热学5(10).ppt

1、P3851,University Physics,2010-09-13,喻有理,西安交通大学,11.8 循环过程,二. 正循环,1. 特点(循环沿顺时针方向进行),（系统对外作功）,Q1,Q2,a,b,A1,A2,2. 热机循环效率,一次循环过程中，工质对外作的净功A与它从高温热源吸收的热量Q1的比值.,1 mol 单原子分子理想气 体的循环过程如图所示。,(1) 作出 pV 图 (2) 此循环效率,解,例,求,a,c,b,(2) ab是等温过程，有,bc等压过程，有,(1) pV 图,ca等体过程,循环过程中系统总吸热,循环净功,此循环效率,三. 逆循环,1. 逆循环(循环沿逆时针方向进行)

2、,（外界对系统作功）,逆循环也称为致冷循环,Q1,Q2,a,b,电冰箱的工作原理简图,2. 致冷系数,从低温热源吸收的热量Q2与外界作的功A之比.,逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态A（V1， T1）等温压缩到B（V2 ， T1） 状态，再等体降温到C （V2， T2）状态，然后经等温膨胀达到D （V1， T2） 状态，最后经等体升温回到初状态A，完成一个循环。,该致冷循环的致冷系数,解,例,求,在过程CD中，工质从冷库吸取的热量为,在过程AB中，向外界放出的热量为,A,B,C,D,整个循环中外界对工质所作的功为,循环的致冷系数为,在过程DA中，吸

3、取的热量,V1,T1,V2,T2,1. 热机的最高效率,一. 问题的提出？,违背热力学第一定律,不违背热力学第一定律，但需热量从低温自动流向高温。,2. 致冷机的致冷系数,不违背热力学第一定律，理想热机单热源热机。,11.9 The Second Law of Thermodynamics,二.热力学第二定律的两种表述,1. 热力学第二定律的开尔文表述,不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化。,说明,(1) 的理想热机不可能实现,(2) 热力学第二定律的开尔文表述表明了实际的热机效率,实际热机的能流图,(3) 实质上说明了热功间的完全转换过程具有方向性,2. 热力学第二定

4、律的克劳修斯表述,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,(1)热力学第二定律克劳修斯表述的另一 叙述形式:理想致冷机不可能制成,说明,(2)热力学第二定律的克劳 修斯表述表明了实际的致冷机致冷系数有限,致冷机的能流图,(3) 实质上说明了热传导过程的具有方向性。,3. 热力学第二定律的两种表述等价,(1) 假设开尔文 表述不成立,克劳修斯表述不成立,高温热源T1,低温热源T2,高温热源T1,低温热源T2,(2) 假设克劳修 斯表述不成立,开尔文表述不成立,高温热源T1,低温热源T2,高温热源T1,低温热源T2,试证：在P-V图上任意两条绝热线不可能相交,绝热线,等温线,作一条等温线分别交两条绝

5、热线于b 和c ，abc 构成一循环过程。,违背了热力学第二定律的开尔文叙述,例1,例2,试证明如图所示的循环过程其摩尔热容不能为常量。,该循环中系统对外作功,由于 为常数，则循环中,经过循环后 ，则。,这与 的结论相矛盾,假设为常数,反证法,违背了热力学第一定律,假设两条绝热线相交于a,反证法,引入的意义：为了研究热力学过程的方向问题,11.10 可逆与不可逆过程,二. 不可逆过程与热力学第二定律,一. 概念,不可逆过程,可逆过程,过程的每一步都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化,用任何方法都不能使系统和外界复原的过程,可以挑选任何一种不可逆过程来表达热力学第二定律,如 孤立系统内

6、的气体不可能自动压缩,一切不可逆过程都是相互联系的,可由一种不可逆过程推断另一种不可逆过程,可用两种表达来判别不可逆过程,如 气体的自由膨胀过程是不可逆过程,2. 四种不可逆因素,耗散不可逆因素（摩擦）,力学不可逆因素（ 不是无穷小，如迅速膨胀和迅速压缩）,热学不可逆因素（热传导的不可逆）,1. 可逆过程和准静态过程关系,化学不可逆因素（如扩散现象）,三. 判定可逆与不可逆,自动进行,自动进行,11.11 卡诺循环 卡诺定理,一. 卡诺循环,卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆循环,1. 卡诺热机的效率,a,b,c,d,气体从高温热源吸收的热量为,气体向低温热源放出的热量为,效率为

7、,对bc da应用绝热过程方程，则有,(1) 理想气体卡诺循环热机效率只与 T1，T2 有关,温差 越大，效率越高。提高热机高温热源的温度T1 ，降低低 温热源的温度T2 都可以提高热机的效率.但实际中通常 采用的方法是提高热机高温热源的温度T1 。,讨论,卡诺循环热机的效率为,(2) 可逆卡诺循环热机的效率与工作物质无关。,2. 卡诺致冷机的致冷系数,a,b,c,d,卡诺致冷循环的致冷系数为,当高温热源的温度T1一定时，理想气体卡诺循环的致冷系数只取决于T2 。 T2 越低，则致冷系数越小。,说明,由bc da绝热过程方程，有,1. 在温度分别为T1 与T2 的两个给定热源之间工作的一切可

8、逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的 效率，即,二. 卡诺定理,2. 在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都不可能大于可逆热机的效率。,说明,(1) 要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、 漏气、散热等耗散因素 ）以提高热机效率。,(2) 卡诺定理给出了热机效率的极限。,地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度为1000C，而夜间温度为 1000C,起居室温度要保持在200C，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差0.5kW。,白昼和夜间给卡诺机所供的功率,解,例,求,在白昼欲保持室内温度低,则,循环机,200C,1000C,卡诺机工作于致冷状态。,放入室外,热量Q1