热力学统计物理第一章优秀PPT.ppt

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1、 1.8 1.8 志向气体的绝热过程志向气体的绝热过程一、志向气体一、志向气体(准静态准静态)绝热过程的过程方程绝热过程的过程方程又有又有热力学第确定律热力学第确定律志向气体物态方程志向气体物态方程准静态过程准静态过程绝热过程绝热过程志向气体的定容热容量志向气体的定容热容量两边微分得两边微分得得得整理得整理得-绝热过程中系统热力学量满足的函数关系式绝热过程中系统热力学量满足的函数关系式在绝热过程中在绝热过程中,还成立吗还成立吗?理想气体在准静态绝热过程中所经历的各个状态，压强与体理想气体在准静态绝热过程中所经历的各个状态，压强与体积的积的 次方的乘积是恒定不变的。次方的乘积是恒定不变的。在理想

2、气体在理想气体 图上绝热线比等温线为什么更陡？图上绝热线比等温线为什么更陡？若理想气体的温度在过程中变化不大，可把若理想气体的温度在过程中变化不大，可把 看作常数，则有看作常数，则有 （志向气体绝热过程的过程方程）（志向气体绝热过程的过程方程）绝热线绝热线等温线等温线二、志向气体的多方过程二、志向气体的多方过程多方过程的过程方程多方过程的过程方程为多方系数为多方系数,不是摩尔数不是摩尔数多方过程的热容量多方过程的热容量对于志向气体对于志向气体由由 和和 可得可得（以（以1摩尔志向气体为例）摩尔志向气体为例）（志向气体（志向气体绝热过程的绝热过程的过程方程）过程方程）（1 1）“常数常数”并不相

3、同。并不相同。（2 2）可通过测定在该气体中的声速来确定。可通过测定在该气体中的声速来确定。对对 两边微分，得两边微分，得所以所以等温过程等温过程绝热过程绝热过程等压过程等压过程等容过程等容过程（1 1）热机：通过工作物质所进行的过程，不断把其所吸取的）热机：通过工作物质所进行的过程，不断把其所吸取的热量转化为机械功的装置。热量转化为机械功的装置。1.9 1.9 志向气体的卡诺循环志向气体的卡诺循环一、等温过程一、等温过程对于志向气体，在等温过程有对于志向气体，在等温过程有（3 3）卡诺循环：由）卡诺循环：由两个等温过程两个等温过程和和两个绝热过程两个绝热过程组成。组成。以以 理想气体为例，研

4、究这两个过程。理想气体为例，研究这两个过程。气体体积由气体体积由 变到变到 时，外界作的功为时，外界作的功为（2 2）循环：系统从初态动身，经验一系列过程，又回到初态，为）循环：系统从初态动身，经验一系列过程，又回到初态，为一个循环。一个循环。（此时为常数）此时为常数）对于志向气体，在绝热过程有对于志向气体，在绝热过程有由热力学第确定律可知由热力学第确定律可知 上式表明：在等温膨胀过程中，志向气体从外界吸取热量，上式表明：在等温膨胀过程中，志向气体从外界吸取热量，这热量全部转化为气体对外所作的功；在等温压缩过程中，外这热量全部转化为气体对外所作的功；在等温压缩过程中，外界对气体作功，这功通过气

5、体转化为热量而放出。界对气体作功，这功通过气体转化为热量而放出。根据焦耳定律，等温过程的理想气体内能不变，即根据焦耳定律，等温过程的理想气体内能不变，即所以志向气体在过程中从热源吸取的热量为所以志向气体在过程中从热源吸取的热量为二、绝热过程二、绝热过程有有当理想气体的体积在该过程中由当理想气体的体积在该过程中由 变到变到 时，外界作的功为时，外界作的功为对于志向气体对于志向气体所以所以 这表明：在绝热压缩过程中，外界对气体作功，这功全部这表明：在绝热压缩过程中，外界对气体作功，这功全部转化为气体的内能而使气体的温度上升。在绝热膨胀过程中，转化为气体的内能而使气体的温度上升。在绝热膨胀过程中，外

6、界对气体作负功，事实上是气体对外界做功，这功是由气体外界对气体作负功，事实上是气体对外界做功，这功是由气体在过程中削减的内能转化而来的在过程中削减的内能转化而来的,气体内能削减，其温度下降。气体内能削减，其温度下降。三、志向气体的卡诺循环三、志向气体的卡诺循环pVT1 1 1、等温膨胀过程等温膨胀过程2 2、绝热膨胀过程绝热膨胀过程T23 3、等温压缩过程等温压缩过程4 4、绝热压缩过程绝热压缩过程四个过程中，气体从外界吸取的热量分别为四个过程中，气体从外界吸取的热量分别为整个循环过程中，气体从外界吸取的热量整个循环过程中，气体从外界吸取的热量顺时针顺时针为正，为正，逆时针逆时针为逆为逆 整个

7、循环过程完成后，气体回到原来的状态，内能作为状整个循环过程完成后，气体回到原来的状态，内能作为状态函数其变更为零，即态函数其变更为零，即 由热力学第确定律得，气体对外所作的净功由热力学第确定律得，气体对外所作的净功pVT1T2（理想气体的卡诺循环）（理想气体的卡诺循环）卡诺循环的逆卡诺循环的逆过程为制冷机过程为制冷机 至此，由上式可知，以志向气体为工作物质、循环为卡至此，由上式可知，以志向气体为工作物质、循环为卡诺循环的热机，其热功转化效率的大小只取决于两个热源诺循环的热机，其热功转化效率的大小只取决于两个热源的温度。的温度。四、热机效率四、热机效率 效率恒小于效率恒小于1 1，缘由是气体只把

8、它从高温热源吸取的热的一，缘由是气体只把它从高温热源吸取的热的一部分转化为机械功，其余热量在低温热源放出了。部分转化为机械功，其余热量在低温热源放出了。思索思索:(1):(1)不是以志向气体为工作物质但循环为卡诺循环的不是以志向气体为工作物质但循环为卡诺循环的热机热机?(2)?(2)以志向气体为工作物质，但循环不是卡诺循环的热机以志向气体为工作物质，但循环不是卡诺循环的热机其效率为何，仍取决于两个热源的温度吗？其效率为何，仍取决于两个热源的温度吗？1.10 1.10 热力学其次定律热力学其次定律 违反第确定律的热现象确定不能发生，但不违反第确定律的热现违反第确定律的热现象确定不能发生，但不违反

9、第确定律的热现象就确定能发生吗？热确定律指出各种形式的能量在相互转化的过程象就确定能发生吗？热确定律指出各种形式的能量在相互转化的过程中满足能量守恒定律，但对过程进行的方向却没有给出任何限制。中满足能量守恒定律，但对过程进行的方向却没有给出任何限制。在实际发生的过程中假如涉及热量或内能与其它形式能在实际发生的过程中假如涉及热量或内能与其它形式能量的转化，则全部过程都是具有方向性。量的转化，则全部过程都是具有方向性。克劳修斯和开尔文分别在克劳修斯和开尔文分别在18501850年和年和18511851年审查了卡诺的工年审查了卡诺的工作，指出要证明卡诺定理须要有一个新的原理，从而发觉了作，指出要证明

10、卡诺定理须要有一个新的原理，从而发觉了热力学其次定律。热力学其次定律。思索：热量能自发的从低温物体传递给高温物体吗？（不违反第确定律）思索：热量能自发的从低温物体传递给高温物体吗？（不违反第确定律）热力学其次定律解决的就是与热现象有关的实际过程的热力学其次定律解决的就是与热现象有关的实际过程的方向问题。方向问题。克氏表述：不行能把热量从低温物体传到高温物体而不引克氏表述：不行能把热量从低温物体传到高温物体而不引 起其它变更。起其它变更。开氏表述：不行能从单一热源吸热使之完全变成有用的功开氏表述：不行能从单一热源吸热使之完全变成有用的功 而不引起其它变更。而不引起其它变更。说说 明：明：（1 1

11、）在引起其它变更的情形下，从单）在引起其它变更的情形下，从单一热源吸取热量并全部转化为机械功是可以实现的一热源吸取热量并全部转化为机械功是可以实现的一、热力学其次定律的两种典型表述一、热力学其次定律的两种典型表述 （2 2）同样在引起其他变更的情形下，可以）同样在引起其他变更的情形下，可以把热量从低温热源传到高温热源（如志向气体的逆卡诺循环）。把热量从低温热源传到高温热源（如志向气体的逆卡诺循环）。1 1、“不引起其它变更不引起其它变更”：（如志向气（如志向气体等温膨胀，就是从热源吸取热量全部对外作功，这时的体等温膨胀，就是从热源吸取热量全部对外作功，这时的“其其他变更他变更”是：气体体积膨胀

12、了。）；是：气体体积膨胀了。）；2 2、“不行能不行能”：热力学其次定律的开氏说法也可表述为其次类永动机是热力学其次定律的开氏说法也可表述为其次类永动机是不行能造成的。不行能造成的。3 3、“单一热源单一热源”：匀整热源。：匀整热源。二、其次类永动机二、其次类永动机 能够从单一热源（如大气或海洋）吸热，使之完全变成能够从单一热源（如大气或海洋）吸热，使之完全变成有用功而不产生其他影响的机器，成为其次类永动机。有用功而不产生其他影响的机器，成为其次类永动机。不论用任何曲折困难的方法，在全部过程终了时，不论用任何曲折困难的方法，在全部过程终了时，其最终的唯一效果是从单一热源吸热而将之完全变成有用功

13、或将其最终的唯一效果是从单一热源吸热而将之完全变成有用功或将热量从低温物体传到高温物体在不引起其他变更的状况下是不行热量从低温物体传到高温物体在不引起其他变更的状况下是不行能的。能的。三、克氏表述和开氏表述的等价性三、克氏表述和开氏表述的等价性1 1、若克氏表述不成立，则开氏表述也不成立。、若克氏表述不成立，则开氏表述也不成立。考虑一个卡诺循环，工作物质从高温考虑一个卡诺循环，工作物质从高温 吸收热量吸收热量 ，在，在低温热源低温热源 放出热量放出热量 ，对外作功，对外作功 。如果克氏不成立，可以将热量如果克氏不成立，可以将热量 从热源从热源 送到热源送到热源 而不而不引起其它变化，则全程的最

14、终效果为从热源引起其它变化，则全程的最终效果为从热源 吸热吸热 ，将之完全变成有用功，这样开氏表述也就不能成立。将之完全变成有用功，这样开氏表述也就不能成立。克氏表述：不行能克氏表述：不行能把热量从低温物体把热量从低温物体传到高温物体而不传到高温物体而不引起其它变更。引起其它变更。开氏表述：不行能从开氏表述：不行能从单一热源吸热使之完单一热源吸热使之完全变成有用的功而不全变成有用的功而不引起其它变更。引起其它变更。2 2、若开氏表述不成立，则克氏表述也不成立。、若开氏表述不成立，则克氏表述也不成立。如果开氏表述不成立，一个热机能够从热源如果开氏表述不成立，一个热机能够从热源 吸收热量吸收热量

15、使使之全部转化为有用功之全部转化为有用功 ，就可以利用这个功来带动一个逆卡，就可以利用这个功来带动一个逆卡诺循环，整个过程的最终效果是将热量诺循环，整个过程的最终效果是将热量 从低温热源从低温热源 传导高传导高温热源温热源 而未引起其它变化。这样克氏表述也就不成立了。而未引起其它变化。这样克氏表述也就不成立了。克氏表述：不行能克氏表述：不行能把热量从低温物体把热量从低温物体传到高温物体而不传到高温物体而不引起其它变更。引起其它变更。开氏表述：不行能从开氏表述：不行能从单一热源吸热使之完单一热源吸热使之完全变成有用的功而不全变成有用的功而不引起其它变更。引起其它变更。精品课件精品课件！精品课件精

16、品课件！三、可逆过程、不行逆过程三、可逆过程、不行逆过程不行逆过程：假如一个过程发生后，不论用任何困难曲折不行逆过程：假如一个过程发生后，不论用任何困难曲折 的方法都不行能把它留下的后果完全消退而的方法都不行能把它留下的后果完全消退而 使一切复原原状。使一切复原原状。可逆过程：假如一个过程发生后，它所产生的影响可以可逆过程：假如一个过程发生后，它所产生的影响可以 完全消退而令一切复原原状。完全消退而令一切复原原状。如热传递、功变热。如热传递、功变热。(无摩擦的准静态过程无摩擦的准静态过程)自然界的不行逆过程是相互关联的。由一个过程的不行逆性可推断出自然界的不行逆过程是相互关联的。由一个过程的不行逆性可推断出另一个过程的不行逆性。克氏表述和开氏表述等效的证明就是不行逆过程另一个过程的不行逆性。克氏表述和开氏表述等效的证明就是不行逆过程相互推断的一个例子，这也确定了热力学其次定律可以有各种不同的说法相互推断的一个例子，这也确定了热力学其次定律可以有各种不同的说法。但不论具体的说法如何，热力学其次定律的实质在于指出一切与热现象。但不论具体的说法如何，热力学其次定律的实质在于指出一切与热现象有关的实际过程都有其自发进行的方向，是不行逆的。有关的实际过程都有其自发进行的方向，是不行逆的。