中气体末态的压强和温度。解解例例求求(1)中气体经历的是绝热过程，则中气体经历的是绝热过程，则(2)外界传给外界传给中气体的热量。中气体的热量。刚性双原子分子刚性双原子分子第36页，共62页，编辑于2022年，星期日又又由理想状态方程得由理想状态方程得(2)中气体内能的增量为中气体内能的增量为中气体对外作的功为中气体对外作的功为第37页，共62页，编辑于2022年，星期日根据热力学第一定律，根据热力学第一定律，中气体吸收的热量为中气体吸收的热量为第38页，共62页，编辑于2022年，星期日 v 摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力学过程摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力学过程,例例VpOV02V0p02p0在该过程中，放热和吸热的区域。在该过程中，放热和吸热的区域。解解求求从图中可以求得过程线的方程为从图中可以求得过程线的方程为将理想气体的状态方程将理想气体的状态方程代入上式并消去代入上式并消去 p，有有对该过程中的任一无限小的过程，有对该过程中的任一无限小的过程，有第39页，共62页，编辑于2022年，星期日由热力学第一定律，有由热力学第一定律，有由上式可知由上式可知，吸热和放热的区域为，吸热和放热的区域为吸热吸热放热放热第40页，共62页，编辑于2022年，星期日11.8 循环过程循环过程一一.循环过程循环过程如果如果循环是循环是准静态过程，在准静态过程，在PV 图上就构成一闭合曲线图上就构成一闭合曲线如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状态，就称系如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。统经历了一个循环过程。系统（工质）对外所作的系统（工质）对外所作的净功净功1.循环循环VpO第41页，共62页，编辑于2022年，星期日2.正循环、逆循环正循环、逆循环 正循环正循环(循环循环沿顺时针方向进行沿顺时针方向进行)逆循环逆循环(循环沿循环沿逆时针逆时针方向进行方向进行)（系统对外作功系统对外作功）Q1Q2abVpO根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有（系统对外作负功系统对外作负功）正循环也称为热机循环正循环也称为热机循环逆循环也称为致冷循环逆循环也称为致冷循环Q1Q2abVpO第42页，共62页，编辑于2022年，星期日二二.循环效率循环效率在热机循环中，工质对外所作的功在热机循环中，工质对外所作的功A 与它吸收的热量与它吸收的热量Q1的比值，称的比值，称为为热机效率热机效率或循环效率或循环效率 一个循环中工质从冷库中吸取的热量一个循环中工质从冷库中吸取的热量Q2与外界对工质作所的功与外界对工质作所的功A 的比值，称为循环的的比值，称为循环的致冷系数致冷系数第43页，共62页，编辑于2022年，星期日 1 mol 单原子分子理想气单原子分子理想气 体的循环过程如图所示。体的循环过程如图所示。(1)作出作出 p V 图图(2)此循环效率此循环效率解解例例求求cab60021ac1600300b2T(K）V（10-3m3）OV（10-3m3）Op（10-3R）(2)ab是等温过程，有是等温过程，有bc是等压过程，有是等压过程，有(1)p V 图图 第44页，共62页，编辑于2022年，星期日ca是等体过程是等体过程循环过程中系统吸热循环过程中系统吸热循环过程中系统放热循环过程中系统放热此循环效率此循环效率第45页，共62页，编辑于2022年，星期日逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态组成，先把工质由初态A（V1，T1）等温压缩到等温压缩到B（V2 ，T1）状态，状态，再等体降温到再等体降温到C（V2，T2）状态，然后经等温膨胀达到状态，然后经等温膨胀达到D（V1，T2）状态，最后经等体升温回到初状态状态，最后经等体升温回到初状态A，完成一个循环。，完成一个循环。该致冷循环的致冷系数该致冷循环的致冷系数解解例例求求在过程在过程CD中，工质从冷库吸取中，工质从冷库吸取的热量为的热量为在过程中在过程中AB中，向外界放出的中，向外界放出的热量为热量为ABCDVpO第46页，共62页，编辑于2022年，星期日整个循环中外界对工质所作的功为整个循环中外界对工质所作的功为循环的致冷系数为循环的致冷系数为第47页，共62页，编辑于2022年，星期日11.9 热力学第二定律热力学第二定律一一.热力学第二定律热力学第二定律由热力学第一定律可知，热机效率不可能由热力学第一定律可知，热机效率不可能大于大于100%。那么热机效。那么热机效率能否率能否等于等于100%（）呢？）呢？地球地球热机热机Q1A若热机效率能达到若热机效率能达到100%,则仅地则仅地球上的海水冷却球上的海水冷却1,所获得的功所获得的功就相当于就相当于1014t 煤燃烧后放出的热煤燃烧后放出的热量量单热源热机单热源热机(第二类永动机第二类永动机)是不可能的。是不可能的。热源热源热源热源第48页，共62页，编辑于2022年，星期日1.热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化。变化。(1)热力学第二定律开尔文表述热力学第二定律开尔文表述 的的另一叙述形式另一叙述形式:第二第二类永动类永动 机不可能制成机不可能制成说明说明(2)热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述 实际上表明了实际上表明了2.热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述热量不能自动地从低温物体传向高温物体热量不能自动地从低温物体传向高温物体 第49页，共62页，编辑于2022年，星期日(1)热力学第二定律克劳修斯表述的热力学第二定律克劳修斯表述的另一另一 叙述形式叙述形式:理想制冷机理想制冷机不可能制成不可能制成说明说明(2)热力学第二定律的克劳热力学第二定律的克劳 修斯表述修斯表述 实际上表明了实际上表明了3.热机、制冷机的能流图示方法热机、制冷机的能流图示方法热机热机的能的能流图流图致致冷冷机机的的能能流流图图高温热源高温热源低温热源低温热源低温热源低温热源高温热源高温热源第50页，共62页，编辑于2022年，星期日4.热力学第二定律的两种表述等价热力学第二定律的两种表述等价(1)假设开尔文假设开尔文 表述不成立表述不成立 克劳修斯表述克劳修斯表述不成立不成立高温热源高温热源低温热源低温热源(2)假设克劳修假设克劳修 斯斯 表述不成立表述不成立 开尔文表述开尔文表述不成立不成立低温热源低温热源高温热源高温热源第51页，共62页，编辑于2022年，星期日用热力学第二定律证明：在用热力学第二定律证明：在p V 图上任意两条绝热线不可能相图上任意两条绝热线不可能相交交反证法反证法例例证证abc绝热线绝热线等温线等温线设两绝热线相交于设两绝热线相交于c 点，在两绝点，在两绝热线上寻找温度相同热线上寻找温度相同的两点的两点a、b。在在ab间作一条等间作一条等温线，温线，abca构成一循环过程。构成一循环过程。在此循环过程该中在此循环过程该中VpO这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背热力学第二热力学第二定律的开尔文表述的定律的开尔文表述的。因此任意两条绝热线不可能相交。因此任意两条绝热线不可能相交。第52页，共62页，编辑于2022年，星期日11.10 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程若系统经历了一个过程，而过程的若系统经历了一个过程，而过程的每一步每一步都可沿都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个过程就称为可逆过程。那么这个过程就称为可逆过程。一一.概念概念如对于某一过程，用任何方法都不能使如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界系统和外界恢恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程复到原来状态，该过程就是不可逆过程 可逆过程可逆过程不可逆过程不可逆过程自发过程自发过程自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。1 1.不可逆过程的实例不可逆过程的实例力学（无摩擦时）力学（无摩擦时）xm过程可逆过程可逆（有摩擦时）（有摩擦时）不可逆不可逆二二.不可逆过程不可逆过程第53页，共62页，编辑于2022年，星期日（真空真空）可逆可逆（有气体）（有气体）不可逆不可逆功向热转化的过程功向热转化的过程是不可逆的。是不可逆的。墨水在水中的扩散墨水在水中的扩散一切自发过程都是一切自发过程都是单方向进行的不可单方向进行的不可逆过程。逆过程。热量从高温自动传热量从高温自动传向低温物体的过程向低温物体的过程是不可逆的是不可逆的自由膨胀的过程是不可逆的。自由膨胀的过程是不可逆的。一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际过程都是不一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际过程都是不可逆过程。可逆过程。不平衡和耗散等不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可逆的原因。因素的存在，是导致过程不可逆的原因。2.过程不可逆的因素过程不可逆的因素第54页，共62页，编辑于2022年，星期日无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）三三.热力学第二定律的实质，就是揭示了自然界的一切自发热力学第二定律的实质，就是揭示了自然界的一切自发 过程都是单方向进行的不可逆过程。过程都是单方向进行的不可逆过程。第55页，共62页，编辑于2022年，星期日11.11 卡诺循环卡诺循环 卡诺定理卡诺定理一一.卡诺循环卡诺循环卡诺循环卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成是由两个等温过程和两个绝热过程组成1.卡诺热机的效率卡诺热机的效率 abcdQ1Q2pVOV1p1V2p2V3p3V4p4气体从高温热源吸收的热气体从高温热源吸收的热量为量为气体向低温热源放出的热气体向低温热源放出的热量为量为第56页，共62页，编辑于2022年，星期日对对bc da应用绝热过程方程，则有应用绝热过程方程，则有(1)理想气体可逆卡诺循环理想气体可逆卡诺循环热机效率只与热机效率只与 T1，T2 有关有关,温差温差 越大，效率越高。提高热机高温热源的温度越大，效率越高。提高热机高温热源的温度T1，降低低，降低低 温热源的温度温热源的温度T2 都可都可以提高热机的效率以提高热机的效率.但实际中通常但实际中通常 采用的方法是提高热机高温热源的温度采用的方法是提高热机高温热源的温度T1 。讨论讨论卡诺循环热机的效率为卡诺循环热机的效率为(2)可逆卡诺循环热机的效率与工作物质无关可逆卡诺循环热机的效率与工作物质无关第57页，共62页，编辑于2022年，星期日2.卡诺致冷机的致冷系数卡诺致冷机的致冷系数abcd卡诺致冷循环的致冷系数为卡诺致冷循环的致冷系数为当高温热源的温度当高温热源的温度T1一定时，理想气体卡诺循环的一定时，理想气体卡诺循环的致冷系数致冷系数只取只取决于决于T2。T2 越低，则致冷系数越小。越低，则致冷系数越小。说明说明pVOV1p1V4p4V3p3V2p2Q2Q1由由bc da绝热过程方程，有绝热过程方程，有第58页，共62页，编辑于2022年，星期日1.在温度分别为在温度分别为T1 与与T2 的两个给定热源之间工作的一切可的两个给定热源之间工作的一切可 逆热机，其效率逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的 效率，即效率，即二二.卡卡诺定理诺定理 2.在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其 效率都效率都不可能大于不可能大于可逆热机的效率。可逆热机的效率。说明说明(1)要尽可能地要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、漏气、散热等耗散因素漏气、散热等耗散因素 ）以提高热机效率。）以提高热机效率。(2)卡诺定理给出了热机效率的卡诺定理给出了热机效率的极限。极限。第59页，共62页，编辑于2022年，星期日地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度为为1000C，而夜间温度为，而夜间温度为 1000C，起居室温度要保持在起居室温度要保持在200C，通过起居室墙壁导热的速率为每度通过起居室墙壁导热的速率为每度温差温差0.5kW，白昼和夜间给卡诺机所供的白昼和夜间给卡诺机所供的功率功率解解例例求求在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量吸取热量Q2，放入室外热量放入室外热量Q1则则每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即第60页，共62页，编辑于2022年，星期日在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室外吸取热量外吸取热量Q1，放入室内热量放入室内热量Q2每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即第61页，共62页，编辑于2022年，星期日解得解得说明说明此种用此种用可逆循环可逆循环原理制作的空调装置既可原理制作的空调装置既可加热加热，又可，又可降温降温，这即是所，这即是所谓的谓的冷暖双制空调冷暖双制空调。第62页，共62页，编辑于2022年，星期日