热学资料PPT学习教案

1、会计学1热学资料热学资料热力学采用能量的方法研究物质热运热力学采用能量的方法研究物质热运动的宏观规律动的宏观规律. 第第29章章 热力学基础热力学基础热与功热与功热力学第一定律与理想气体的变化过程热力学第一定律与理想气体的变化过程循环过程循环过程热力学第二定律热力学第二定律熵与熵增加原理熵与熵增加原理第1页/共70页 本节给出系统状态变化的一般概念本节给出系统状态变化的一般概念、功及热功及热量的表达式量的表达式, 并对热量的本质予以解释并对热量的本质予以解释.系统状态变化的一般概系统状态变化的一般概念念功与热量功与热量内能内能6.1 热与功热与功第2页/共70页1. 系统状态变化的一般概系统状

2、态变化的一般概念念(1) 热力学系统热力学系统热力学系统热力学系统: 热力学中所研究的宏观体系热力学中所研究的宏观体系.在热力学中往往不考虑系统整体的机械运动在热力学中往往不考虑系统整体的机械运动.(2) 系统状态的变化系统状态的变化 系统状态变化系统状态变化: 理想气体从平衡态理想气体从平衡态I(P1,V1,T1)变变化到平衡态化到平衡态II (P2,V2,T2).等温过程等温过程: 温度温度T保持保持不变的过程不变的过程.PVoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图1 122PVPV玻 意 尔 定玻 意 尔 定律律 第3页/共70页等压过程等压过程: 压强压强P保持不变的过

3、程保持不变的过程.1212VVTTVPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P-V图盖盖吕萨克定律吕萨克定律等容过程等容过程: 体积体积V保持不变的过程保持不变的过程.1212PPTTVPoII(P2,V2,T2)P-V图I(P1,V1,T1)查 理 定查 理 定律律第4页/共70页(3) 准静态过程准静态过程: 在过程进行中的任意时刻在过程进行中的任意时刻, 系系统都无限地接近平衡状态统都无限地接近平衡状态. 平衡过程是实际过程的抽象平衡过程是实际过程的抽象. 只要热力学过程无限缓慢地进行只要热力学过程无限缓慢地进行, 都可视作都可视作准静态过程准静态过程. 热力学过程持续时间远大

4、于热力学过程持续时间远大于弛豫时间弛豫时间(一平一平衡态过渡到另一平衡态所需时间衡态过渡到另一平衡态所需时间), 可视为准可视为准静态过程静态过程.热力学研究的对象是以准静态过程为基础的热力学研究的对象是以准静态过程为基础的.第5页/共70页2. . 功与热量功与热量热力学系统的变化过程总是通过外界对热力学系统的变化过程总是通过外界对系统做功或向系统传递热量两种途径来实现系统做功或向系统传递热量两种途径来实现, 或二者兼有之或二者兼有之.(1) 系统变化过程中所做的功系统变化过程中所做的功气体膨胀推动活塞位移气体膨胀推动活塞位移 dl 所所做的功做的功dAF dlPS dlP dVPSdl第6

5、页/共70页从状态从状态I变化到状态变化到状态II, 系统所做的功为系统所做的功为21IIIVVAdAP dV 功功A为为P- -V曲线下的面积曲线下的面积, 它不仅与始末状它不仅与始末状态有关态有关, 而且还与而且还与过程过程有关有关. 气体膨胀气体膨胀dV 0, dA0, 系统对外做正功系统对外做正功; 气体压缩气体压缩dV 0, dA0, 系统对外做负功系统对外做负功.VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)V1V2dV第7页/共70页( 2 ) 热热量量传热传热同样可使系统状态发生变化同样可使系统状态发生变化. 传热传热与与做功做功是等效的是等效的, 它们是系统与外界能量交

6、换的两种它们是系统与外界能量交换的两种基本方式基本方式.做功是通过机械运动传递能量的做功是通过机械运动传递能量的.传热是通过分子热运动传递能量的传热是通过分子热运动传递能量的.热量热量Q: 所传递的热量所传递的热量 .21TTQMC dTC-比热容比热容, 单位质量物质温度每升高或降低单位质量物质温度每升高或降低1K时吸收或放出的热量时吸收或放出的热量.第8页/共70页3 . . 内内能能内能内能 E: 系统在一定状态下所具有的能量系统在一定状态下所具有的能量.内能的改变只取决于始末两个状态内能的改变只取决于始末两个状态, 而与过程而与过程无关无关. 由此可见由此可见, 内能是系统状态的单值函

7、数内能是系统状态的单值函数.实验表明实验表明: 系统状态发生变化时系统状态发生变化时, 只要始末状只要始末状态确定态确定, 不论过程如何不论过程如何, 外界对系统做的功与外界对系统做的功与向系统传递热量的总和不变向系统传递热量的总和不变.第9页/共70页系统状态变化过程中系统状态变化过程中, 功功、热量和内能间热量和内能间满足能量转换和守恒定律满足能量转换和守恒定律热力学第一定律热力学第一定律.热力学第一定律热力学第一定律等值过程等值过程绝热过程绝热过程6.2 热力学第一定律热力学第一定律 与理想气体的变化过程与理想气体的变化过程第10页/共70页1. 热力学第一定律热力学第一定律系统状态变化

8、过程中系统状态变化过程中, 做功与传热并存做功与传热并存, 且这且这些物理量满足些物理量满足21QEEA系统吸收的热量系统吸收的热量系统初态内能系统初态内能系统末态内能系统末态内能系统对外系统对外做的功做的功热力学第一定律热力学第一定律: 系统吸收的热量系统吸收的热量, 一部分使一部分使系统内能增加系统内能增加, 另一部分用于对外作功另一部分用于对外作功.第11页/共70页讨 论讨 论:(1) 热力学第一定律是包含了热现象在内的能热力学第一定律是包含了热现象在内的能量转换与守恒定律量转换与守恒定律.(2) 热力学第一定律的微分形式热力学第一定律的微分形式dQdEdA(3) 第一类永动机是不可能

9、实现的第一类永动机是不可能实现的.第一类永动机第一类永动机: 使系统状态不断变化使系统状态不断变化, 最后回最后回到初始状态到初始状态( E=0), 其间无须外界提供热量其间无须外界提供热量(Q=0), 却能不断地对外作功却能不断地对外作功(A 0).第12页/共70页(4) 热功转换并非直接转换热功转换并非直接转换, 是通过系统完成的是通过系统完成的.系统系统系统传递热量内能增加内能减少做功 系统系统系统做功内能增加内能减少传递热量 ( 5 ) 由由21VVAP dV21 VVQEP dV热力学第一定律可表示为热力学第一定律可表示为一般地一般地, 系统吸收或放出的热量与过程有系统吸收或放出的

10、热量与过程有关关, 热量与功都不是系统状态的函数热量与功都不是系统状态的函数.第13页/共70页2. . 理想气体的等值过程理想气体的等值过程(1) 等容过等容过程程等容过程等容过程: 体积体积 V 保持不变的过程保持不变的过程.VPoII(P2,V2,T2)P- -V图图I(P1,V1,T1)等容线等容线热源热源QVAV=0V=0第14页/共70页气体吸收的热量气体吸收的热量: QV气体所做的功气体所做的功:21V0VVAP dV热力学第一定律为热力学第一定律为:V21 QEEE等容过程中等容过程中, 气体吸收的热量全部用于内能的气体吸收的热量全部用于内能的增加增加.于是于是有有2M iER

11、TV2122 （）M iM iQER TR TT理想气体内能理想气体内能第15页/共70页令令V212（）M iQR TTV2iCR称为气体的称为气体的定容摩尔热容量定容摩尔热容量VV21（）MQCTT则有则有定容摩尔热容量定容摩尔热容量CV: 在等容过程中在等容过程中, 温度每升温度每升高或降低高或降低1K, 1 mol气体所吸收或放出的热量气体所吸收或放出的热量, 单位为单位为J/mol K. 它是由气体性质决定的常数它是由气体性质决定的常数(与气体分子的自由度有关与气体分子的自由度有关).第16页/共70页讨论讨论: 微分形式微分形式VVdQMCdT CV只与分子自由度数有关只与分子自由

12、度数有关, 是反映气体热是反映气体热力学特性的常数力学特性的常数.VVV312.5 J/mol K520.8 J/mol K 624.9 J/mol K单原子分子双原子分子多原子分子iCiCiC：，：，：，第17页/共70页 内能内能2M iERTVMEC TVMdEC dT内能增量与具体过程无关内能增量与具体过程无关. 因此因此, 任何过程的任何过程的内能增量均可由此式计算内能增量均可由此式计算.第18页/共70页(2) 等压过程等压过程等压过程等压过程: 压强压强 P 保持不变的过程保持不变的过程.气体吸收热量气体吸收热量: QP气体做功气体做功: 21P21dVVAPVP VVPS热源热

13、源QPP=0AP等压线等压线VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P- -V图图V1V2第19页/共70页热力学第一定律热力学第一定律P2121QEEP VV等压过程中等压过程中, 气体吸收热量的一部分用来增加气体吸收热量的一部分用来增加气体内能气体内能, 另一部分用来对外做功另一部分用来对外做功.2M iERT内能内能MPVRT气体状态方程气体状态方程P2121212(1)2（）（）（）M iMQR TTR TTMiR TT因此因此第20页/共70页微 分 形微 分 形式式PPdQMCdT令令P(1)2iCR气体的气体的定压摩尔热容量定压摩尔热容量PP21（）MQCTT则有则有

14、PPdQCMdT定压摩尔热容量定压摩尔热容量CP: 等压过程中温度每升高或等压过程中温度每升高或降低降低1 K, 1 mol气体吸收或放出的热量气体吸收或放出的热量, 同样同样是由气体性质决定的常数是由气体性质决定的常数(与气体分子的自由与气体分子的自由度数有关度数有关).第21页/共70页讨论讨论: CP 只与分子自由度数有关只与分子自由度数有关, 是反映气体性是反映气体性质的热力学常数质的热力学常数. 由由P(1)2iCRV2iCR可可得得PVCCR理想气体的理想气体的CP比比CV大一常数大一常数 R=8.31 J/molK.迈耶公式迈耶公式等压过程中温度每升高等压过程中温度每升高1 K,

15、 1 mol理想气体要理想气体要多吸收多吸收8.31 J的热量的热量. 与等容过程相比与等容过程相比, 多吸收多吸收的热量用于膨胀时对外做功的热量用于膨胀时对外做功.第22页/共70页气体普适常数气体普适常数R: 1 mol理想气体在等压过程中理想气体在等压过程中温度每升高温度每升高1 K对外所做的功对外所做的功. 比热容之比热容之比比V2iCRP(1)2iCR令令PV2CiCi称为称为比热容之比比热容之比31.67 51.40 61.33单原子分子双原子分子多原子分子iii：，：，：，由由第23页/共70页(3) 等温过程等温过程: 温度温度 T 保持不变的过程保持不变的过程.等温线等温线V

16、1V2VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P- -V图图ATP1P2恒温热源恒温热源QTATT=0气体吸收的热量气体吸收的热量 QT 气体所做的功气体所做的功2211T2112lnlnVVVVMdVAPdVRVPMMRTRTVVPTMPVRT理想气体状态方程理想气体状态方程第24页/共70页内能变化内能变化210EEE热力学第一定律热力学第一定律2112lnlnTVPMMQRTRTVP等温过程中等温过程中, 气体吸收的热量全部用来对外气体吸收的热量全部用来对外做功做功. 既然温度恒定既然温度恒定, 气体的内能保持不变气体的内能保持不变.TTT QEAA第25页/共70页2. 理

17、想气体的绝热过程理想气体的绝热过程: 气体和外界没有热量气体和外界没有热量交换的过程交换的过程.绝热线V1V2VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)P- -V图图AaP1P2Aa绝热套Q=0气体吸收的热量气体吸收的热量 Qa=0气体所做的功气体所做的功 Aa内能变化内能变化21V21（）MEEECTT第26页/共70页热力学第一定律表示为热力学第一定律表示为绝热过程中绝热过程中, 气体对外做功等于其内能的减少气体对外做功等于其内能的减少.122112 （）（）aVVMMAEECTTCTT(1) 绝热过程方绝热过程方程程绝热过程中绝热过程中, P、V、T 三个状态参量均发生变三个状

18、态参量均发生变化化, 其间的关系如何？其间的关系如何？V1 MP dVCdT（）MPVRT理想气体状态方程理想气体状态方程2MP dVV dPR dT （ ）取微分有取微分有热力学第一定律热力学第一定律第27页/共70页在在(1)式与式与(2)式中消去式中消去dTV() CP dVV dPR P dVPV0CdPdVPCVPVRCCVVP()()CP dVV dPCCP dV0dPdVPVlnln常量PVln()常量PV1()常量PVC于是有于是有第28页/共70页绝热过程方程反映了气体系统三个状态参绝热过程方程反映了气体系统三个状态参量间的联系量间的联系.1()常量PVC同理可得同理可得上述

19、三个方程统称为上述三个方程统称为绝热过程方程绝热过程方程.注意注意: 三个方程中的三个常数是不同的三个方程中的三个常数是不同的.1213()()常量常量TVCPTC第29页/共70页(2) 绝热线与等温线绝热线与等温线等温线等温线VPo绝热线绝热线P- -V图图D在在P-V 图中图中, 绝热线比等温线要陡绝热线比等温线要陡, 即即绝热线的斜率比等温线的斜率大绝热线的斜率比等温线的斜率大, 为什么？为什么？第30页/共70页设右图中绝热线与等设右图中绝热线与等温线交于温线交于D点点:对 绝 热 过 程对 绝 热 过 程 , 有有 DDPdPdVV对 等 温 过 程对 等 温 过 程 , 有有 D

20、DPdPdVV1PVCC由由于于 DDDDPPVV所所以以等温线等温线VPo绝热线绝热线P- -V图图D第31页/共70页气体体积增量气体体积增量 V相同时相同时, 绝热过程的绝热过程的压力降低压力降低 大于等温过程的压力降低大于等温过程的压力降低 , 其原因在于其原因在于: 等温过程中等温过程中, 温度不变表明只温度不变表明只有体积变化一个因素引起压强的变化有体积变化一个因素引起压强的变化; 而在而在绝热过程中绝热过程中, 体积与温度同时在变体积与温度同时在变.apTpVPo等温线等温线绝热线绝热线DV1V2P1P2P3PnkTVPTPa第32页/共70页6.3 循环过程循环过程 本节讨论典

21、型的卡诺循环本节讨论典型的卡诺循环, 并由此说并由此说明热机的基本原理和效率明热机的基本原理和效率.循环过程循环过程卡诺正循环卡诺正循环-热机热机卡诺逆循环卡诺逆循环-致冷机致冷机第33页/共70页1. 循环过程循环过程循环过程循环过程: 热力学系统状态发生一系列变化后热力学系统状态发生一系列变化后, 又回到原来的初始状态又回到原来的初始状态循环循环.循环的重要特征循环的重要特征:0E 在在P- -V 图上是一闭合曲线图上是一闭合曲线. 始末状态的内能变化为零始末状态的内能变化为零.循环的目的循环的目的: 利用工作物质的循环过程利用工作物质的循环过程连续不连续不断地断地把热量转换为有用的功把热

22、量转换为有用的功.VPoABCDAV1V2第34页/共70页热机热机:持续实现热功转换的装置持续实现热功转换的装置.如何实现热功转换？如何实现热功转换？等温膨胀等温膨胀是理想的热功转换过程是理想的热功转换过程. .然而然而, 单一的等温膨胀过程无法实现持续不断单一的等温膨胀过程无法实现持续不断的热功转换的热功转换.等温线等温线V1V2VPoI(P1,V1,T1)II(P2,V2,T2)ATP1P2 TTTQEAA恒温热源恒温热源QTATT=0第35页/共70页要维持热功转换必须依靠要维持热功转换必须依靠循环过程循环过程. 由初态由初态A开始开始, 工作气体经工作气体经B状态状态膨胀对外做膨胀对

23、外做功功A1, 在在P-V 图上等于图上等于A-B-C曲线下的面积曲线下的面积. 由由C状态开始状态开始, 外界压缩外界压缩工作气体工作气体, 经历经历D状态状态回到回到初态初态, 其间外界做功其间外界做功A2, 在在P-V图中为图中为C-D-A曲线下的面曲线下的面积积A1. 经历一次循环经历一次循环, 工作气体对外所做的净功为工作气体对外所做的净功为120AAA(即闭合曲线所包围的面积即闭合曲线所包围的面积)VPoABCDAV1V2第36页/共70页正循环正循环: 在在P-V图上循环沿图上循环沿顺时针方向顺时针方向, 表现为表现为工作气体对外工作气体对外做正功做正功.逆循环逆循环: 在在P-

24、V图上循环沿图上循环沿逆时针方向逆时针方向, 表现为表现为工作气体对外工作气体对外做负功做负功.VPoABCDAV1V2正循环正循环VPoABCD-AV1V2逆循环逆循环第37页/共70页循环效率循环效率(热机效率热机效率):1吸放放吸吸吸 QQQAQQQ第38页/共70页2 . . 卡 诺卡 诺 循循环环 1842年年, 法国青年工程师法国青年工程师卡诺卡诺率先提出了率先提出了热力学第二定律热力学第二定律.卡诺循环卡诺循环由两个绝热过程和两个等温过程组成由两个绝热过程和两个等温过程组成.高温热源高温热源T1低温热源T2Q1Q2A=Q1-Q2工作物质工作物质VPoP- -V图图等温线等温线T1

25、绝热线绝热线a等温线等温线T2bcdV1V2V3V4绝热线绝热线第39页/共70页卡诺循环卡诺循环:Q1Q2A锅炉锅炉汽缸汽缸冷却器冷却器水泵水泵VPoP-V 图图等温线等温线T1绝热线绝热线a等温线等温线T2bcdV1V2V3V4绝热线绝热线第40页/共70页 等温膨胀等温膨胀: ab11baQEEA2111lnVMQRTV 绝热膨胀绝热膨胀: bccb20= E -E +A111 223TVTV 等 温 压 缩等 温 压 缩 : cd23dc-Q = E -E - A3224lnVMQRTV 绝热压缩绝热压缩: da40 adEEA111 124TVTVVPoP-V图等温线等温线T1绝热线

26、绝热线a等温线等温线T2bcdV1V2V3V4绝热线绝热线第41页/共70页工作气体经历上述卡诺循环工作气体经历上述卡诺循环(两等温过程两等温过程及两绝热过程及两绝热过程)有有:12ba1dc3dabc1342131234() ()QQEEAEEAEEEEAAAAAAAAAAA第42页/共70页即即循环效率循环效率(热机效率热机效率)1221111AQ -QQ= -QQQ表示在一次卡诺正循环中表示在一次卡诺正循环中, 热量转化为净功热量转化为净功 (有用功有用功)的百分比的百分比反映了热功转化的能力反映了热功转化的能力.12Q = Q + A向低温热源放出的热量向低温热源放出的热量由高温热源吸

27、收的热量由高温热源吸收的热量对外所做的功对外所做的功第43页/共70页卡诺循环效率卡诺循环效率 和状态参量的关系和状态参量的关系111 223TVTV111 124TVTV两式相除有两式相除有113214()()VVVV两绝热过程方程两绝热过程方程:3224lnVMQRTV3214VVVV代入代入2221lnVMQRTV2111lnVMQRTV除除以以有有2211QTQT有有即即第44页/共70页2211QTQT211 QQ将等将等式式代入代入211T= -T可得可得结论结论: 卡诺循环由两等温过程和两绝热过程组成卡诺循环由两等温过程和两绝热过程组成, 表明卡诺循环必涉及表明卡诺循环必涉及高温

28、和低温两个热源高温和低温两个热源.注注: 一般情况下热机效率为一般情况下热机效率为 , 但只但只有卡诺循环才有有卡诺循环才有 .1吸放 QQ2111吸放 QQ-T T第45页/共70页 卡诺循环的效率总是小于卡诺循环的效率总是小于1, max 1? 对该问题的研究促成了热力学第对该问题的研究促成了热力学第二定律的诞生二定律的诞生. 卡诺循环的效率只与两热源温度有关卡诺循环的效率只与两热源温度有关, 与工与工作物质无关作物质无关. 温差越大温差越大, 循环效率越高循环效率越高. 卡诺循环从高温热源吸收热量卡诺循环从高温热源吸收热量, 其中一部分其中一部分用来对外做功用来对外做功, 另一部分则向低

29、温热源放出另一部分则向低温热源放出, 于是实现了于是实现了热功转换热功转换.第46页/共70页3. .卡诺逆卡诺逆循环循环Q1=A+Q2高温热源高温热源T1低温热源T2Q2VPo等温线等温线T1绝热线绝热线a等温线等温线T2绝热线绝热线bcd致冷机致冷机: 工作物质经历一次工作物质经历一次卡诺逆循环卡诺逆循环, 结果使低温热源温度更低结果使低温热源温度更低.第47页/共70页在一次卡诺逆循环中在一次卡诺逆循环中(致冷机致冷机):2221212QQT=AQ -QT -Tw表示在表示在卡诺逆循环卡诺逆循环中中, 消耗单位功使低温消耗单位功使低温热源减少的热量热源减少的热量反映了热机的致冷能力反映了

30、热机的致冷能力. 致冷系数致冷系数(致冷功效致冷功效):12QQA从低温热源吸收的热量从低温热源吸收的热量外界所外界所 做的功做的功向高温热源放出的热量向高温热源放出的热量第48页/共70页结论结论: 卡诺逆循环从低温热源吸收热量卡诺逆循环从低温热源吸收热量, 并接受外并接受外界做功界做功, 而向高温热源放出热量而向高温热源放出热量实现致冷的实现致冷的功能功能. 低温热源温度越低低温热源温度越低, 高低温热源温差越大高低温热源温差越大, 致冷系数越小致冷系数越小. 致冷机向高温热源放出热量致冷机向高温热源放出热量Q1, 可以作为可以作为提供热量的热源提供热量的热源热泵热泵.第49页/共70页6

31、.4 热力学第二定律热力学第二定律满足第一定律的过程能否实现？满足第一定律的过程能否实现？实验表明实验表明: 一切实际的热力学过程都只能按一一切实际的热力学过程都只能按一定的方向进行定的方向进行. 热力学第二定律是关于过程进行方向的规律热力学第二定律是关于过程进行方向的规律.可逆与不可逆过可逆与不可逆过程程热力学第二定律热力学第二定律卡诺定理卡诺定理第50页/共70页1. .可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程(1) 自然现象的不可逆自然现象的不可逆性性耗散过程耗散过程: 通过摩擦使功变热的过程是不逆的通过摩擦使功变热的过程是不逆的.热功转换热功转换: 热转换为功而不引起其它变化的过热转换为功而不

32、引起其它变化的过程是不可能发生的程是不可能发生的.可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程: 系统由初态出发系统由初态出发, 经历某经历某一过程达到另一状态一过程达到另一状态. 如果存在另一过程如果存在另一过程, 使使系统和外界完全复原系统和外界完全复原, 称称原过程原过程为为可逆过程可逆过程; 反之反之, 如果用任何方法都不能使系统和外界完如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原全复原, 则则原过程原过程称为称为不可逆过程不可逆过程.第51页/共70页自然界中的一切实际过程都是自然界中的一切实际过程都是不可逆的不可逆的.准静态过程准静态过程是理想的是理想的、无耗散的无耗散的可逆过程可逆过程.(2)

33、热传导热传导热传导热传导热传导过程是不可逆的热传导过程是不可逆的T1 T2Q TT第52页/共70页(3) 气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀气体的气体的绝热绝热、自由膨胀过程自由膨胀过程是不可逆过程是不可逆过程.一切与热现象有关的宏观过程都是按一定一切与热现象有关的宏观过程都是按一定方向进行的方向进行的, 均为均为不可逆过程不可逆过程.真空绝绝热热套套绝绝热热套套第53页/共70页2. . 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述 100 %的热机属的热机属第一类永动机第一类永动机, 它违反热它违反热力学第一定律力学第一定律, 因而是不可能制成的因而是不可能制成的.第二类永动机第二类永动机

34、: 只从高温热源吸热只从高温热源吸热, 且将全部且将全部热量用于对外做功热量用于对外做功.热力学第二定律的热力学第二定律的开尔文表述开尔文表述: 不可能制成一不可能制成一循环动作的热机循环动作的热机, 只从单一热源吸热只从单一热源吸热, 使之完使之完全变为有用的功而不产生其它影响全变为有用的功而不产生其它影响.因此因此, 第二类第二类永动机永动机违反违反热力学第二定律热力学第二定律, 同同样是不可能制成的样是不可能制成的. 第54页/共70页卡诺逆循环卡诺逆循环表明热量从低温物体传到高温物表明热量从低温物体传到高温物体必须依赖外界做功体必须依赖外界做功.基于热量传递的特点基于热量传递的特点,

35、克劳修斯克劳修斯的热力学第的热力学第二定律表述为二定律表述为: 热量不可能自发地从低温物热量不可能自发地从低温物体传到高温物体体传到高温物体, 而不引起其他变化而不引起其他变化.可以证明可以证明: 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和和克劳修斯克劳修斯表述表述是等价的是等价的.第55页/共70页3. .卡诺定理卡诺定理卡诺循环卡诺循环中每一分过程都是准静态过程中每一分过程都是准静态过程, 所以所以卡诺循环是理想的卡诺循环是理想的可逆循环可逆循环.由热力学第二定律可证明由热力学第二定律可证明: 卡诺定理卡诺定理: 在相同的高温热源在相同的高温热源(T1)与低温热与低温热源源(T

36、2)之间工作的之间工作的一切可逆机一切可逆机, 其效率相等且其效率相等且与工作物质无关与工作物质无关, 即即211T =-T第56页/共70页 卡诺逆定理卡诺逆定理: 在相同的高温热源在相同的高温热源(T1)与低温与低温热源热源(T2)之间工作的之间工作的一切不可逆机一切不可逆机, 其效率不其效率不高于可逆机高于可逆机.211T -T卡诺逆定理卡诺逆定理为提高热机效率指明了方向为提高热机效率指明了方向.第57页/共70页6.5 熵与熵增加原理熵与熵增加原理一切与热现象有关的实际一切与热现象有关的实际(宏观宏观)过程都过程都是不可逆的是不可逆的. 如何描述这种状态变化的方向如何描述这种状态变化的

37、方向？通过引入通过引入状态函数状态函数熵熵可描述系统状态可描述系统状态变化的方向变化的方向, 并给出热力学第二定律的微观并给出热力学第二定律的微观解释解释.熵的定义熵的定义熵增加原理熵增加原理热力学第二定律的统计意热力学第二定律的统计意义义第58页/共70页1. 熵的定义熵的定义热传导过程热传导过程: 热量总是从高温物体自发地传热量总是从高温物体自发地传向低温物体向低温物体, 而相反的过程是不可能发生的而相反的过程是不可能发生的.气体自由膨胀过程气体自由膨胀过程: 气体自发地向真空膨胀气体自发地向真空膨胀而充满整个容器而充满整个容器, 反之绝不可能反之绝不可能.不可逆过程的共同特征不可逆过程的

38、共同特征: 一系统处于初态时一系统处于初态时, 总要发生向末态的自发过渡总要发生向末态的自发过渡. 当系统处于末当系统处于末态时态时, 而不可能发生向初态的自发过渡而不可能发生向初态的自发过渡.由此说明由此说明: 两种状态的属性存在本质差异两种状态的属性存在本质差异.第59页/共70页如何用物理量来描述系统状态的这种属性呢如何用物理量来描述系统状态的这种属性呢?熵熵 熵熵是状态的单值函数是状态的单值函数; 熵熵值只超一个方向变化值只超一个方向变化; 熵熵不同于内能不同于内能. 自由膨胀自由膨胀过程具有鲜明的方向性过程具有鲜明的方向性, 但但内能不变内能不变.卡诺循环卡诺循环:121211Q +

39、QT -T=QT1212-Q Q = T TQ2: 气体从低温热源气体从低温热源T2吸收吸收的热量的热量.Q1: 气体从高温热源气体从高温热源T1吸收的热量吸收的热量;第60页/共70页由卡诺定理知由卡诺定理知, 对任一卡诺机对任一卡诺机, 上式都成立且上式都成立且与工作物质无关与工作物质无关:12120QQ+=TT结论结论: 物理量物理量 Q/T 的总和在卡诺循环中恒为的总和在卡诺循环中恒为0.对任意可逆循环过程有对任意可逆循环过程有:VPo0Q=T0dQ=T任意可逆循环可视为由任意可逆循环可视为由无限个卡诺循环组成无限个卡诺循环组成:dQ: 无限小等温过程中气体吸收的热量无限小等温过程中气

40、体吸收的热量.第61页/共70页结论结论: 上述积分上述积分与路径及过程无关与路径及过程无关, 即即与无关与无关, 说明物理量说明物理量 是系统状态的函数是系统状态的函数.dQ T定义定义: 作为状态单值函数的作为状态单值函数的熵熵(S)增量为增量为II21IdQSSTdQdST0dS所以所以, 可逆循环的熵增量为可逆循环的熵增量为0.因此因此, 对任意的可逆循环有对任意的可逆循环有对对孤立系统孤立系统的任意可逆过程的任意可逆过程, 熵增量为熵增量为= 0IIIdQST或或第62页/共70页2. . 熵增加原理熵增加原理不可逆过程如何？不可逆过程如何？(1) 气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀其中其中, 等温压缩过程的熵增量等温压缩过程的