大学物理下课件——热学2热力学定律讲述

1、 人类生命中永恒不灭的事物，是伟大的观念与思想。强盛的帝国会倾颓，人类的肉身会腐朽，彪炳的功业也有遭受遗忘忽视的命运，只有伟大的思想观念能够历久而弥新。 （美）罗伯特（美）罗伯特. .莱希曼莱希曼位于波多黎各的世界最大位于波多黎各的世界最大的射电天文望远镜。的射电天文望远镜。19741974年泰勒与赫尔斯利用年泰勒与赫尔斯利用它发现了脉冲双星。它发现了脉冲双星。?热力学热力学紧密围绕紧密围绕热机热机的研究和应用的研究和应用工作物质工作物质重复进行某些过程，不断吸热做功重复进行某些过程，不断吸热做功一、循环过程一、循环过程1. 1. 定义：定义：系统经历一系列变化后又回到初始状态的系统经历一系列

2、变化后又回到初始状态的 整个过程叫循环过程。整个过程叫循环过程。准静态循环过程准静态循环过程 相图中的闭合曲线相图中的闭合曲线顺时针：顺时针：正循环正循环逆时针：逆时针：逆循环逆循环20.3 20.3 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环（热力学第一定律的应用，引入第二定律的桥梁）（热力学第一定律的应用，引入第二定律的桥梁）d2. 2. 共同特征共同特征0 E热力学第一定律：热力学第一定律：净净净净AQ 3. 3. 正循环及其效率正循环及其效率特征特征0 净净净净AQ从外界吸热从外界吸热对外做功对外做功热机的循环热机的循环: :dA1Q2Q Qd Ad实例：实例：蒸汽机的循环蒸汽机的循环21AA

3、A 净净21QQQ 净净效率效率: :121211QQQQQQA 吸吸净净 推广到一般情况推广到一般情况热机的能量转换热机的能量转换: :从高温热源吸热从高温热源吸热（可能不止一个）（可能不止一个）1Q向低温热源放热向低温热源放热2Q（可能不止一个）（可能不止一个）对外做功对外做功21QQQA 净净净净效果效果代价代价热机效率热机效率: :121211QQQQQQA 吸吸净净 ？图图循循环环双双原原子子分分子子理理想想气气体体如如 mol1例例1.)()(.)TT(CQabVabJ208030040031825 )(.VVRTQbcbbcJ823262ln400318ln (J)1174521

4、ln300318ln.VVRTQdadda )()TT(CQcdVcdJ2080 注意是注意是 T-V 图图斯特林循环斯特林循环K300K;400 adbcTT总吸热总吸热(J)844062080823261.Q 总放热总放热(J)138251174520802.Q %.QQQQA2131211 净净 4. 4. 逆循环及致冷系数逆循环及致冷系数特点特点0 净净净净AQ外界对系统做功外界对系统做功系统向外界放热系统向外界放热致冷机的循环致冷机的循环高温高温热源热源低温低温热源热源实例：实例：电冰箱电冰箱能量转换：能量转换：外界对系统做功外界对系统做功 A从低温热源吸热从低温热源吸热2Q（效果）

5、（效果）（代价）（代价）向高温热源放热向高温热源放热AQQ 21致冷系数：致冷系数：AQw2 介绍：介绍： 空调机的循环空调机的循环冷泵（冷泵（A)房间房间)Q(2大气大气)Q(1室内降温室内降温（对房间致冷）对房间致冷）热泵（热泵（A)大气大气)Q(2房间房间)Q(1室内升温室内升温（对大气致冷）（对大气致冷）季节季节作用作用低温热源低温热源 高温热源高温热源效果效果夏天夏天冬天冬天AQ2Q1夏天夏天AQ2Q1冬天冬天氟里昂对臭氧层的破坏氟里昂对臭氧层的破坏合合物物中中的的氢氢部部分分或或全全部部取取代代碳碳氢氢化化用用Br,Cl,F22:FClC如如生生成成的的化化合合物物。引起公害引起公

6、害23OClOOCl 2OClOClO 循环反应循环反应,分分子子破破坏坏3O游离氧原子游离氧原子 保护臭氧层保护臭氧层臭氧臭氧3o层：层：地面上空地面上空 20-50 km 的同温层中的同温层中作用：作用：保护地球表面免受某些具有破坏性的紫外线保护地球表面免受某些具有破坏性的紫外线辐射辐射控制地球气温（散热片）控制地球气温（散热片）介绍：介绍：晒斑，雪盲，视力损害，皮肤癌，白内障晒斑，雪盲，视力损害，皮肤癌，白内障.植物生长率下降，海洋生物减少植物生长率下降，海洋生物减少）氟里昂氟里昂%CO30;70(2气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化，气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化，北极冰帽

7、熔化，海平面上升，大陆被淹北极冰帽熔化，海平面上升，大陆被淹.后果后果 紫外线辐射增强紫外线辐射增强 温室效应温室效应 新资料：对温室效应的贡献：新资料：对温室效应的贡献：水蒸气：水蒸气：60；二氧化碳：；二氧化碳：26臭氧：臭氧：8；甲烷、一氧化二氮等：；甲烷、一氧化二氮等：61987.9 1987.9 蒙特利尔蒙特利尔1990.6 1990.6 伦敦伦敦会议决定会议决定20002000年停止生产和消费氟里昂，年停止生产和消费氟里昂，发展中国家延长发展中国家延长1010年年. .解决途径解决途径寻找纯工质替代物（无寻找纯工质替代物（无ClCl) )磁致冷磁致冷半导体致冷半导体致冷激光制冷激光

8、制冷磁致冷装置磁致冷装置美国科学家提出：美国科学家提出：在太空安装在太空安装d=2000km=2000km的巨型的巨型反射镜，面向太阳，拒阳光反射镜，面向太阳，拒阳光于数百万千米之外。于数百万千米之外。英国科学家提出：英国科学家提出：用飞行器在地球大气层上部拉用飞行器在地球大气层上部拉开一张巨型金属网，阻挡阳光开一张巨型金属网，阻挡阳光直达地面直达地面设想效果：设想效果：阻挡阻挡1 1阳光，使地球降温。保护阳光，使地球降温。保护100km100km2 2土地。土地。 确立新的自然观确立新的自然观 20世纪人类最重要的发现之一世纪人类最重要的发现之一介绍：介绍：人类自然观的三个阶段人类自然观的三

9、个阶段原始社会：原始社会： 视自然为神灵，人是自然的奴隶视自然为神灵，人是自然的奴隶生产力提高，科技发展生产力提高，科技发展农业社会农业社会工业社会工业社会认识到人对自然的能动作用认识到人对自然的能动作用人是自然人是自然 的主人，改造自然，人定胜天的主人，改造自然，人定胜天人口激增，资源枯竭，环境恶化人口激增，资源枯竭，环境恶化*新自然观新自然观新自然观：新自然观：与自然共生、共荣、和谐发展。与自然共生、共荣、和谐发展。人归根到底是自然的一部分，人的能力是自然力的人归根到底是自然的一部分，人的能力是自然力的一部分，人类的未来最终要取决于自然的未来。人一部分，人类的未来最终要取决于自然的未来。人

10、既不能满足于做自然的奴隶，也不能希求作为自然既不能满足于做自然的奴隶，也不能希求作为自然的主宰，而要关心、保护生态环境，与自然共生、的主宰，而要关心、保护生态环境，与自然共生、共荣、和谐发展。共荣、和谐发展。以生态环境良性循环为基础的发展，不牺牲后代人以生态环境良性循环为基础的发展，不牺牲后代人发展条件的发展。发展条件的发展。可持续发展战略可持续发展战略基本国策之一基本国策之一二、卡诺循环二、卡诺循环卡诺：卡诺：Sadi Carnot 17961832法国青年工程师，具有科学家素质。法国青年工程师，具有科学家素质。着眼点高，热力学创始人之一。着眼点高，热力学创始人之一。“为了最完整地研究由热得

11、到动力的道理，必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作”P PV V0 0P PV V0 0是否最简单？是否最简单？1. 1. 研究循环过程的理想模型研究循环过程的理想模型卡诺循环卡诺循环思考：思考： 试设想最简单的循环模型试设想最简单的循环模型要无穷多个热源才能得以实现要无穷多个热源才能得以实现外形简单，实际上复杂外形简单，实际上复杂卡诺循环：卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环卡诺正循环卡诺正循环卡诺逆循环卡诺逆循环)TT

12、(21 如何在如何在 P-V 图中表示？图中表示？怎样才简单？怎样才简单？ 热源最少。热源最少。特点特点简单：简单：只需要两个热源只需要两个热源重要：重要：可以组成任何一种循环可以组成任何一种循环1 1）与两个恒温热源交换能量）与两个恒温热源交换能量2 2）不与其它热源交换能量）不与其它热源交换能量两个等温过程两个等温过程两个绝热过程两个绝热过程高温高温T T1 1低温低温T T2 2高温高温T T1 1低温低温T T2 2Q1Q2A = Q1 -Q2Q2A Q1= A+ Q2 吸热吸热内能不变，从内能不变，从等温膨胀等温膨胀1TBA放热放热内能不变，向内能不变，向等温压缩等温压缩2T,DC

13、对对外外作作功功，内内能能降降低低绝绝热热膨膨胀胀CB 外外界界作作功功，内内能能升升高高绝绝热热压压缩缩AD 卡诺循环过程：卡诺循环过程：例如：例如：正循环正循环DABCDABCDABC0SSAEEQQ 思考：思考：之间的关系？之间的关系？DABCS,SpBC2. 2. 理想气体的卡诺循环理想气体的卡诺循环1 1） 正循环效率正循环效率等温过程：等温过程：12111ln21VVRTMAQ 4322ln43VVRTM|Q| 绝热过程：绝热过程：13212132 VTVT14211114 VTVT4312VVVV p121211214321211211lnlnlnTTTTTVVRTMVVRTMV

14、VRTMQ|Q|Q 121TT 决决定定仅仅由由21T,T 1021 TT21T,T降降低低途途径径，升升高高提提高高 1. .卡诺机必须有两个热源。其效率与工作物质无关，只与两热卡诺机必须有两个热源。其效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。源温度有关。波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。作燃料。122T/T.，要要求求为为提提高高 越小越好，但低温热源的越小越好，但低温热源的温度为外界温度为外界大气的温度，不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。大气的温度，不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。日本开发出陶瓷发动

15、机，其良好的绝热性能可保持日本开发出陶瓷发动机，其良好的绝热性能可保持高温热源的温度。高温热源的温度。信息信息3.3.美国的两个洲在美国的两个洲在20052005年禁止燃烧年禁止燃烧汽油的汽车进入，而使用燃料电池汽油的汽车进入，而使用燃料电池供电的汽车。供电的汽车。p等温过程：等温过程：12111ln12VVRTMAQ 4322ln34VVRTMQ 绝热过程：绝热过程：13212123 VTVT14211141 VTVT4312VVVV 2) 2) 逆循环致冷系数逆循环致冷系数212TTTw 就就要要消消耗耗更更多多的的功功。源源中中吸吸热热要要从从温温度度越越低低的的低低温温热热:w,T 2

16、4321214322122lnlnlnVVRTMVVRTMVVRTMQQQAQw 注意注意AQwQQQA2121 吸吸净净 对一切循环适用对一切循环适用212121TTTwTT 只对卡诺循环适用只对卡诺循环适用练习练习1.1.一卡诺机进行如图两个循环：一卡诺机进行如图两个循环：（1）2121AA （2）2121AA （3）2121AA （4）2121AA 答案：答案：（4 4）正确）正确c 两个循环过程：两个循环过程：过程过程2： 12 等温、等温、23 等体等体 34等压、等压、41 绝热绝热过程过程1： 12 等温、等温、23 绝热绝热34 等压、等压、41 绝热绝热比较哪个过程热机效率高

17、。比较哪个过程热机效率高。12343pVo等等温温线线绝绝热热线线练习练习2.两个过程吸热（两个过程吸热（12）是一样的，）是一样的，但循环面积不同，循环过程作功不同（但循环面积不同，循环过程作功不同（1 2），），解答：解答：21 将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在室室内内，K300 T热热量量，设设取取热热取取出出J100925 .求做一盘冰所需的功，所需时间，所要求的电功率求做一盘冰所需的功，所需时间，所要求的电功率各为多少？各为多少？的冰需要从冷冻室的冰需要从冷冻室制一盘制一盘C13o ,.-12sJ10092 速速率率练习练习3.3.解：

18、解：致冷系数致冷系数56260300260212.TTTw J1009252 .Q(J)102235610092452 .wQA（分分）716(s)1010092100923252.qQt )(.tApW232101022334 三三. . 实际技术中的典型循环实际技术中的典型循环111211)(11 VVTTTTbcad21VV 压缩比压缩比绝绝热热压压缩缩ba 电电点点火火cb 等体升压等体升压绝绝热热膨膨胀胀dc 等等体体放放热热ad 两个绝热过程，两个绝热过程，两个等体过程两个等体过程1. 1. 汽油机：奥托循环汽油机：奥托循环2. 2. 柴油机：柴油机： 狄塞尔循环狄塞尔循环绝绝热热压压缩缩ba 喷喷油油、燃燃烧烧cb 等压膨胀等压膨胀绝热膨胀绝热膨胀dc 等等体体放放热热ad 两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程)VV()VV()VV(1112312123 3. 3. 斯特林循环（多用于致冷机）斯特林循环（多用于致冷机）自学自学 ：p655 p655 例例1 1 ； 例例2 2 ； p658 p658 例例4 4的的推推导导过过程程和和w 两个等温过程两个等温过程两个等体过程两个等体过程