热力学基础,物理竞赛课件

1、引言引言 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法一、热学的研究对象及其特点一、热学的研究对象及其特点 热物理学是研究有关物质的热运动以及与热热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称为经典物理四大柱石。光学一起共同被称为经典物理四大柱石。 宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热（例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热运动中。运动中。布朗粒子的无规则运动。布朗粒子的无规则运动。 正是大量微观粒子的无规热运动

2、，才决定了宏正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物质的热学性质。观物质的热学性质。 热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相联系的现象都可用热学来研究。联系的现象都可用热学来研究。二、宏观描述方法与微观描述方法二、宏观描述方法与微观描述方法1 1、宏观描述方法：热力学方法、宏观描述方法：热力学方法热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻推理及演绎，基本定律出发，应用数学方法，通过逻推理及演

3、绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。过程进行的方向和限度等结论。 热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。有同样的可靠性与普遍性。 对于任何宏观的物质系统。不管它是天文的、对于任何宏观的物质系统。不管它是天文的、化学的、生物的化学的、生物的系统，也不管它涉及的是力学系统，也不管它涉及的是力学现象、电学现象现象、电学现象只要与热运动有关，总应遵循只要与热运动有关，

4、总应遵循热力学规律。热力学规律。 2 2、微观描述过程：统计物理学、微观描述过程：统计物理学统计物理学统计物理学是热物理学的微观描述方法，它是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系。之间的关系。微观描述方法的局限性：微观描述方法的局限性：在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得的理论

5、结果与实验不简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符合能完全符合。11111 1 平衡态、理想气体物态方程平衡态、理想气体物态方程 一、气体的物态参量一、气体的物态参量 在热学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒在热学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的一个或多个物体或是一个物体的某一部分子组成的一个或多个物体或是一个物体的某一部分称为称为热力学系统。热力学系统。系统的周围环境称为系统的周围环境称为外界外界。用来。用来描述系统宏观状态的物理量称为描述系统宏观状态的物理量称为物态参量。物态参量。常用的物态参量有以下几类：常用的物态参量有以下几类：（1）几何参量（如：气体体积）

6、几何参量（如：气体体积V）（2）力学参量（如：气体压强）力学参量（如：气体压强P）（3）热学参量（如：温度热学参量（如：温度T，熵，熵S等）等）（4）化学参量（如：混合气体各化学组的质量和物）化学参量（如：混合气体各化学组的质量和物质的量等）质的量等）（5）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等）化强度等）气体的体积气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。通常容器的体积就是气体的体积。的空间。通常容器的体积就是气体的体积。压强压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等是大量分子与容器壁相碰撞而产生

7、的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。常用的压强于容器壁上单位面积所受到的正压力。常用的压强单位有：单位有：（1）SI制的帕斯卡制的帕斯卡 Pa ：1Pa=1Nm-2。（2）厘米水银柱）厘米水银柱cmHg（3）标准大气压）标准大气压atm：1atm76chHg1.013105Pa。 温度的概念较复杂，它的本质与物质分子的热运温度的概念较复杂，它的本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动的激动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动的激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度。温度的数值表示方法叫作温标，常用的冷热程度

8、。温度的数值表示方法叫作温标，常用的温标有：温标有：（1）热力学温标）热力学温标T，SI制，单位：制，单位：K(开尔文开尔文)（2）摄氏温标）摄氏温标t，单位：，单位：C(度度)，规定：纯水的冰点，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为和沸点温度分别为0C和和100C。（3）华氏温标）华氏温标F，单位，单位F，规定：纯水的冰点和沸，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为点温度分别为32F和和212F。三者间的关系为：三者间的关系为： 15.273 tT3259tF以某种气体为测温物质可以某种气体为测温物质可制成制成定容气体温度计定容气体温度计测温属性：气体体积不变测温属性：气体体积不变气体的压强气体的压强

9、P随温度变化随温度变化线性关系：线性关系：T(p)= a . P其其中中 a=273.16K/Ptr（三相三相点温度为点温度为273.16K，气体在，气体在三相点的压强为三相点的压强为Ptr ，）得：得：T(p) = 273.16k P/PtrtrPPPKTtr0lim16.273以不同气体为测温物质，以不同气体为测温物质，T(P)存在差异。但在存在差异。但在Ptr降低时，差异逐渐消失，在降低时，差异逐渐消失，在Ptr0的极限下，的极限下，它们趋于一个共同的极限温标，称为它们趋于一个共同的极限温标，称为理想气体理想气体温标。温标。二、平衡态与准静态过程二、平衡态与准静态过程 1平衡态平衡态 一

10、个与外界之间没有任何能量和物质传递的一个与外界之间没有任何能量和物质传递的孤立孤立系统系统，不论它刚开始时处于何种状态，经过一段时，不论它刚开始时处于何种状态，经过一段时间以后，系统内各部分的压强、温度、密度等必将间以后，系统内各部分的压强、温度、密度等必将相同。此时气体的三个物态参量相同。此时气体的三个物态参量P、V、T都具有确都具有确定的值，且不再随时间变化。即一个系统在不受外定的值，且不再随时间变化。即一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于化，我们就说这个系统处于热力学平衡态热力学平衡态。平衡态是一

11、个理想状态。系统处于平衡态时，平衡态是一个理想状态。系统处于平衡态时，物理性质处处均匀，且系统的宏观性质不再变化，物理性质处处均匀，且系统的宏观性质不再变化，但分子无规则运动并没有停止。所以平衡态是一种但分子无规则运动并没有停止。所以平衡态是一种动态平衡。动态平衡。 真真空空右图中隔板刚抽走的瞬间右图中隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态，但是经过系统处于非平衡态，但是经过并不很长的时间，容器中的气并不很长的时间，容器中的气体压强、温度、密度等物理性体压强、温度、密度等物理性质趋于均匀，且不随时间变化，质趋于均匀，且不随时间变化，它已处于平衡态。它已处于平衡态。平衡态是最简单、最基本的。但平衡态是

12、最简单、最基本的。但在自然界中，在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。非平衡非平衡现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，不易精现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，不易精确地予以描述或解析。在远离平衡态的非平衡系统确地予以描述或解析。在远离平衡态的非平衡系统中，常常会出现一些意想不到的有趣现象。对非平中，常常会出现一些意想不到的有趣现象。对非平衡系统的研究是目前最热门的课题之一。衡系统的研究是目前最热门的课题之一。2准静态过程准静态过程 若外界对系统有一定的

13、影响，系统的状态会从某若外界对系统有一定的影响，系统的状态会从某一初始的平衡态，经过一系列中间状态，变化到另一一初始的平衡态，经过一系列中间状态，变化到另一平衡态，我们把这种状态变化的过程叫作平衡态，我们把这种状态变化的过程叫作热力学过程热力学过程。若此热力学过程进行的足够缓慢，使得每一个中间状若此热力学过程进行的足够缓慢，使得每一个中间状态都可近似看成是平衡态，则称该过程为一个态都可近似看成是平衡态，则称该过程为一个准静态准静态过程。过程。可以用可以用PV图上的一条曲线来表示。图上的一条曲线来表示。 2V1P),(1!1TVPI1V2PPVO),(222TVPII三、理想气体状态方程三、理想

14、气体状态方程 1理想气体理想气体 一定质量的气体，在温度不太低和压强不太高时，一定质量的气体，在温度不太低和压强不太高时，满足以下满足以下三条实验定律：三条实验定律：（1）玻义耳马略特定律：玻义耳马略特定律：一定质量的气体在等一定质量的气体在等温过程中温过程中 PV常量常量 （2）盖吕萨克定律：盖吕萨克定律：一定质量的气体在等体过一定质量的气体在等体过程中程中 TP常量常量 （3）查理定律：查理定律：一定质量的气体在等压过程中一定质量的气体在等压过程中 TV常量常量阿伏加德罗定律：阿伏加德罗定律：在标准状态下，在标准状态下，1摩尔任何气体摩尔任何气体所占有的体积为所占有的体积为22.4升。升。

15、 在任何情况下都遵守上述三个实验定律和阿伏加在任何情况下都遵守上述三个实验定律和阿伏加德罗定律的气体称为德罗定律的气体称为理想气体。理想气体。一般气体在在温度不太低（与室温相比）和压一般气体在在温度不太低（与室温相比）和压强不太高（与大气压相比）时，都可近似看成理想强不太高（与大气压相比）时，都可近似看成理想气体。气体。 理想气体理想气体状状态方程态方程1T2T3T321TTTPVO从从3条实验定律得出：一定质量的理想气体在两条实验定律得出：一定质量的理想气体在两个平衡态时状态参量之间的关系个平衡态时状态参量之间的关系CTVPTVP222111RTRTMmPV1131. 8KmolJRm气体质

16、量，气体质量，M摩尔质量，摩尔质量， 后式仅涉及一个平衡态。后式仅涉及一个平衡态。当气体质量有变化时，当气体质量有变化时，前式不可用，后式仍可用。前式不可用，后式仍可用。例例1 一氧气瓶的体积是一氧气瓶的体积是32l, 其中氧气的压强是其中氧气的压强是130atm,规定瓶内氧气的压强降到规定瓶内氧气的压强降到10atm时就得充气时就得充气,以免混入以免混入其他气体而需洗瓶。有一玻璃室其他气体而需洗瓶。有一玻璃室,每天需用每天需用1atm的氧的氧气气400 l, 问一瓶氧气能用几天问一瓶氧气能用几天?解：未使用前瓶中氧气的摩尔数解：未使用前瓶中氧气的摩尔数: :RTVP11使用后瓶中氧气的摩尔数

17、使用后瓶中氧气的摩尔数: : ( (设使用中温度保持不变设使用中温度保持不变) )RTVP22每天用的氧气摩尔数每天用的氧气摩尔数: :RTVP333能用天数：能用天数：)(6 . 9)(3321321天VpVppD3 3、混合理想气体物态方程、混合理想气体物态方程RTRTpVn总 )(21若气体由若气体由 1摩尔摩尔A 种气体，种气体， 2 摩尔摩尔B 种气体种气体n种理想气体混合而成，则混合气体总的压强种理想气体混合而成，则混合气体总的压强p 与混与混合气体的体积合气体的体积V、温度、温度T 间应有如下关系：间应有如下关系：nnpppVRTVRTVRTp 2121可得出：可得出：式中的式中

18、的 p1是在容器中把其它气体都排走以后，是在容器中把其它气体都排走以后，仅留下第仅留下第1 种种 气体时的压强，称为第气体时的压强，称为第1 种气体的种气体的分分压强。压强。上式则称为上式则称为道尔顿分压定律。道尔顿分压定律。112 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用 一、内能、功和热量一、内能、功和热量 1内能内能 热力学热力学系统的内能系统的内能由系统内所有由系统内所有分子的热运动分子的热运动动能动能和分子间和分子间相互作用势能相互作用势能两部分组成。通常可认两部分组成。通常可认为热力学系统的内能与温度为热力学系统的内能与温度T和体积和体积V有关：有关： ),(VTEE 注意：注

19、意：内能是状态的单值函数，完全由系统所处的内能是状态的单值函数，完全由系统所处的状态决定。状态决定。 理想气体的内能仅是温度的函数理想气体的内能仅是温度的函数，质量为，质量为m，摩尔质量为摩尔质量为M的理想气体的内能为的理想气体的内能为 RTiMmE2其中其中i 是分子运动自由度，对单原子分子、刚性双原是分子运动自由度，对单原子分子、刚性双原子分子和刚性多原子分子，子分子和刚性多原子分子，i 的值分别为的值分别为3、5、6。 由于理想气体的内能仅与温度有关，所以理想由于理想气体的内能仅与温度有关，所以理想气体内能的增量也仅与始、末态的温度有关，而与气体内能的增量也仅与始、末态的温度有关，而与系

20、统所经历的过程无关系统所经历的过程无关 )(21212TTRiMmEEE2功功 气体压强气体压强活塞面积活塞面积 作功是改变系统内能的一作功是改变系统内能的一种方法，通过宏观位移使机种方法，通过宏观位移使机械运动能量转化为分子热运械运动能量转化为分子热运动能量。动能量。 当活塞移动一段微小距离当活塞移动一段微小距离dl 时，气体所做的元功为时，气体所做的元功为 PdVPSdldlFdW可用右图中画有阴影的小矩形面可用右图中画有阴影的小矩形面积表示。积表示。当气体体积从当气体体积从Va 变到变到Vb 时系统所做的功时系统所做的功baVVPdVW 比较比较d、c两过程曲线下的面积可知，功的数值不仅

21、两过程曲线下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。所以态，功与过程的路径有关。所以功是过程量功是过程量。 功的大小等于功的大小等于PV图图上曲线下方的面积。上曲线下方的面积。 3热量热量 当热力学当热力学系统和外界之系统和外界之间存在温差时，就会有热量间存在温差时，就会有热量通过热传导的方式从高温的通过热传导的方式从高温的地方传向低温的地方。传递地方传向低温的地方。传递热量也是改变系统内能的一热量也是改变系统内能的一种方法。种方法。作功和传递热量都与具体过程有关，都是过程量。作功和传递热量都与具体

22、过程有关，都是过程量。 外界质量质量 m比热比热 c吸收热量吸收热量 dQ温度升高温度升高 dTmcdTdQ 改用摩尔热容改用摩尔热容C，则，则CdTMmdQ 系统由温度系统由温度 T1 变到温度变到温度 T2的过程中所吸收的热量的过程中所吸收的热量)(12TTCMmdQQ二、热力学第一定律二、热力学第一定律 实验表明，一个热力学系统，在任一热力学过实验表明，一个热力学系统，在任一热力学过程中，从外界吸收的热量程中，从外界吸收的热量Q等于它对外界作的功等于它对外界作的功A及它的内能增量之和。称为及它的内能增量之和。称为热力学第一定律。热力学第一定律。 WEEQ12热力学第一定律是包括热现象在内

23、的能量守热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。恒与转化定律的一种表达形式。该定律的另一种通俗表述是：该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机第一类永动机是不可能造成的。是不可能造成的。对于一个无限小的过程，热力学第一定律可写成对于一个无限小的过程，热力学第一定律可写成pdVdEdWdEdQ三、热力学第一定律对理想气体的应用三、热力学第一定律对理想气体的应用 1等容过程等容过程 等容过程体积不变，所以等容过程体积不变，所以dW=0，即气体不做功。，即气体不做功。 )(21212TTRiMmEEQV定容摩尔热容量：定容摩尔热容量：一摩尔气体在体积不变的条件下，一摩尔气体在

24、体积不变的条件下，温度升高（或降低）温度升高（或降低）1 K时吸收（或放出）的热量，时吸收（或放出）的热量，称为该气体的定容摩尔热容量，用称为该气体的定容摩尔热容量，用CV 表示。表示。 RidTdEdTdQCvV2注意：注意：对对Mm摩尔气体，不论其经历什么过程，只摩尔气体，不论其经历什么过程，只要初态和末态都为平衡态，其内能变化总可以写为要初态和末态都为平衡态，其内能变化总可以写为TCMmTTRiMmEV)(212单原子分子理想气体的单原子分子理想气体的 RCV23刚性双原子分子理想气体的刚性双原子分子理想气体的 RCV25刚性多原子分子理想气体的刚性多原子分子理想气体的 RRCV3262

25、等压过程等压过程 等压过程中气体做的功为等压过程中气体做的功为 )()(1212TTRMmVVPW气体的内能增量仍为气体的内能增量仍为 TCMmTRiMmEV2吸收吸收(或放出或放出)的热量为的热量为 )()(1212TTCMmTTRCMmQPVP定压摩尔热容量：定压摩尔热容量：一摩尔气体在压强不变的条件一摩尔气体在压强不变的条件下温度升高（或降低）下温度升高（或降低）1K时从外界吸收（或放出）时从外界吸收（或放出）的热量，称为该气体的定压摩尔热容量，用的热量，称为该气体的定压摩尔热容量，用CP表示。表示。由上式知，其数学表示式为由上式知，其数学表示式为RiRCdTdQCVPP22定压摩尔热容

26、量定压摩尔热容量CP 与定容摩尔热容量与定容摩尔热容量CV 的比值的比值称为称为比热容比比热容比或或绝热系数绝热系数。 iiCCVP23等温过程等温过程 温度始终保持不变的过程温度始终保持不变的过程称为等温过程。因而有称为等温过程。因而有恒量PV理想气体的内能始终保持不变理想气体的内能始终保持不变吸收的热量全部用来对外做功。吸收的热量全部用来对外做功。 21111211lnln 21PPVPVVRTMmVdVRTMmPdVWQVVT4绝热过程绝热过程 一个热力学系统在状态变化的过程中与外界没一个热力学系统在状态变化的过程中与外界没有热量的交换，这种过程称为绝热过程。绝热过程有热量的交换，这种过

27、程称为绝热过程。绝热过程的特征是的特征是dQ=0 ，因而，因而1)(2 )(2211112212VPVPVPVPiTTCMmEWV气体绝热膨胀时对外做的功等于气体内能的减气体绝热膨胀时对外做的功等于气体内能的减少少,即对外做功是以消耗系统的内能为代价的。即对外做功是以消耗系统的内能为代价的。 绝热过程方程：绝热过程方程：绝热过程中气体的温度、压强和体绝热过程中气体的温度、压强和体积同时发生变化，为推导过程方程，考察一微小的积同时发生变化，为推导过程方程，考察一微小的绝热过程绝热过程 dTCMmdEdWV将理想气体状态方程微分，得将理想气体状态方程微分，得 RdTMmVdPPdV联立以上两式，整

28、理后得出绝热过程微分方程联立以上两式，整理后得出绝热过程微分方程 0VdVPdP0VdVPdP积分后得出绝热方程：积分后得出绝热方程： 常量PV将理想状态方程代入上式，分别消去将理想状态方程代入上式，分别消去P或或V可可得出另两个绝热方程：得出另两个绝热方程： 常量 1TV常量TP1下图中的实线是绝热线，虚线是同一气体的等下图中的实线是绝热线，虚线是同一气体的等温线；绝热线比等温线要陡些。因为在等温过程中，温线；绝热线比等温线要陡些。因为在等温过程中，只有体积的变化引起压强的变化；而在绝热过程中，只有体积的变化引起压强的变化；而在绝热过程中，体积的变化引起压强变化，气体的温度变化也要引体积的变

29、化引起压强变化，气体的温度变化也要引起压强的变化。起压强的变化。等温线在任一点的斜率等温线在任一点的斜率为为 VPdVdP而而绝热线在任一点的斜率绝热线在任一点的斜率为为 VPdVdP例例5设一定质量的双原子分子理想气体，经历了下设一定质量的双原子分子理想气体，经历了下图所示图所示12的直线过程，试求此过程中的温度最高的直线过程，试求此过程中的温度最高点与吸、放热的转折点。点与吸、放热的转折点。 VPV13V112P23P2解：图中解：图中1、2两点的温度相同，而两点的温度相同，而12的直线过程并非等温过程，而的直线过程并非等温过程，而是先升温然后再降温的过程，其上是先升温然后再降温的过程，其

30、上必有一温度最高点。设此点为必有一温度最高点。设此点为C点，点，它应当是它应当是等温线与过程直线相切的等温线与过程直线相切的点。点。即在即在C点，等温线的变化率与点，等温线的变化率与直线直线12的斜率相等：的斜率相等： 121222VPVPVPCCVPV13V112P23P2CC点在点在12的直线上，满足直线方的直线上，满足直线方程，有：程，有： CCVVPPP1224由上两式求出温度最高点由上两式求出温度最高点C恰好在恰好在12的中间：的中间： 122 , 2VVPPCC可分析出可分析出12的直线过程是前大半段的直线过程是前大半段吸热，后小半段放热，其中有一个吸、吸热，后小半段放热，其中有一

31、个吸、放热转折点。设此点为放热转折点。设此点为D点，它应当点，它应当是绝热线与过程直线相切的点。即在是绝热线与过程直线相切的点。即在D点，绝热线的变化率与直线点，绝热线的变化率与直线12的的斜率相等：斜率相等： 124 . 1VPVPVPDDDDVPV13V112P23P2CVPV13V112P23P2DD点也在点也在12的直线上，也满足的直线上，也满足直线方程，有：直线方程，有： DDVVPPP1224由上两式求出由上两式求出D点坐标为：点坐标为： 2135 , 37PPVVDDVPV13V112P23P2DL2113 循环过程循环过程 卡诺定理卡诺定理 一、循环过程一、循环过程系统系统(工

32、质工质)经一系列变化回到初态的整个过程。经一系列变化回到初态的整个过程。泵泵气缸气缸T1 Q1T2 Q2W1锅炉（高温热库）锅炉（高温热库）冷凝器（低温热库）冷凝器（低温热库）W2循环过程的特征：循环过程的特征：工质复原，内能不变工质复原，内能不变 E = 0循环过程可用循环过程可用PV图上的闭合曲线表示：图上的闭合曲线表示：正正(热热)循环循环逆逆(致冷致冷)循环循环系统对外界做净功系统对外界做净功A外界对系统做净功外界对系统做净功AW = Q1Q2WQ1 Q2pVWQ1Q2pVWQ1Q2二、热机的效率，致冷机的致冷系数二、热机的效率，致冷机的致冷系数 21QQWpVWQ1Q2 效率：效率：

33、在一次循环中，工质对外做的净功占它在一次循环中，工质对外做的净功占它吸收的热量的比率吸收的热量的比率1QW工质经历循环是任意的，工质经历循环是任意的，包括非准静态过程。包括非准静态过程。121211QQQQQ 工质作正循环机器都工质作正循环机器都是是热机热机，它将一部分吸收，它将一部分吸收的热能转变为对外作功。的热能转变为对外作功。工作物质做逆循环的机工作物质做逆循环的机器叫做器叫做致冷机致冷机。它是利用外。它是利用外界对系统做功使热量从低温界对系统做功使热量从低温处传向高温处，从而获得低处传向高温处，从而获得低温的机器，如温的机器，如电冰箱电冰箱、空调、空调等。等。 p pV VW WQ Q

34、1 1Q Q2 221QQW致冷系数：致冷系数：在一次循环中，工质吸收的热量与外界在一次循环中，工质吸收的热量与外界做的净功的比率。做的净功的比率。2122QQQWQe三、卡诺热机的效率，卡诺致冷机的致冷系数三、卡诺热机的效率，卡诺致冷机的致冷系数 卡诺循环卡诺循环由两条等温线和两条绝热线组成。吸由两条等温线和两条绝热线组成。吸热和放热只在两个等温过程中进行，因而卡诺循环热和放热只在两个等温过程中进行，因而卡诺循环是是工质只和两个恒温热库交换热量工质只和两个恒温热库交换热量的准静态循环。的准静态循环。pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩

35、工质工质W高温热库高温热库T1Q2Q1低温热库低温热库T2以理想气体工质为例，计算卡诺热机的效率：以理想气体工质为例，计算卡诺热机的效率：pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩12等温膨胀过程中，从高等温膨胀过程中，从高温热源吸热温热源吸热 1211lnVVRTMmQ 34等温压缩过程中，向低等温压缩过程中，向低温热源放热温热源放热 4322lnVVRTMmQ 23绝热膨胀绝热膨胀132121 VTVTpVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩W243Q2等温压缩等温压缩41绝热压缩绝热压缩142111 VTVT4

36、312VVVV 求出求出因而效率因而效率 121432lnln1VVRTVVRT 121QQc 121TT 只与高、低温热源的温度有关，只与高、低温热源的温度有关，与工作物质及其他因素无关。与工作物质及其他因素无关。 pVT1Q11T2W243Q2同样的分析可求出卡诺致冷机的同样的分析可求出卡诺致冷机的致冷系数致冷系数212212TTTQQQe冰箱外冰箱外冷冻室冷冻室高温热库高温热库T1 低温热库低温热库T2WQ1Q2工质工质也只与高、低温热源也只与高、低温热源的温度有关的温度有关例例9一定量双原子分子理想气体，经历下图所示的一定量双原子分子理想气体，经历下图所示的1231的循环过程，求其效率

37、。的循环过程，求其效率。 VPV13V112P23P23DEF解：由例解：由例5知，在知，在12过程中有过程中有一吸、放热转折点一吸、放热转折点D，1D吸热，吸热，D2放热，且例放热，且例5中已求出中已求出 2135 , 37PPVVDD整个循环中吸热的过程是整个循环中吸热的过程是31D，由热力学第一定，由热力学第一定律可求出吸热总量为律可求出吸热总量为 112112131965 )(25 )(WVPWVPVPWTTCQDDDVVPV13V112P23P23DEF上式中上式中A1是是1 D过程中的功过程中的功12121928)()3(21VPVVPPWDD得出得出 121993VPQ 又由图知

38、，整个循环过程系统对外作净功又由图知，整个循环过程系统对外作净功 1222112)3()3(21VPPPVVW因而效率因而效率 %3 .1993181QW五、卡诺定理五、卡诺定理 为了研究热机最大效率的极限，卡诺根据自己为了研究热机最大效率的极限，卡诺根据自己提出的卡诺循环，得到了提出的卡诺循环，得到了卡诺定理卡诺定理: 1在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都是可逆热机，其效率都是 121TT与工作物质无关。与工作物质无关。 2在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆机，其效率不可能大于

39、可逆热机的效率。不可逆机，其效率不可能大于可逆热机的效率。 114 热力学第二定律热力学第二定律 自然界发生的一切过程都必须遵守热力学第一自然界发生的一切过程都必须遵守热力学第一定律。但是满足热力学第一定律的过程不一定都会定律。但是满足热力学第一定律的过程不一定都会发生。例如：摩擦可以产生热量。但是依靠物体的发生。例如：摩擦可以产生热量。但是依靠物体的冷却而使其自身运动起来对外作功的过程却从来没冷却而使其自身运动起来对外作功的过程却从来没有发生过；冰融化可以使饮料降温，但是冰块自动有发生过；冰融化可以使饮料降温，但是冰块自动越来越大而使饮料越来越热的过程却从未发生过；越来越大而使饮料越来越热的

40、过程却从未发生过；打开香水瓶的盖子，可以闻到香味；但是已经扩散打开香水瓶的盖子，可以闻到香味；但是已经扩散的香水分子不会自动地回到香水瓶中去。的香水分子不会自动地回到香水瓶中去。一、可逆过程和不可逆过程一、可逆过程和不可逆过程 系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程（这时系以找到一个能使系统和外界都复原的过程（这时系统回到初态，对外界也不产生任何影响），则原过统回到初态，对外界也不产生任何影响），则原过程是程是可逆的可逆的。若总是找不到一个能使系统与外界同。若总是找不到一个能使系统与外界同时复原的过程，则原过程是时复

41、原的过程，则原过程是不可逆的不可逆的。观察与实验表明，观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的，或者说是不可逆的。过程都是有方向性的，或者说是不可逆的。 热量传递是不可逆过程。理想气体向真空自由膨胀热量传递是不可逆过程。理想气体向真空自由膨胀也是一个不可逆过程。扩散过程不可逆，生命过程也是一个不可逆过程。扩散过程不可逆，生命过程不可逆，等等。不可逆，等等。二、热力学第二定律二、热力学第二定律 热力学第二定律是关于自然界宏观过程进行热力学第二定律是关于自然界宏观过程进行的方向和限度的一条重要规律。的方向和限度的一条重要规律。 1热力学第二定律

42、的开尔文表述：热力学第二定律的开尔文表述： 不可能制造出这样一种循环工作的热机，它不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸热对外作功，而不放出热量给其只从单一热源吸热对外作功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化。他物体，或者说不使外界发生任何变化。 历史上曾经有人企图制造效率可以达到历史上曾经有人企图制造效率可以达到100%一种循环工作的热机，这就是一种循环工作的热机，这就是第二类永动机第二类永动机 。第。第二类永动机不违反热力学第一定律，但它违反了热二类永动机不违反热力学第一定律，但它违反了热力学第二定律，因而也是不可能造成的。力学第二定律，因而也是不可能造成的。

43、 开尔文表述揭示了自然界普遍存在的开尔文表述揭示了自然界普遍存在的功转化为功转化为热的不可逆性热的不可逆性：功能够自发地、无条件地全部转化：功能够自发地、无条件地全部转化为热；但热转化为功是有条件的，而且其转化效率为热；但热转化为功是有条件的，而且其转化效率有所限制。也就是说有所限制。也就是说功自发转化为热这一过程只能功自发转化为热这一过程只能单向进行而不可逆转，因而是不可逆的。单向进行而不可逆转，因而是不可逆的。热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程除了气体从单一热源吸热等温膨胀。但在这一过程除了气体从单一热源吸热完全变为功外，也引起了其它变化，即过程结束时，完全变为功外，也引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。气体的体积增大了。 2热力学第二定律的克劳修斯表述：热力学第二定律的克劳修斯表述： 热量不可能自动地从低温物体传到高温物体热量不可能自动地从低温物体传到