高二物理竞赛课件： 循环过程卡诺循环和热力学第二定律.ppt

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1、一. 循环过程,系统的状态经历一系列的变化后又回到了原状态,循环过程,准静态循环过程：在pV 图上是一闭合曲线,正循环(P-V图沿顺时针方向进行),逆循环(P-V图沿逆时针方向进行),（系统对外作功）,Q1,Q2,a,b,（系统对外作负功）,正循环也称为热机循环,逆循环也称为致冷循环,Q1,Q2,a,b,T1T2,A=Q1 - Q2,Q2,T1T2,-Q1,A外,Q2,热机,制冷机,二. 循环效率,（正循环）热机效率：,（逆循环）致冷系数：,三. 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。,卡诺热机的效率,卡诺致冷机的致冷系数,例1.,1mol氦 气经图示的循环，其中p2=2p1,

2、v2=2v1,求该的循环效率。,解,气体经循环过程所做的净功为图中过程 曲线所围面积，即,由图可见在循环过程中,12 为等体升压过程, 系统从外界吸热23 为等 压膨胀过程, 系统 从外界吸热34 为等 体降压过程, 系统向外界放热45 为等压压缩过程, 系统 向外界放热,氦气为单原子气体，自由度 根据 理想气体状态方程,得,此循环的效率为,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，设月球白昼温度为100 ，而夜间温度为 100 ， 起居室温度要保持在20 ，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差0.5kW，,白昼和夜间给卡诺机所供的

3、功率。,解,例2,求,在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量Q2 ， 放入室外热量Q1,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,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Q1， 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,解得,此种用可逆循环即是所谓的冷暖双制空调的原理。,一.可逆过程与不可逆过程,满足能量守恒的过程一定会实现吗？,1. 自然过程进行的方向性,（1）热功转换不可逆,热,刹车摩擦生热。,烘烤车轮，车不开。,（2）热传导不可逆,热量不能自动从低温高温,（3）扩散不可逆,自由膨胀，不可自动收缩,2

4、. 可逆过程与不可逆过程,(1)可逆过程 其逆过程能使一切恢复原状的过程。例如: 真空中的单摆,无摩擦耗散的准静态过程。 理想的卡诺循环。,(2)不可逆过程 其逆过程不能使一切恢复原状的过程。例如: 自然界的一切自发过程都是不可逆的。 高处东西自由下落。气体扩散。生命 的生老病死。,二. 热力学第二定律,描述自然宏观过程按一定方向进行的规律,定律的两种表述,1. 开尔文表述,(从热功转换的方向性),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。,说明,(1) 吸收的热量可以转化为功（热机）。,(2) 吸收的热量可以完全转化为功（等温膨胀）。,2. 克劳修斯表述,不可能把热量从低

5、温传向高温物体而不引起其它变化。,(从热传递的方向性),说明,热量可以从低温物体传向高温物体(致冷机)。,(2) 热力学第二定律开尔文表述 的另一 叙述形式:第二类永动 机不可能制成。 热功转化具有方向性。,3. 两种表述等价性,假设开尔文 表述不成立,克劳修斯表述不成立,(1) 假设开尔文表述不成立,证明（用反证法）,(2) 假设克劳修斯表述不成立,开尔文表述不成立,类似证明,克劳修斯表述不成立,三. 卡诺定理,1. 在温度分别为T1与T2的两个给定热源 之间工作的一切可逆热机，其效率相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即,2.在相同的高、低温热源之间工作的 一切不可逆热机，其效率都不可能大于可逆热机的效率，即,减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、漏气、散热耗散因素）,要增大热源的温差,是任何热机效率的最高极限,重点,循环效率,（正循环）热机效率：,（逆循环）致冷系数：,