2022年高中物理竞赛教程第六讲热力学第一定律.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载其次讲 热力学第肯定律§ 2.1 转变内能的两种方式热力学第肯定律211、作功和传热作功可以转变物体的内能；假如外界对系统作功W；作功前后系统的内能分别为E 、E ,就有E 2E 1W没有作功而使系统内能转变的过程称为热传递或称传热；它是物体之间存在温度差而发生的转移内能的过程；在热传递中被转移的内能数量称为热量,用 能变化的关系是E2E 1QQ 表示；传递的热量与内做功和传热都能转变系统的内能,但两者存在实质的差别；作功总是和肯定宏观位 移或定向运动相联系；是分子有规章运动能量向分子无规章运动能量的转化和传递；传 热就是基于温度差而引起的分子无规章运动能量从高温物体向低温物体的传递过程；212、气体体积功的运算 1、准静态过程 一个热力学系统的状态发生变化时,要经受一个过程,当系统由某一平稳态开头变化,状态的变化必定要破坏平稳,在过程进行中的任一间状态,系统肯定不处于平稳态；如当推动活塞压缩气缸中的气体时,气体的体积、温度、压强均要 发生变化；在压缩气体过程中的任一时刻,气缸中的气体各部分的压强和温 度并不相同,在靠近活塞的气体压强要大一些,温度要高一些；在热力学中,为了能利用系统处于平稳态的性质来争论过程的规律,我们引进准静态过程 的概念；假如在过程进行中的任一时刻系统的状态发生的实际过程特别缓慢A h B h 图 2-1-1地进行时,各时刻的状态也就特别接近平稳态,过程就成了准静态过程；因 此,准静态过程就是实际过程特别缓慢进行时的极限情形对于肯定质量的气体,其准静态过程可用pV图、pT图、vT图上的一条曲线来表示；留意,只有准静态过程才能这样表示；2、功 在热力学中,一般不考虑整体的机械运动；热力学系统状态的变化,总是通过做功或热 传递或两者兼施并用而完成的；在力学中,功定义为力与位移这两个矢量的标积；在热力学 中,功的概念要广泛得多,除机械功外,主要的有：流体体积变化所作的功；表面张力的功；电流的功；1 机械功名师归纳总结 有些热力学问题中,应考虑流体的重力做功；如图2-1-1 所示,PS第 1 页,共 13 页始终立的高2h 的封闭圆筒,被一水平隔板C 分成体积皆为V 的两x部分；其中都充有气体,A 的密度A 较小, B 的密度B 较大；现将隔板抽走,使A、B 气体匀称混合后,重力对气体做的总功为图 2-1-2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载B A 图 2-1-3WA VghBVgh1AB Vgh2222 流体体积变化所做的功我们以气体膨胀为例；设有一气缸,其中气体的压强为P,活塞的面积 S图 2-1-2；当活塞缓慢移动一微小距离x 时,在这一微小的变化过程中,认为压强P 到处匀称而且不变,因此是个准静态过程；气体对外界所作的元功WpSxpV,外界 活塞 对气体做功WWpV,当气体膨胀时V 0,外界对气体做功W0；气体压缩时V 0,外界对气体做功W0；如图 2-1-3 所示的 A、B 是两个管状容器,除了管较粗的部分高低不同之外,其他一切全同；将两容器抽成真空,P A C F V 再同时分别插入两个水银池中,水银沿管上升； 大气压强皆为 P,进入管中水银体积皆为V ,所以大气对两池中水银所D B 做功相等,但由于克服重力做功A 小于 B,所以 A 管中水银内能增加较多,其温度应略高；准静态过程可用p-V 图上一条曲线来表示,功值W 为O p-V 图中过程曲线下的面积,当气体被压缩时W0；反之W0；如图 2-1-4 所示的由 A 态到 B 态的三种过程,气体图 2-1-4都对外做功, 由过程曲线下的面积大小可知：ACB 过程对外A B 功最大, AB 次之, ADB 的功最小；由此可知,在给定系统的初态和终态, 并不能确定功的数值；功是一个过程量, 只有当系统的状态发生变化经受一个过程,才可能有功；经受不同的过程,D C 功的数值一般而言是不同的；3 表面张力的功液面因存在表面张力而有收缩趋势,要加大液面就得作功；图 2-1-5设想一沾有液膜的铁丝框ABCD 图 2-1-5；长为2 l 的力作用在 BC 边上 ；要使 BC 移动距离 x,就外力 F 作的功为W=F x=2 l x= S；式中 为表面张力系数, 指表面上单位长度直线两侧液面的相互拉力, S 指 BC 移动中液膜两个表面面积的总变化；外力克服表面张力的功转变为液膜的表面能；由此可见,作功是系统与外界相互作用的一种方式,也是两者的能量相互交换的一种方式；这种能量交换的方式是通过宏观的有规章运动来完成的；我们把机械功、电磁功等统称为宏观功；2 13、热力学第肯定律 当系统与外界间的相互作用既有做功又有热传递两种方式时,设系统在初态的内能E ,经受一过程变为末态的内能E ,令EE2E 1；在这一过程中系统从外界吸取的热量为 Q,外界对系统做功为W,就 E=W+Q ；式中各量是代数量,有正负之分；系名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 统吸热 Q0,系统放热优秀学习资料欢迎下载W0；内能增加Q0；外界做功W0,系统做功 E0,内能削减 E0；热力学第肯定律是普遍的能量转化和守恒定律在热现象 中的详细表现；2 14、热量 当一个热力学系统与温度较高的外界热接触时,热力学系统的温度会上升,其内能 增加,状态发生了变化；在这个状态变化的过程中,是外界把一部分内能传递给了该系 统,我们就说系统从外界吸取了热量；假如系统与外界没有通过功来交换能量,系统从 外界吸取了多少热量,它的内能就增加多少；热量是过程量；做功和传递热量都可以使系统的内能发生变化,但它们本质上是有区分的,做功是 通过物体的宏观位移来完成的,是通过有规章的运动与系统内分子无规章运动之间的转 换,从而使系统的内能有所转变；传递热量是通过分子之间的相互作用来完成的,是系 统外物体分子无规章运动与系统内分子无规章运动之间的传递,从而使系统的内能有所 转变；为了区分起见,我们把热量传递叫做微观功；2 15、气体的自由膨胀 气体向真空的膨胀过程称为气体的自由膨胀；气体自由膨胀时,没有外界阻力,所 以外界不对气体做功 W=0 ；由于过程进行很快,气体来不及与外界交换热量,可看成是 绝热过程 Q=0 ；依据热力学第肯定律可知,气体绝热自由膨胀后其内能不变,即 E=0 ；假如是抱负气体自由膨胀,其内能不变,气体温度也不会变化,即 T=0 ；假如是离 子气体自由膨胀,虽内能不变,但分子的平均斥力势能会随着体积的增大而减小,分子的平均平动动能会增加,从而气体温度会上升,即 T0；假如是存在分子引力的气体自由膨胀后,其内能不变,但平均分子引力势能会增大,分子平均平动动能会减小,气体温度会降低,即 T0；例 1、绝热容器 A 经一阀门与另一容积比 A 的容积大得多的绝热容器 B 相连；开头时阀门关闭,两容器中盛有同种抱负气体,温度均为 30, B 中气体的压强是 A 中的两倍；现将阀门缓慢打开,直至压强相等时关闭；问此时容器A 中气体的温度为多少？假设在打开到关闭阀门的过程中处在 A 中的气体与处在 B 中的气体之间无热交换；已知每摩尔该气体的内能为 E=2.5RT；分析：由于 B 容器的容积远大于 A 的容积,所以在题述的过程中,B 中气体的压强和温度均视为不变；B 容器内部分气体进入 A 容器,依据题设, A 容器内气体是个绝热过程； 外界 B 容器的剩余气体 对 A 气体做功等于其内能的增量,从而求出 A 气体的最终温度；名师归纳总结 解：设气体的摩尔质量为M,A 容器的体积V,打开阀门前,气体质量为m,压强为第 3 页,共 13 页p,温度为 T；打开阀门又关闭后,A 中气体压强为2p,温度为' T ,质量为' m ,就有pVmRT,2pVmR TMM进入 A 气体质量mmmMpV21,设这些气体处在B 容器中时所占RTT- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载V m RT T 1 V体积为 2 Mp T 2；为把这些气体压入 A 容器,B 容器中其他气体对这W 2 P V pV 2 T 1 些 气 体 做 的 功 为 T； A 中 气 体 内 能 的 变 化m 5 RE T T M 2；依据热力学第肯定律有W EpV 2 T 1 5 pV 1 T T TT 353 K例 2、一根长为 76cm 的玻璃管,上端封闭,插入水银中；水银布满管子的一部分；3封闭体积内有空气 1 . 0 10 moI,如图 2-1-6 所示,大气压为1 176cmHg ；空气的摩尔定容热容量 CV 20 . 5 J moI K,当玻 76cm 璃管温度降低 10时,求封闭管内空气缺失的热量；分析：取封闭在管内的空气为争论对象,为求出空气在降温过程中的放热,关键是确定空气在降温过程中遵循的过程方程；由于 图 2-1-6管内空气压强 p 等于大气压强与管内水银柱压强之差,因管长刚好76cm,故 P 与空气柱高度成正比,即封闭气体的压强与其体积成正比；随着温度降低,管内水银柱上升,空气的压强与体积均减小,但仍保持正比关系；解：设在降温过程中管内封闭空气柱的高度为h,水银柱高度为h ,就hh76 cm；管内封闭空气的压强为pP 0g hghp 与空气柱高度h 成正式中 为水银密度,上式说明,在降温过程中,空气的压强 比,因管粗细匀称,故 p 与空气体积 V成正比,即 p V 这就是管内封闭空气在降温过程中所遵循的过程方程；空气在此过程中的摩尔热容量10CC1 V 2R；Q放Q吸nCT10320.518. 31 20 . 247J此题也可直接由热力学第肯定律求解,关键要求得空气膨胀做功；由题给数据,可分析得空气对水银柱做功是线性力做功的情形；§ 2.2 热力学第肯定律对抱负气体的应用2 21、等容过程名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 气体等容变化时,有P优秀学习资料欢迎下载WpV0；依据热力学T恒量,而且外界对气体做功第肯定律有 E=Q ；在等容过程中,气体吸取的热量全部用于增加内能,温度上升；反之,气体放出的热量是以减小内能为代价的,温度降低；QECVnCVTviVpR；2式中QEiTT22 21、等压过程 V气体在等压过程中,有 T 恒量, 如容器中的活塞在大气环境中无摩擦地自由移动；依据热力学第肯定律可知：气体等压膨胀时, 从外界吸取的热量 Q,一部分用来增加内能,温度上升,另一部分用于对外作功；气体等压压缩时,外界对气体做的功和气体 温度降低所削减的内能,都转化为向外放出的热量；且有WpVnRT的关系有CpC vR；该式说明： 1molQnCpTEnCvTipV2定压摩尔热容量Cp与定容摩尔热容量CV抱负气体等压上升1K 比等容上升1k 要多吸热8.31J,这是由于1mol 抱负气体等压膨胀温度上升1K 时要对外做功8.31J 的缘故；2 23、等温过程气体在等温过程中,发生的变化；有 pV=恒量； 例如, 气体在恒温装置内或者与大热源想接触时所抱负气体的内能只与温度有关,所以抱负气体在等温过程中内能不变,即 E=0,因此有 Q=-W ；即气体作等温膨胀,压强减小,吸取的热量完全用来对外界做功；气体作等温压缩,压强增大,外界的对气体所做的功全部转化为对外放出的热量；2 24、绝热过程气体始终不与外界交换热量的过程称之为绝热过程,即Q=0 ；例如用隔热良好的材料把容器包起来,或者由于过程进行得很快来不及和外界发生热交换,这些都可视作绝 热过程；pV名师归纳总结 抱负气体发生绝热变化时,p、V、T 三量会同时发生变化,仍遵循T恒量；依据第 5 页,共 13 页热力学第肯定律,因Q=0 ,有WEnCvTip2 V2p1 V 12这说明气体被绝热压缩时,外界所作的功全部用来增加气体内能,体积变小、温度- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载上升、压强增大；气体绝热膨胀时,气体对外做功是以减小内能为代价的,此时体积变 大、温度降低、压强减小；气体绝热膨胀降温是液化气体获得低温的重要方法；例： 0.020kg 的氦气温度由17上升到27；如在升温过程中,体积保持不变,压强保持不变；不与外界交换热量；试分别求出气体内能的增量,吸取的热量,外界对气体做的功；气体的内能是个状态量,且仅是温度的函数；在上述三个过程中气体内能的增量是相同的且均为：EnCvT5.158. 3110623J15L 的真空容器中,等容过程中W0,QE623J在等压过程中QnCPTnCVR T52 .58. 31101.039103JWEQ416J在绝热过程中Q0,WE623 J1mol 温度为 27的氦气,以100ms1的定向速度注入体积为容器四周绝热；求平稳后的气体压强；平稳后的气体压强包括两部分：其一是温度27,体积 15L 的 2mol 氦气的压强p ；其二是定向运动转向为热运动使气体温度上升 T所导致的附加压强 p；即有pp0pnRT 0nRTVV氦气定向运动的动能完全转化为气体内能的增量：1mv2nn3 2RTv23.310517.103P a3 .3105P a2pRT 0MV3 V2 25、其他过程 抱负气体的其他过程,可以敏捷地运用以下关系处理问题；气态方程：pVnRTnCVTV-T热力学第肯定律：EWQ功： W=± -V 图中过程曲线下面积 PV 关系式；如某抱负气体经受过程方程：由过程曲线的几何关系找出过程的图中的双曲线过程,其过程方程为：VT=C 或者pV2C2 26、绝热过程的方程 绝热过程的状态方程是名师归纳总结 uP 1 V 1Pu V 2其中uCp/Cv第 6 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载2 27、循环过程 系统由某一状态动身,经受一系列过程又回到原先状态的过程,称为循环过程；热机循环过程在P-V 图上是一根顺时针绕向的闭合曲线P B 如图 2-2-1；系统经过循环过程回到原先状态,因此 E=0；由图可见,在ABC 过程中,系统对外界作正功,C 在 CDA 过程中,外界对系统作正功；在热机循环中,系统对外界所作的总功：O M D N V WP-V 图中循环曲线所包围的面积而且由热图 2-2-1力学第肯定律可知：在整个循环中系统绕从外界吸取的热量总和Q ,必定大于放出的热量总和Q ,而且Q 1Q 2W热机效率表示吸取来的热量有多少转化为有用的功,是热机性能的重要标志之一,效率的定义为W1Q21 r=9.5,热机50 3 Q 1Q 1例 1 一台四冲程内燃机的压缩比抽出的空气和气体燃料的温度为27,在 larm=103KPa压强下的体积为V ,0 2 图 2-2-24 如图 2-2-2 所示,从1 2 是绝热压缩过程；23V 00 1 混合气体燃爆,压强加倍；从34 活塞外推,气体绝热膨胀至体积9 V ；这是排气阀门打开,压rV0强回到初始值larm压缩比是气缸最大与最小体积比, 是比热容比 ；1确定状态1、2、3、4 的压强和温度； 2求此循环的热效率；分析：此题为实际热机的等容加热循环奥托循环；其热效率取决于压缩比；解：对于绝热过程,有p V恒量,结合状态方程,有TVr1恒量；V 1状态 1,p 11 atm,T 1300 KT 2 V 01T 1rV01得T 23002 . 461738 3. K,p223 . 38 atm在状态 3,p 32p246. 76atm,T32 T 214766.K用绝热过程运算状态4,由T4V01T 3V 01得T 4600 K,p42 atm；2热效率公式中商的分母是23 过程中的吸热, 这热量是在这一过程中燃烧燃料所获得的；由于在这一过程中体积不变,不做功,所以吸取的热量等于气体内能的增加,名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 即CVm T 3V优秀学习资料欢迎下载41 过程放热之差：T2,转化为功的有用能量是23 过程吸热与Cm T 3T 1CVm T4T 1热效率为：CVm T 1T3T 2T41T4T 11T 2V211r1CVm T 3T 2T 3T2绝热过程有：T 4 V 41T 3 V 31,T 1 V 1由于V 4V 1,V 2V3而T 1V 211T4T 31T 1, 故T 1T2,T2T2V 1r因此1r1；热效率只依靠于压缩比,热量耗散了,没有参加循环； =59.34%,实际效率只是上述结果的一半稍大些,由于大量的§ 2-3 热力学其次定律2 31、卡诺循环 物质系统经受一系列的变化过程又回到初始状态,这样的周而复始的变化过程为循环过程,简称循环；在 P-V 图上,物质系统的循环过程用一个闭合的曲线表示；经受一个循环,回到初始状态时,内能不变；利用物质系统 功的装置叫做热机；在循环过程中,使工作物从 膨胀作功以后的状态,再回到初始状态,周而复 始进行下去,并且必而使工作物在返回初始状态 的过程中,外界压缩工作物所作的功少于工作物 在膨胀时对外所做的功,这样才能使工作物对外称为工作物 连续不断地把热转换为做功；获得低温装置的致冷机也是利用工作物的p 1pa循环过程来工作的,不过它的运行方向与热机中工作物的循环过程相反；卡诺循环是在两个温度恒定的热源之间工作名师归纳总结 的循环过程；我们来争论由平稳过程组成的卡诺p2b第 8 页,共 13 页循环,工作物与温度为T 的高温热源接触是等温p4dcT1 膨胀过程；同样,与温度为T 的低温热源接触而p3T2 放热是等温压缩过程；由于工作物只与两个热源0 V 1 V 4 V2 V 3V 交换能量,所以当工作物脱离两热源时所进行的图 2-3-1过程,必定是绝热的平稳过程；如图2-3-1 所示,在抱负气体卡诺循环的P-V 图上,曲线ab 和 cd 表示温度为T 和T 的两条等温线,曲线bc 和 da 是两条绝热线； 我们先争论以状态a 为始点,沿闭合曲线abcda 所作的循环过程；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载cda 的压缩过程中,在 abc 的膨胀过程中,气体对外做功W 是曲线 abc 下面的面积,在外界对气体做功W 是曲线 cda 下面的面积；气体对外所做的净功W W 1W 2就是闭合曲线 abcda 所围面积,气体在等温膨胀过程ab 中,从高温热源吸热Q 1nRTInV2,V 1气 体 在 等 温 压 缩 过 程cd 中 , 向 低 温 热 源 放 热Q2nRT 2InV3V4； 应 用 绝 热 方 程V2V3T 1 V 2r1T 2V 3r1和T 1 V 1r1T 2 V4r1得V 1V4所以Q2nRT 2InV3nRT 2InV2V4V1Q 1Q2T 1T 2卡诺热机的效率W Q 1 Q 21 T 2Q 1 Q 1 T 1我们再争论抱负气体以状态 a 为始点,沿闭合曲线 adcba 所分的循环过程；明显,气体将从低温热源吸取热量 Q ,又接受外界对气体所作的功 W ,向高温热源传热Q 1 W Q 2；由于循环从低温热源吸热,可导致低热源的温度降得更快,这就是致冷机可以致冷的原理； 致冷机的功效常用从低温热源中吸热 Q 和所消耗的外功 W 的比值来Q 2 Q 2 T 2量度,称为致冷系数,即 W Q 1 Q 2,对卡诺致冷机而言,T 1 T 2；有一卡诺致冷机,从温度为-10的冷藏室吸取热量,而向温度为 20的物体放出热量；设该致冷机所耗功率为15kW,问每分钟从冷藏室吸取的热量是多少？T 2 263W令T 13293 K,T 2J263 K, 就T 1T230；每 分钟 作 功1510609105,所以每分钟从冷藏室中吸热Q2W7 .89106J；2 32、热力学其次定律 表述 1：不行能制成一种循环动作的热机,只从一个热源吸取热量,使之全部变为有 用的功,而其他物体不发生任何变化；表述 2：热量不行能自动地从低温物体转向高温物体；在表述 1 中,我们要特殊留意“ 循环动作” 几个字,假如工作物进行的不是循环过 程,如气体作等温膨胀,那么气体只使一个热源冷却作功而不放出热量便是可能的；该名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载表达反映了热功转换的一种特殊规律,并且表述 来证明两者的等价性；1 与表述 2 具有等价性；我们用反证法假设表述1 不成立,亦即答应有一循环Ep 图 2-3-2可以从高温热源取得热量Q ,并全部转化为功W；这样我们再利用一个逆卡诺循环口接受E所作功 W=Q ,使它从低温热源T 取得热量Q ,输出热量Q 1Q 2给高温热源； 现在把这两个循环总的看成一部复合致冷机,其总的结果是,外界没有对他做功而它却把热量Q 从低温热V 源传给了高温热源；这就说明,假如表述1 不成立,就表述2 也不成立；反之,也可以证明假如表述2 不成立,就表述1 也必定不成立；试证明在 P-V 图上两条绝热线不能相交；假定两条绝热线与在P-V 图上相交于一点A,如图 2-3-2 所示；现在,在图上再画一等温线,使它与两条绝热线组成一个循环；这个循环只有一个单热源,它把吸取的热量全部转变为功,即 =1,并使四周没有变化；明显,这是违反热力学其次定律的,因此两条绝热线不能相交；2 33、卡诺定理设有一过程,使物体从状态 A 变到状态 B；对它来说,假如存在另一过程,它不仅使物体进行反向变化,从状态 B 回复到状态 A,而且当物体回复到状态 A 时,四周一切也都各自回复到原状,就从状态 A 进行到状态 B 的过程是个可逆过程；反之,如对于某一过程,不论经过怎样复杂曲折的方法都不能使物体和外界复原到原先状态而不引起其他变化,就此过程就是不行逆过程；气体快速膨胀是不行逆过程；气缸中气体快速膨胀时,活塞邻近气体的压强小于气体内部的压强；设气体内部的压强为 P,气体快速膨胀微小体积 V,就气体所作的功W ,小于 p V；然后,将气体压回原先体积,活塞邻近气体的压强不能小于气体内部的压强,外界所作的功 W 不能小于 p V；因此,快速膨胀后,我们虽然可以将气体压缩,使它回到原先状态, 但外界多作功 W 2 W 1；功将增加气体的内能,而后以热量形式释放；依据热力学其次定律,我们不能通过循环过程再将这部分热量全部变为功；所以气体迅速膨胀的过程是不行逆过程；只有当气体膨胀特别缓慢,活塞邻近的压强特别接近于气体内部的压强 p 时,气体膨胀微小体积 V 所作的功恰好等于 p V,那么我们才能非常缓慢地对气体作功 p V,将气体压回原先体积；所以,只有特别缓慢的亦即平稳的膨胀过程,才是可逆的膨胀过程；同理,只有特别缓慢的亦即平稳的压缩过程,才是可逆的压缩过程；在热力学中,过程的可逆与否和系统所经受的中间状态是否平稳亲密相关；实际的一切过程都是不行逆过程；卡诺循环中每个过程都是平稳过程,所以卡诺循环是抱负的可逆循环卡诺定理指出：名师归纳总结 1 在同样高温 温度为T 和低温 温度为T 之间工作的一切可逆机,不论用什么工作物,第 10 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 效率都等于 1T 2优秀学习资料欢迎下载不行能高T 1；2在同样高低温度热源之间工作的一切不行逆机的效率,于可逆机,即1T 2；T 1下面我们赐予证明；设高温热源 T ,低温热源 T ,一卡诺抱负可逆机 E 与另一可逆机 E ,在此两热源之间工作,设法调剂使两热机可作相等的功 W；现使两机结合,由可逆机 E 从高温热源吸W热Q 1向低温热源放热Q2Q 1W,其效率Q 2Q 1；可逆机 E 所作功 W 恰好供应应卡诺机 E,而使 E 逆向进行,从低温热源吸热Q 1W,向高温热源放热Q ,其效W率为Q 1；我们用反证法,先设；由此得Q 1Q ,即Q 2Q ；当两机一起运行时,视他们为一部复合机,结果成为外界没有对这复合机作功,而复合机却能将热量 Q 2 Q 2 Q 1 Q 1 从低温热源送至高温热源,违反了热力学其次定律；所以不行能；反之,使卡诺机 E 正向运行,而使可逆机 E 逆行运行,就又可证明为不可能,即只有 = 才成立,也就是说在相同的 T 和 T 两温度的高低温热源间工作的一T 21切可逆机,其效率均为 T 1；假如用一台不行逆机 E 来代替上面所说的 E ；按同样方法可以证明为不行能,即只有；由于 E 是不行逆机,因此无法证明；所以结论是,即在相同 T 和 T 的两温度的高低温热源间工作的不行逆机,它的效率不行能大于可逆机的效率；2 34、热力学其次定律的统计意义对于热量传递,我们知道,高温物体分子的平均动能比低温物体分子的平均动能要大,两物体相接触时,能量从高温物体传到低温物体的概率明显比反向传递的概率大得多；对于热功转换,功转化为热是在外力作用下宏观物体的有规章定向运动转变为分子无规章运动的过程,这种转换的概率大,反之,热转化为功就是分子的无规章运动转变为宏观物体的有规章运动的过程,这种转化的概率小；所以,热力学其次定律在本质上是一条统计性的规律；一般说来,一个不受外界影响的封闭系统,其内部发生的过程,总是由概率小的状态向概率大的状态进行,由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行,这是热力学其次定律统计意义之所在；名师归纳总结 例 1、某空调器按可逆卡诺循环运转,其中的作功装置连续工作时所供应的功率P ；第 11 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载1 夏天室外温度恒为 T ,启动空调器连续工作,最终可将室温降至恒定的 T ；室外通过热传导在单位时间内向室内传输的热量正比于 T 1 T 2 牛顿冷切定律 ,比例系数 A；试用 T ,P 和 A 来表示 T 2当室外温度为 30时,如这台空调只有 30%的时间处于工作状态,室温可维护在 20；试问室外温度最高为多少时,用此空调器仍可使室温维护在20； 3 冬天,可将空调器吸热、放热反向；试问室外温度最低为多少时,用此空调器可使室温维护在 20；分析： 夏天,空调机为制冷机,作逆向卡诺循环,从室内吸热,向室外放热,对工作物质作功；为保持室温恒定,空调器从室内吸热等于室外向室内通过热传导传输的热量；冬天刚好相反,空调器为热机,作顺向卡诺循环,从室外吸热,向室内放热；为保持室温恒定,空调器向室内的放热应等于室内向室外通过热传导传输的热量；名师归纳总结 解： 1 夏天,空调器为制冷机,单位时间从室内吸热Q ,向室外放热Q ,空调器第 12 页,共 13 页Q 1Q2,Q2T 1T22P；的平均功率为P,就Q 1Q 2P；对可逆卡诺循环,就有T 1T2T通过热传导传热QA T 1T 2,由QQ 2得T 1T2PT2AT 2T 11PP24PT 12AAAP 0P 024P 0T 1因空调器连续工作,式中PP 0,T2T 112AAA2T 1293 K,P0.3P 0,T 1303 K,而所求的是PP 0时对应的T 值,记为T 1max,就- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - T 1T 203.P 0T 2优秀学习资料欢迎下载A名师归纳总结 T 1maxT 2P 0T2,空调器连续第 13 页,共 13 页A解得T 1maxT 2.03 T 1T 2311 . 26K38 . 26C；3 冬天, 空调器为热机, 单位时间