热力学基础第3讲——卡诺循环热力学第二定律.ppt

《热力学基础第3讲——卡诺循环热力学第二定律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学基础第3讲——卡诺循环热力学第二定律.ppt（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、热力学基础第热力学基础第3 3讲讲卡诺循环卡诺循环 热力学第二定律热力学第二定律 主要内容主要内容卡诺循环卡诺循环热力学第二定律热力学第二定律熵、熵增加原理熵、熵增加原理理想气体的典型过程理想气体的典型过程 常量常量过过程程过程方程过程方程系统对外做功系统对外做功 系统从外界吸热系统从外界吸热摩尔热容摩尔热容等等体体等等压压等等温温绝绝热热多多方方 常量常量 常量常量 常量常量 常量常量循环过程循环过程 另一部分则向一些低温热源放出另一部分则向一些低温热源放出 部分用来对外部分用来对外做功做功 工质经历一个正循环，从某工质经历一个正循环，从某些高温热源吸收热量些高温热源吸收热量正循环和热机效率

2、：正循环和热机效率：热机的循环效率：热机的循环效率：向一些高温热向一些高温热源放热源放热 工质经历一个逆循环，从某工质经历一个逆循环，从某些低温热源吸收热量些低温热源吸收热量逆循环和制冷系数：逆循环和制冷系数：对环境做负功对环境做负功定义制冷机的制冷系数定义制冷机的制冷系数：循环过程循环过程一、卡诺循环一、卡诺循环卡诺循环：卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成由两个等温过程和两个绝热过程组成 的循环的循环正向卡诺循环的效率正向卡诺循环的效率:1 12 2：3 34 4：循环效率循环效率T T1 13 34 4T T2 21 12 2V VO Op pQ Q1 1Q Q2 22 23 3

3、和和 4 41 1卡诺循环的效率只由高温热源和低温热源的温度决定！卡诺循环的效率只由高温热源和低温热源的温度决定！逆向卡诺循环的制冷系数逆向卡诺循环的制冷系数T T1 13 34 4T T2 21 12 2V VO Op pQ Q1 1Q Q2 2 以卡诺循环方式工作的制冷机，在某环境下它以卡诺循环方式工作的制冷机，在某环境下它的制冷系数为的制冷系数为 30.3 30.3，例例1 1：在同样的环境下把它用作热机，在同样的环境下把它用作热机，则其效率为多少？则其效率为多少？解：解：用作制冷机时，工质在用作制冷机时，工质在低温低温热源处吸热热源处吸热在高温热源处在高温热源处放放热热外界做功外界做功

4、用作热机时，在高温热源吸热用作热机时，在高温热源吸热在低温热源放热在低温热源放热对外界做功对外界做功（*）式给出）式给出所以所以二、热力学第二定律二、热力学第二定律1 1、可逆过程与不可逆过程、可逆过程与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 :A A B B，系统和外界均发生变化；系统和外界均发生变化；若若 B B A A 时，系统和外界均恢复时，系统和外界均恢复原状，则称原状，则称 A A B B 为可逆过程。为可逆过程。非非准静态过准静态过程为不可逆过程程为不可逆过程 .不可逆不可逆过程：过程：准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩准静态过程（无限

5、缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程过程 .可逆过程的条件可逆过程的条件A A B B，系统和外界均发生变化；系统和外界均发生变化；若若 B B A A 时，系统和外界不能同时，系统和外界不能同时恢复原状，则称时恢复原状，则称 A A B B 为不可为不可逆过程。逆过程。(2)(2)(理想化的理想化的 )无摩擦的准静态过程是无摩擦的准静态过程是可逆过程。可逆过程。定义：定义：自发过程是自然界自动发生的过程。自发过程是自然界自动发生的过程。原因：原因：系统原状态都存在一定的不平衡因素或摩擦系统原状态都存在一定的不平衡因素或摩

6、擦等耗散因素，使系统的状态发生变化。等耗散因素，使系统的状态发生变化。结果：结果：系统总是由不平衡趋向平衡。系统总是由不平衡趋向平衡。一旦达到平衡态，过程即停止，除非外界环一旦达到平衡态，过程即停止，除非外界环境发生新的变化。境发生新的变化。结论：结论：(1)(1)一切自发过程都是不可逆过程；一切自发过程都是不可逆过程；自发过程的方向性自发过程的方向性2 2、热力学第二定律、热力学第二定律开尔文表述：开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不引起其它任完全变为有用的功而不引起其它任何变化。何变化。功变热不可逆功变热不可逆。第二类永动机是不可能造

7、成的第二类永动机是不可能造成的。不可能使热量从低温物体传向高温不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其它任何变化。物体而不引起其它任何变化。克劳修斯表述：克劳修斯表述：热传导不可逆。热传导不可逆。2 2、两种表述的等价性两种表述的等价性I IIIII如开尔文表述不成立如开尔文表述不成立 系统系统 I I 从高温热从高温热源吸热源吸热 对系统对系统 IIII 做功做功 系统系统 IIII 从低温热从低温热源吸热源吸热 向高温热源向高温热源放热放热克劳修斯表述不成立。克劳修斯表述不成立。系统系统 (I+II(I+II)从低温热源吸热从低温热源吸热 向高温热源放向高温热源放热热 而未引起其它任何

8、变化而未引起其它任何变化一切与热现象有关的实际自发过程都是不可逆的！一切与热现象有关的实际自发过程都是不可逆的！3 3、卡诺定理卡诺定理提高热机效率的途径：提高热机效率的途径：(1)(1)减少循环过程的不可逆性；减少循环过程的不可逆性；(2)(2)减小减小 在温度为在温度为 的高温热源和温度为的高温热源和温度为 的低温的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等而热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等而与工作物质无关，且与工作物质无关，且一切不可逆热机的效率不可能大于一切不可逆热机的效率不可能大于三、熵三、熵 熵增加原理熵增加原理1 1、克劳修斯等式、克劳修斯等式卡诺定理卡诺定理“=”=”

9、对应可逆卡诺循环对应可逆卡诺循环；是高温热源的温度；是高温热源的温度；是低温热源的温度；是低温热源的温度；是系统从高温热源吸收的热量是系统从高温热源吸收的热量；是系统从低温热源吸收的热量是系统从低温热源吸收的热量(系统实际上向低温热源放热系统实际上向低温热源放热 )；任意的可逆循环，分解成任意的可逆循环，分解成 个微小的可逆卡诺循环，则：个微小的可逆卡诺循环，则：是第是第 个热源的温度，个热源的温度，是系统是系统从第从第 个热源吸收的热量。个热源吸收的热量。当当 时时，是温度连续变化的热源的温度是温度连续变化的热源的温度，是系统在无限小过程中吸收的热量，则：是系统在无限小过程中吸收的热量，则：

10、ClausiusClausius 等式等式ClausiusClausius 不不等式等式对任意的不可逆循环，对任意的不可逆循环，2 2、态函数熵、态函数熵 状态状态 a a、b b，任意的可逆过任意的可逆过程程 R R、R R，构成任意的可逆循环构成任意的可逆循环：a R b R aa R b R aa ab bR RRR即：即：在可逆过程中，存在一个与系统状态有关在可逆过程中，存在一个与系统状态有关的函数，它的增量与路径无关的函数，它的增量与路径无关。态函数熵态函数熵,S,S熵的增量：熵的增量：熵的全微分：熵的全微分：单位：单位：a ab br rRR 如果如果 r r 是不可逆的过程，则是

11、不可逆的过程，则或或 在可逆的微过程中，熵的增量等于系统的热温比；在可逆的微过程中，熵的增量等于系统的热温比；在不可逆微过程中，热温比小于系统熵的增量。在不可逆微过程中，热温比小于系统熵的增量。3 3、熵变的计算、熵变的计算a)a)计算熵变的积分路径必须是可逆过程，若系计算熵变的积分路径必须是可逆过程，若系统经历的过程不可逆，则可在始末状态间设统经历的过程不可逆，则可在始末状态间设想任意可以过程作为积分路径进行积分。想任意可以过程作为积分路径进行积分。b)b)如果系统由几部分组成，那么个部分熵变之如果系统由几部分组成，那么个部分熵变之和等于系统总的熵变。和等于系统总的熵变。思考思考.试求理想气

12、体从状态（试求理想气体从状态（p p0 0,V V0 0,T T0 0）到状）到状态（态（p p,V V,T T）的熵变）的熵变 当系统从一个平衡态经过绝热过程当系统从一个平衡态经过绝热过程到达另一个平衡态时，系统的熵永不减少；到达另一个平衡态时，系统的熵永不减少；在不可逆绝热过程中在不可逆绝热过程中熵增加；熵增加；孤立系统的熵永不减少。孤立系统的熵永不减少。4 4、熵增加原理、熵增加原理任意的热力学过程任意的热力学过程 a a b b：若系统经历的是绝热过程，则若系统经历的是绝热过程，则熵增加原理：熵增加原理：在在可逆绝热过程中熵不变；可逆绝热过程中熵不变；5 5、热力学第二定律的统计意义、

13、热力学第二定律的统计意义1 1、玻耳兹曼公式玻耳兹曼公式 设系统所处的宏观状态所包含的微观状态数设系统所处的宏观状态所包含的微观状态数是是 则系统的熵则系统的熵bdbdadadA A4 4 B B0 0A A3 3 B B1 1A A2 2 B B2 2A A1 1 B B3 3A A0 0 B B4 4宏观状态宏观状态微微观观状状态态微观态数微观态数abcdabcdabcabcbcdbcdcdacdadabdabd da ab bc cababcdcdacacbdbdadadbcbcbcbcacaccdcdababa ab bc cd dbcdbcdcdacdadabdababcabcabc

14、dabcd1 14 46 64 41 1 有序状态信息量多，无序状态信息量少，有序状态信息量多，无序状态信息量少，熵增加则信息量减少，信息就是熵增加则信息量减少，信息就是负熵负熵。2 2、热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义孤立系统的自发过程孤立系统的自发过程 a a b b：孤立系统的自发过程，总是由包含微观状态孤立系统的自发过程，总是由包含微观状态少（有序）的状态向包含微观状态多的状态（无少（有序）的状态向包含微观状态多的状态（无序）进行。序）进行。例例2 2：绝热容器的一半充有绝热容器的一半充有 摩尔理想气体，另一半摩尔理想气体，另一半为真空。现将隔板抽去，使气体自由膨胀到整

15、个容器为真空。现将隔板抽去，使气体自由膨胀到整个容器中。中。试求该气体熵的变化。试求该气体熵的变化。解：解：气体自由膨胀，不做功；气体自由膨胀，不做功；容器绝热，气体不吸热。容器绝热，气体不吸热。根据热力学第一定律，内能的改变量为零，根据热力学第一定律，内能的改变量为零，因此，初、末态为温度相等，设为因此，初、末态为温度相等，设为初态：初态：末态：末态：我们选一个等温的准静态膨胀过程，则我们选一个等温的准静态膨胀过程，则 理想气体的自由膨胀过程是不可逆的，计算理想气体的自由膨胀过程是不可逆的，计算熵变时，熵变时，在初、末态间建立一个方便计算的可逆过程在初、末态间建立一个方便计算的可逆过程。作作 业业 题：题：复习内容：复习内容：习题习题9.209.20、9.289.28、9.279.27第第 9 9 章章