8-6 热力学第二定律的表述 卡诺定理.ppt

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1、第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理热力学第二定律的的引入热力学第二定律的的引入由热力学第一定律可知，热机效率不可能大于由热力学第一定律可知，热机效率不可能大于100%。那。那么热机效率能否等于么热机效率能否等于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%,则仅地球则仅地球上的海水冷却上的海水冷却1,所获得的功就相所获得的功就相当于当于1014t 煤燃烧后放出的热量煤燃烧后放出的热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

2、不可能的。第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理 1 开尔文说法：不可能制造出这样一种开尔文说法：不可能制造出这样一种循循环环工作的热机，它只使工作的热机，它只使单一单一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量给其他物体，或者说放出热量给其他物体，或者说不不使使外外界发生任界发生任何变化何变化.总结总结1 功热转换的条件第一定律无法说明功热转换的条件第一定律无法说明.2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明逆性问题第一定律

3、无法说明.一一 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理(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:第二类永动第二类永动 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第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理 等温膨胀过程

4、是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，单一热源吸热作功，而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但它非循环过程但它非循环过程.12W W低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 卡诺卡诺循环是循循环是循环过程，环过程，但需两个但需两个热源，且热源，且使外界发使外界发生变化生变化.第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化物体，但需外界作功且使环境发生变

5、化.2 克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机WABCD第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理(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

6、冷机的能流图示方法热机、制冷机的能流图示方法热热机机的的能能流流图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八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理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 克劳修斯表克劳修斯表述不成立述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 开尔文表开尔文表述不成立述不成立低温热源低温热源高温热源高

7、温热源第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理注注 意意 1）热力学第二定律是大量实验和经验的总结热力学第二定律是大量实验和经验的总结 3）热力学第二定律独立与热力学第一定律。热力学第二定律独立与热力学第一定律。4）热力学第二定律是反映自然界自发宏观过）热力学第二定律是反映自然界自发宏观过程进行的方向性程进行的方向性.即哪些过程能自发进行，哪些过即哪些过程能自发进行，哪些过程不能自发进行。程不能自发进行。2）热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等

8、效性法具有等效性.与热现象有关的自然界的过程是有方向性的与热现象有关的自然界的过程是有方向性的,人人类社会中的许多过程也是有方向性的。如：类社会中的许多过程也是有方向性的。如：低温低温物体物体高温高温物体物体热热量量自自动动膨胀的气体膨胀的气体压缩的气体压缩的气体体体积积自自动动二、可逆过程的引入二、可逆过程的引入 热力学过程通常分为两类热力学过程通常分为两类:可逆过程可逆过程和和不可逆过程不可逆过程.准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程可逆过程可逆过程:若系统经历了某一个过程，由状态若系统经历了某一个过程，由状态1变化到状态变化到状态2，如果存在另一过程，它能使系统和，如果存

9、在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原过程称为可逆过程。外界完全复原，则原过程称为可逆过程。1.可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程.不可逆过程不可逆过程：如果用任何方法都不能使如果用任何方法都不能使系统和外界系统和外界恢复到原来状态，该过程就称不可逆过程恢复到原来状态，该过程就称不可逆过程 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自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。的过程。2.举例：举例：mx弹簧振子弹簧振子(无摩擦时无摩擦时)过程可逆过程可逆(有摩擦时有摩擦时)不可逆不可逆第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理

10、学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理（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是不功向热转化的过程是不可逆的可逆的。墨水在水中的扩散墨水在水中的扩散一切自发过程都是单方一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程向进行的不可逆过程。热量从高温自动传向热量从高温自动传向低温物体的过程是不低温物体的过程是不可逆的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。结论：一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实结论：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。际过程都是不可逆过程。3.实

11、现可逆过程的条件：实现可逆过程的条件：准静态过程（无限缓慢的过准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程耗散的过程.第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理 不可逆过程的微观本质？不可逆过程的微观本质？讨论讨论 个粒子在空间的分布问题个粒子在空间的分布问题 可分辨的粒子集中在可分辨的粒子集中在左左空间的概率空间的概率三、热力学第二定律的统计意义三、热力学第二定律的统计意义第八章第八章 热力学基础热力学

12、基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理粒子集中在粒子集中在左左空间的空间的概概率率可分辨粒子总数可分辨粒子总数 N=4 N 1 2 4 N W（左）（左）各种分布的状态总数各种分布的状态总数 第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理热力学第二定律的统计意义：热力学第二定律的统计意义：系统总是从热力学概率小的宏观状态向热力学概系统总是从热力学概率小的宏观状态向热力学概率大的宏观状态进行，即从有序向无率大的宏观状

13、态进行，即从有序向无序的状态发展。序的状态发展。第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理1.在相同的高温热源（温度为在相同的高温热源（温度为T1）和相同的低温热源（温度）和相同的低温热源（温度T2）之间工作的一切可逆热机，不论它们用什么工作物质，其效率）之间工作的一切可逆热机，不论它们用什么工作物质，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即 四、四、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

14、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。第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理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

15、于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，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，设月球白昼温度为设月球白昼温度为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，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差每度温差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，从室内吸取热量内吸取热量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

16、秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理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Q2，放入室内热量放入室内热量Q1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，即第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）8 6 8 6 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 卡诺定理卡诺定理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，这就是就是冷暖双制空调的原理冷暖双制空调的原理。