物理热力学基础2.ppt

1、1,热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸气机 ，当时蒸气机的效率极低 . 1765年瓦特进行了重大改进 ，大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推动了热学理论的发展 .,2,各种热机的效率,液体燃料火箭,柴油机,汽油机,蒸气机,3,系统状态经过一系列变化后，又回到原来的状态的过程.,一 循环过程,准静态的循环过程为闭合曲线，并用箭头表示过程进行的方向。 按顺时针进行叫正循环，反之，叫逆循环。,热功计算：按各不同的分过程进行，总合起来求得整个循环过程的净热量、净功。,4,2.准静态的循环过

2、程为闭合曲线,1.特征,3.净功和净热量： 封闭曲线包围的面积,正循环,逆循环,5,循环用到工程技术中去，制成热机、致冷机。,热机：持续不断把热能转变成机械能的装置。,等压 等温 绝热,什么过程能将热能变成功？,什么过程最好？,似乎等温过程最好,0,实际上，仅仅等温过程是不行的！为持续不断作功，系统必须要回到原状态，利用循环,二 热机和致冷机,6,热机的循环一定是正循环以保证,致冷机：将热机的工作过程反向 运转（逆循环），就是致冷机。,7,净功,总放热,（取绝对值）,热机,低温热源,热机效率,8,低温热源,Q2追求的效果,A付出的“成本”,9,例 1 1mol单原子气体氖经历图示循环，求此循环

3、效率.,解,吸热,10,吸热,放热,放热,11,或,12,三 卡诺循环,1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环 卡诺循环. 给出了热机效率的理论极限值； 他还提出了著名的卡诺定理.,13,卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成 .,低温热源T2,14,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,15,A B 等温膨胀吸热,C D 等温压缩放热,16,所以,D A 绝热过程,B C 绝热过程,17,4.卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质（工质）无关，只与两个热源的温度有关，两热源的

4、温差越大，则卡诺循环的效率越高 .,1.由两条等温线和两条绝热线组成的循环。,2.需要两个热源，高温源T1和低温源T2。,3.不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机,卡诺热机小结,18,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机致冷系数,低温热源T2,19,图中两卡诺循环 吗 ？,20,例2 一电冰箱放在室温为 的房 间里 ，冰箱储藏柜中的温度维持在 . 现每天有 的热量自房间传入冰箱 内 , 若要维持冰箱内温度不变 , 外界每天 需作多少功 , 其功率为多少？设在 至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的 55% .,已知,21,由 得,解,保持冰箱在 至 之间运转，每天需作功,功率,即一

5、昼夜耗电约0.6度,22,例3. 一定量的理想气体，分别经历 a b c、d e f 过程。这两过程是吸热还是放热？,def：,abc：,（0）（+）,（+）,（0） （-）（+）,（-） （+）,（-）,=,df绝热,等温,绝热,23,第11章 热力学第二定律,24,第二定律的提出,那么热机的效率能否达到100%？,无数实验证明：效率为100%的、循环动作 的热机也是不可能制成的。,第一定律说明第一类永动机是不可能的 Q= E+ A （100%）,25,什么规律？,热机吸收的热量不能全部转换为功,不违背第一定律却又不能实现,自然界是还存在着其它的定律和规律,热机效率不能等于100%,26,1

6、 开尔文说法 其唯一效果是热转变为功的过程是不可能的。 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来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化 .,一 热力学第二定律的两种表述,27,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体，但它是非循环过程.,28,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,29,（1）若不是“循环动作”的热机，只从一个热源吸热，使之完全变为有用的功而不放热，是可以办到的。,（2）只从一个热源吸取热量，并将全部热量变为功的循环动作的热机，称为第二类永动机。,第二类永动机是不可能制成的！,注意:,有人计算过：从单一热源“海水

7、”中吸热，海水的温度只要降低0.01度,所作的功就可供全世界的工厂用1000多年!,30,(3)“唯一效果”指外界和系统都恢复原状。,(4)热力学第二定律以否定的方式建立，其深刻含意在于它实际上说明了一个热力学过程方向的普遍规律。,31,2 克劳修斯说法 热量不能自动从高温物体传到低温物体.,(1)“自动地”几个字.,(2) 热量自动地由低温传到高温,不违反热力学第一定律，但违背了热力学第二定律。,(3)热二律的开氏描述和克氏描述实际上是等价的。,注意:,32,导致“第二类永动机”可制成!,33,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化 .,34,热一律说明:

8、任何过程必须能量守恒。 热二律说明: 并非所有的能量守恒过程都能实现。,表面上 无关系 , 实质上为什么是等价的？,问题,热二律为什么有两种（实际是无数种）表述？,热二律到底是什么含义？有没有一个统一的描述？,35,可逆过程 :在某过程 AB 中系统由A态 B态。如能使系统由 B态 回到A 态，周围一切也各自恢复原状，那么AB过程称为可逆过程。,二 可逆过程与不可逆过程,不可逆过程：若系统恢复不了原态，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。,36,（1）功变热的过程,摩擦生热使系统温度升高。焦耳实验证明：外界对系统所作的功，可以全部转变成热量。,系统：+Q1 外

9、界：-A*,A* Q1,如何恢复？,设计一个热机 .,系统：恢复了原状。 外界：？,功变热的过程是不可逆的！,外界没有恢复!,结论,37,（2）热量从高温物体传到低温物体的过程,（假定外界温度高，系统温度低）外界将一定的热量传给了系统，使系统的温度升高了。,如何使系统和外界都恢复原状？,外界呢？总能量没减少，但原来付出的机械能变成了热能，外界没有恢复原状。,热量从高温物体传到低温物体 的过程是不可逆的！,结论,38,气体不需任何外界的帮助即从左室扩散到整个容器，是否也可以不须外界任何帮助就回到左室呢？,（3）气体的自由膨胀过程,不行！,39,气体的自由膨胀的过程是不可逆的！,气体的迅速膨胀过程

10、是不可逆的！,非准静态过程都是不可逆的！,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,40,原来，开尔文和克劳修司是分别选用了两个不可逆过程（功变热、热从高温物体传向低温物体）来表示同一物理实质：,“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的”！,热二律 表现了过程进行的方向和限度。,我们终于清楚了热力学第二定律为什么有无数种表述以及为什么它们是等价的。,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,热力学第二定律的实质,41,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,42,(1) 在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作

11、物质的可逆机都具有相同的效率 .,三 卡诺定理,(2) 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率 .,43,以卡诺机为例，有,44,实际最高效率：,例.热电厂,按卡诺循环计算：,非卡诺循环、耗散（摩擦等）,原因：,45,一 熵,初、末两态存在某种属性上有差异,希望能找到这个态函数，用它的量值的变化来说明过程的方向,一个不可逆过程，无论用什么曲折复杂的方法，都不能使系统和外界完全复原而不引起任何变化。因此一个过程的不可逆性与其说决定于过程本身，不如说是决定于它的出态和末态。这种不可逆性说明了:,46,可逆卡诺机,1 熵概念的引入,结论 ：可逆卡诺循环中，热温

12、比总和为零 .,47,一微小可逆卡诺循环,对所有微小循环求和,时，则,结论 : 任一可逆循环过程，可视为由许多可逆卡诺循环所组成，其热温比之和为零 .,48,2 熵是态函数,可逆过程,A,B,C,D,可逆过程,49,在可逆过程中，系统从状态A变化到状态B ，其热温比的积分只决定于初末状态而与过程无关. 可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称为熵(符号为S）.,热力学系统从初态 A 变化到末态 B ，系统熵的增量等于初态 A 和末态 B 之间任意一可逆过程热温比（ ）的积分.,50,无限小可逆过程,熵的单位,可逆过程,在一个可逆循环中，系统的熵变等于零 可逆绝热过程熵变等于零,51,二 熵变的计算,（1）熵是态函数，与过程无关. 因此, 可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变 .,（2）当系统分为几个部分时， 各部分的熵变之和等于系统的熵变 .,52,例4 气体的绝热自由膨胀的熵变,则 系统熵不变？,所以有人说，这是绝热过程,错误原因是：这是一个不可逆的绝热过程，计算熵变，必须是可逆过程。,解：在这一过程中，气体对外不作功，绝热而没有热量传递，因此气体自由膨胀内