第八章热力学基础02.ppt

一、循环过程及其特征,一个热力学系统由某一平衡态出发，经过,任意过程又回到初态，这样的过程称为循环正循环: 按顺时针方向进行逆循环: 按逆时针方向进行若在循环过程中系统从外界吸收的热量的,总和为Q1，放出的热量总和为Q2 ，则系统对外,界作功为:,§8-5 循环过程 卡诺循环,热机和致冷机,热机: 工作物质作正循环的机器,如图:,AaB过程，从高温热源吸热，,对外作功；,BbA向低温热源放热，对气,体作功根据热力学第一定律,可知:,热机效率:,如图,热机工作原理图,制冷机:工作物质作逆循环的机器,如图:,AbB过程，从低温热源吸热，,对外作功；,BaA向高温热源放热，对气,体作功根据热力学第一定律,可知:,制冷系数:,如图,冰箱循环示意图,二、卡诺循环,1824年法国的年青工程师卡诺提出一个工,作在两热源之间的理想循环----卡诺循环给出,了热机效率的理论极限值；他还提出了著名的,卡诺定理如图，工作物质是,理想气体，循环过程是,静态过程，由两个绝热、,两个等温过程组成,----卡诺循环12过程:等温膨胀,23过程:绝热膨胀,34过程:等温压缩,41过程:绝热压缩,综上所述，气体经过一个循环有:,循环效率为:,23、4 1过程为绝热,过程，则:,,卡诺热机效率,卡诺制冷机:工作物质做卡诺循环的逆循环,制冷系数:,例1:1mol单原子分子理想气体的循环过程如T-V,图所示，其中c点的温度为600K．试求:,(1)ab、bc、ca各个过程系统吸收的热量；,(2)经一循环系统所作的净功；,(3)循环的效率。

解:单原子分子的自由度i=3从图可知，ab是等,压过程，则:,bc过程等容过程，则:,ca过程等温过程，则:,(2),(3),(1)ab过程为等压过程，则:,例2:一定量的理想气体经历如图所示的循环过,程，AB和CD是等压过程，BC和DA是绝,热过程已知:TC=300K，TB=400K试求:此循环,的效率解:,所以:,因为，BC和DA是绝热过程，则:,解：,例3: 1mol 氧气作如图所示的循环求：循环效率,back,down,up,back,down,up,例4 设有一以理想气体为工作物质的热 机循环，如图所示，试证明其效率为：,down,up,,down,up,例5 一热机在1000K和300K的两热源之 间工作如果（1）高温热源提高到1100K， （2）低温热源降到200K，求理论上的热机 效率各增加多少？为了提高热机效率哪一种 方案更好？,效率各增加2.7%及10%,back,down,up,一、自发过程的方向性及其限度,在没有外界的帮助下自动发生的过程称为,自发过程，自发过程只沿单一方向进行，并且,具有一定的限度热力学第一定律无法解释自发过程的方向,性及限度问题§8-6 热力学第二定律 可逆不可逆过程,二、热力学第二定律的两种表述,1、克劳修斯表述:不可能把热量从低温物,体传到高温物体而不引起其它变化。

2、开尔文表述:不可能从单一热源吸收热,量，使之完全变成有用功而不产生其他影响第二类永动机---只从单一热源吸热，把吸,收的全部热量转化成功，这样热机的效率就达,到了100%或制造出这样一种制冷机，工作物,质经过一个循环不需要外界作功，能把热量从,低温物体传给高温物体开尔文表述说明第二类永动机不可能制造成功,永动机的设想图,3、两种表述的等价性,可以证明，热力学第二定律的两种表述是,等价的用反证法证明,假设克劳修斯表述不成立，如图:,高温热源T1,低温热源T2,,,,,,,,,由A和B构成的热,机，经过一个循环把,吸收的热量全部转化,成功，开尔文表述不,成立假设开尔文表述不成立，如图:,高温热源T1,低温热源T2,,,,,,,,由A和B构成的热机，经过一个循环把热量,由低温热源自动的传给高温热源，所以克劳修,斯表述不成立所以由以上证明可知，热力学第二定律的,两种表述是等价的三、可逆过程与不可逆过程,为了描述过程的方向性，引入可逆过程与不可逆过程热传递： 正过程—热量从高温物体→低温物体，成立 逆过程—热量从低温物体→高温物体，不成立,热功转换： 正过程——功→热量，成立 逆过程——热量→功，不成立,热力学的过程是有方向的。

1．引入,广义定义：假设所考虑的系统由一个状态出发 经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个 过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时原过程对外界引起的一切影响均消除）则原来的过程称为可逆过程；反之，如果用任何曲折复杂的方法都不能使系统和外界完全复原，则称为不可逆过程2．定义,狭义定义：一个给定的过程，若其每一步都能 借外界条件的无穷小变化而反向进行，则称此过程 为可逆过程卡诺循环是可逆循环在系统状态变化过程中，如果逆过程能重复 正过程的每一状态，而且不引起其它变化，这样 的过程叫作可逆过程；反之，在不引起其它变化 的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态， 或者虽然重复但必然会引起其它变化，这样的过程 都叫作不可逆过程 不可逆过程的例子：气体的扩散； 生物的生长； 热量的传递等,3．可逆过程必须满足的条件:,1、过程要无限缓慢，即属于准静态过程；,2、没有摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，,能量耗散效应可忽略可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小， 即等温热传导 在热现象中，这只有在准静态和无摩擦的条件下 才有可能无摩擦准静态过程是可逆的1）不可逆过程在自然界中是普遍存在的，而可逆 过程是理想的，是实际过程的近似； 2）一切与热现象有关的实际的宏观过程都是 不可逆的。

4．说明,可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不 能真正达到因为，实际过程都是以有限的速度进 行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散素， 必然是不可逆的经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都 是按一定方向进行的，都是不可逆的理想气体的自由膨胀是不可逆的 在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器最后达到平衡态其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生back,down,up,热传导过程是不可逆的 热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡从未发现其反过程，使两物体温差增大例6． 关于热功转换和热量传递过程，有下面一些叙述： （１）功可以完全变为热量，而热量不能完全变为功； （２）一切热机的效率都只能够小于１； （３）热量不能从低温物体向高温物体传递； （４）热量从高温物体向低温物体传递是不可逆的． 以上这些叙述 （Ａ）只有（２）、（４）正确． （Ｂ）只有（２）、（３）、（４）正确． （Ｃ）只有（１）、（３）、（４）正确． （Ｄ）全部正确． （Ａ）,例7． “理想气体和单一热源接触作等温膨胀时，吸收的 热量全部用来对外作功．”对此说法，有如下几种 评论，哪种是正确的？ （Ａ）不违反热力学第一定律， 但违反热力学第二定律． （Ｂ）不违反热力学第二定律， 但违反热力学第一定律． （Ｃ）不违反热力学第一定律， 也不违反热力学第二定律． （Ｄ）违反热力学第一定律， 也违反热力学第二定律． （Ｃ）,例8． 根据热力学第二定律判断下列哪种说法是正确的? （Ａ）热量能从高温物体传到低温物体，但 不能从低温物体传到高温物体． （Ｂ）功可以全部变为热，但热不能全部变为功． （Ｃ）气体能够自由膨胀，但不能自动收缩． （Ｄ）有规则运动的能量能够变为无规则运动的 能量，但无规则运动的能量不能变为有规则运动的 能量． （Ｃ）,例9． 根据热力学第二定律可知： （Ａ）功可以全部转换为热，但热不能全部 转换为功． （Ｂ）热可以从高温物体传到低温物体， 但不能从低温物体传到高温物体 （Ｃ）不可逆过程就是不能向相反方向进行 的过程． （Ｄ）一切自发过程都是不可逆的． （Ｄ）,例6． 热力学第二定律表明： （Ａ）不可能从单一热源吸收热量使之全部 变为有用的功． （Ｂ）在一个可逆过程中，工作物质净吸热 等于对外作的功． （Ｃ）摩擦生热的过程是不可逆的． （Ｄ）热量不可能从温度低的物体传到温度 高的物体． （Ｃ）,一、克劳修斯不等式,克劳修斯在1854年指出:对于一个热力学系,统所经历的任意循环过程均满足关系式,式中:dQ为系统从温度为T 的热源中吸收的,热量，dQ/T 称为热温比；等号适用于可逆循环,的过程，不等号适用于不可逆循环过程。

克劳修斯不等式,8.7 热力学熵 熵增加原理,克劳修斯不等式的证明,系统,,T1,T2,Tn,,,,,T0,,,,,,,,,,,,,卡诺循环,T0,,,,如果过程是可逆的，则可令其过程反方向,进行，式中所有的,均变为,，则:,所以对可逆循环过程有:,当相邻的热源温差很小时，极限情况下不,等式为:,----克劳修斯不等式,二、热力学熵,对于可逆循环有:,如图,在可逆过程中，系统从状态A改变到状态B，,其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无,关，据此可知热温比的积分是一态函数的增量，,定义此态函数为熵(S)根据熵的定义可知，可逆过程的熵变为:,不可逆过程的熵变,A1B--不可逆过程,B2A--可逆过程,所以，对不可逆过程有:,熵变的计算,可逆过程的熵变:,不可逆过程的熵变: 在始末状态之间假设,一个可逆过程求出熵变，与不可逆过程的熵变,相同；,系统分为几部分，则各部分的熵变之和为,系统的熵变气体自由膨胀过程的熵变,,,,,绝热壁,气体,真空,,在此过程中，系统吸热:,作功:,根据热力学第一定律，有:,始末状态,初态:,末态:,假设系统经过一个等温过程，有1态变化到,2态，则熵变为:,热传导中的熵变,热量从高温热源T1，自动传给低温热源T2，,该过程中的熵变。

在热传导过程中，两物体的,温度都在变化，高温热源温度降低，低温热源,温度升高，最后温度相同，达到平衡若在短时间内有热量dQ从高温热源传给低,温热源，则熵变为:,对高温热源:,对低温热源:,系统熵变:,三、熵增加原理,在孤立系统中，可逆过程熵不变；不可逆,过程熵增加----熵增加原理即孤立系统中:,,可逆过程,不可逆过程,熵增加原理被认为是热力学第二定律的数,学表述,四、卡诺定理,1、在相同的高温热源和低温热源之间工,作的一切可逆热机都具有相同的效率；,2、工作在相同的高温热源和体温热源之,间的一切不可逆热机的工作效率都不可能大于,可逆热机的工作效率，即:,式中，---可逆热机工作效率，  ---不可,逆热机工作效率,卡诺定理的证明,如图，把高温热源、低温热源和工作物质,视为一个复合系统，经过一个循环过程后，工,作物质的状态复原，其熵不变，所以系统熵变,为:,热机效率为:,----卡诺定理成立,一、热力学第二定律的实质,1. 开尔文表述的实质指出了功变热过程的不可逆性2. 克劳修斯表述的实质指出了热传递过程的不可逆性应用热力学第二定律还可以证明其它与热现象有关的宏观过程的不可逆性所以,热力学第二定律的实质是: “自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的”,（单纯的,无机械能耗散的机械运动过程是可逆过程。

可逆过程和准静态过程是两个不同的概念准静态过程不一定可逆,但可逆过程一定是准静态过程不可逆过程不一定是非静态过程,但非静态过程一定是不可逆过程back,down,up,§8-8 热力学第二定律的统计意义,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,初始状态,摇动后,二、第二定律的统计意义,热力学第二定律指出了热量传递方向和,微观角度出发，从统计意义上来进行解释热功转化方向的不可逆性，这一结论可以从,back,down,up,气体自由膨胀的 不可逆性可以用几率 来说明N0个分子全部自动,a、b、c 三个分子在A、B两室。