第10章-热力学基础3.ppt

三、循环过程和热机效率,致冷系数：,热机效率：,preview,二、热力学第一定律对理想气体等值过程、绝热过程的应用,一、热力学第一定律,卡诺热机的效率：,为提高效率指明方向,卡诺致冷机的致冷系数：,热力学第一定律说明:任何热力学过程能量必定守恒。,然而满足能量守恒的过程是否都能发生呢？,自然界发生的实际热力学过程都是具有方向性的！,热力学第二定律反映了自然界实际热力学过程的方向性,否！,1.可逆过程,在某过程中系统由态a态b如能使系统由b态回到a态，且外界一切也各自恢复原状，那么该过程称为可逆过程,注意：无耗散效应的准静态过程都是可逆的,TheSecondLawofThermodynamics,第5节热力学第二定律,一、可逆过程与不可逆过程,可逆过程是一种理想情况，实际上散热、摩擦等耗散因素总是存在的，并且实际过程也不可能“无限缓慢地进行”。,2.不可逆过程,若在某过程中系统由a态变化到b态：如果系统恢复不了原态，ab就是不可逆的；若系统恢复了原态却引起了外界的变化，ab也是不可逆的。,比如：,（2）热量自动从高温物体传到低温物体的过程,（3）气体的自由膨胀过程,（1）功变热的过程,二、自然过程的方向,1、功热转换,例：摩擦生热,事实表明功可以自动地全部转换为热,热功？,又如：理想气体的等温膨胀Q=A,但也产生了“其他变化”,体积增加,即：唯一效果是一定量热全变成功的过程不可能发生,结论：自然界里功热转换过程具有方向性（是不可逆的）,如：热机,自动地,唯一效果,Q2热转换为功以外的“其他变化”,2、热传导,结论：自然界里热传导过程具有方向性（是不可逆的）,3、气体的自由膨胀,显然气体的自由膨胀过程具有方向性,真空,水自动地从高处向低处流,红墨水扩散,蒲公英生长,结论：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,?,4、不可逆性的相互依存,各种实际宏观过程不可逆性的一条重要规律：相互依存,一种实际宏观过程的不可逆性保证了另一种实际宏观过程的不可逆性,一种实际宏观过程的不可逆性消失了，其它的实际宏观过程的不可逆性也就随之消失,例1：假设热传导的不可逆性消失,即热量可自动地从低温传向高温。,T2,T1,Q,设计一部卡诺热机：从T1吸热Q1，对外做功A，向低温T2放热Q2,Q2=Q1-A,而Q2将自动地传给T1,T2恢复原状,功变热的不可逆性消失,例2：设理想气体自由膨胀的不可逆性消失,A,即气体可自动收缩。,设气缸与恒温热源T热接触,气体从T吸热Q，作等温膨胀做功：A=Q,唯一效果,功变热的不可逆性消失,说明：,各种宏观自然过程的不可逆性都是互相联系在一起或者说是相互依存的。只需承认其中之一的不可逆性，便可以论证其它过程的不可逆性。,结论：,1、自然宏观过程是不可逆的，而且都是按确定的方向进行的。,2、说明自然宏观过程进行的方向的规律叫做热力学第二定律,3、任何一个实际过程进行的方向的说明都可以作为热力学第二定律的表述。,三、热力学第二定律,（2）开尔文表述,不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它任何变化。,第二类永动机是不可能制成的！,1.定律的两种表述,（1）克劳修斯表述,热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。,等价说法：,第二类永动机：效率为100%,无数实验证明：效率为100%的循环动作的热机是不可能制成的。(它并不违反热力学第一定律),Kelvin,Clausius,(两种表述是等价的),注意：1若不是“循环动作”的热机，只从单一热源吸热，使之完全变为有用的功而不放热，是可以实现的。,2热力学第二定律的深刻含意在于它实际上说明了热力学过程的方向性或单向性。,2.热力学第二定律的微观解释,从微观上看，任何热力学过程总包含大量分子的无序运动状态的变化。热力学第二定律给出了变化的规律。,（1）功热转换,功,热,机械能,内能,自动地进行,结论：功热转换的自动过程总是使大量分子的运动从有序状态向无序状态转化。,大量分子有序运动,大量分子无序运动,(2)热传导：,高温,低温,自动地,传递Q,两系统可区分,两系统不可区分,热传导使系统的无序性增大,高温,低温,自动地,传递Q,反之：,较为有序,更加有序,不可能,结论：热传导的自然过程总是沿着使大量分子的运动（在动能分布上）向更加无序的方向进行,(3)气体自由膨胀：,综上所述：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行,沿着分子运动（指分子的位置分布）向更加无序的方向进行的过程,总之，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的：总是由初态自动地向末态过渡，而相反的过渡却不能自动地进行,对于一个没有外来影响的热力学系统而言：,在其中所进行的不可逆过程的结果，不可能藉着系统内部的任何其他过程而自动复原。,这种自动过程的不可逆性说明系统的初态和末态之间存在实质上的差异！,这种差异性决定了过程进行的方向,可以预期：可能找到一个新的态函数，用这态函数在初、末两态的差异来对过程进行的方向作出数学分析。,态函数“熵”,一、卡诺定理,工作在两确定的热源之间的一切可逆卡诺热机的效率都相等：,一切不可逆卡诺热机的效率都小于可逆热机的效率：,对可逆卡诺循环：,或：,Entropy,第6节熵,任一可逆循环，用一系列微小可逆卡诺循环代替。,推广：,任意一个可逆循环，可以近似看成由无数（N）个可逆卡诺循环组成,如果使每个微小卡诺循环无限小，从而使卡诺循环的数目,则这锯齿形所表示的循环过程就将无限趋近于原来考虑的任意可逆循环过程,对其中第i个循环有:,对N个卡诺循环：,或,若N,即：,对不可逆循环,等号对应可逆过程,不等号对应不可逆过程,克劳修斯不等式,其中T为热源的温度,注,二、熵的定义,即,或,一定存在一个态函数,它的增量只与状态有关，而与变化的路径无关。,“熵”的定义式(对可逆过程),SA:初态的熵SB:末态的熵,对无限小的可逆过程,态函数“熵”,记为“S”,（1）熵是系统的状态参量的函数，是相对量。,系统每个状态的熵值：,（2）令参考态x0的熵S0=0，则任意平衡态的熵值S都是相对于S0=0的参考态而言的,（3）“S”的单位：J/K,（4）S与内能E一样是客观存在的物理量，但是S不能直接测量，只能计算。,说明:,对不可逆过程,此积分是多少？,可构造一循环,不可逆过程,可逆过程,根据卡诺定理,对不可逆循环过程有:,即,=S2S1,三、熵增加原理,在绝热（或孤立）系统中：,可逆过程,不可逆过程,熵增加原理：在孤立（或绝热）系统中,可逆过程系统的熵变为零,不可逆过程系统的熵值向着熵增加的方向进行。,即：孤立系统的熵永不减少S0,热力学第二定律的数学表述,四、熵的计算,基本公式：,注意：在计算熵变时，积分路径必须是连接初末两态的可逆过程。,由于熵是与过程无关的态函数，所以若实际过程是不可逆过程，一般可利用有相同初末态的可逆过程来计算熵变。,1、对可逆过程：,例1.使理想气体经可逆定压加热过程，从(T1，p)变化到(T2，p)，求S.,解：,例2.将mol的理想气体从(T1,V1)到(T2,V2)经过(1)可逆定容加热到(T2,V1),然后经可逆等温到(T2,V2);(2)可逆等温膨胀到(T1,V2),然后经可逆定容到(T2,V2)。求熵增量S.,1,2,p,V,解:(1),等容,等温,等容,等温,解:(2),例3.对任意可逆的绝热过程S=？,熵不变,即：可逆的绝热过程等熵过程,2、对任意不可逆过程,例4.计算mol理想气体绝热自由膨胀的熵变,(设V2V）,可设计一个可逆等温膨胀过程连接初末态,理想气体绝热自由膨胀过程的熵增加,此等温过程的熵变:,解：,对该过程有,例5.将1kg20oC的水放到100oC的炉上加热后达100oC,水的比热C=4.18103J/kgk.求水和炉子的熵变。,解：,加热中炉温可视为不变,设炉子经历一个可逆等温放热过程：,0,系统总熵变：,炉,例6.500的钢片放入绝热油槽中冷却。油的初温为20,钢片的质量为m1=1.30210-1kg,比热容为c=4.61102J/(kgK),油的热容量为C