大学物理 第四章 热力学基础

1、大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础1大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础2一一.热平衡热平衡 如果有如果有A、B、C三个热力学系统，三个热力学系统，若系统若系统 A 和系统和系统 B 分别都与系统分别都与系统C处于处于热平衡，则系统热平衡，则系统A和系统和系统B此时也必然处此时也必然处于热平衡。于热平衡。4-1 热力学第零定律热力学第零定律二二.热力学第零定律热力学第零定律 系统系统 A 和系统和系统 B 有温差，使有温差，使A、B热接触，经过一定时间，热接触，经过一定时间，A、B将达到一将达到一个共同的平衡态，称为热平衡。个共同的平衡态，称为热平衡。

2、大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础31. 热力学系统热力学系统 (系统，工作物质系统，工作物质) 一一.系统和外界系统和外界2. 外界外界(环境，周围环境，周围) 热力学中所研究的宏观对象热力学中所研究的宏观对象 (气体气体、液体、液体、固体等）固体等） 与热力学系统相互作用的环境与热力学系统相互作用的环境4-2 热力学第一定律热力学第一定律(first law of thermodynamics)大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础43. 热力学系统的分类热力学系统的分类和外界无相互作用的系统和外界无相互作用的系统和外界仅有能量交换，无质量交换的系统

3、和外界仅有能量交换，无质量交换的系统和外界既有能量交换又有质量交换的系统和外界既有能量交换又有质量交换的系统 封闭系统封闭系统 开放系统开放系统 孤立系统孤立系统大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础5准静态过程的描述准静态过程的描述砂堆砂堆气体气体活塞活塞将砂粒一颗颗地缓慢将砂粒一颗颗地缓慢拿走，气体状态随之拿走，气体状态随之缓慢变化，每一时刻缓慢变化，每一时刻均为平衡态均为平衡态,有确定有确定的（的（Pi Vi Ti）二二. 状态和过程状态和过程大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础61. 功功(work)（1） 气体作功公式气体作功公式PdVPSdxF

4、dxdW SF如图所示汽缸中气体膨胀作功如图所示汽缸中气体膨胀作功PdVdW 元功元功功功 21vvPdVWdx-系统和外界的第一类相互作用系统和外界的第一类相互作用三三. 功、热量、内能功、热量、内能大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础7（2）功的特性功的特性 a)作功的正负作功的正负 dV0 气体膨胀气体膨胀, dW0 对外作正功对外作正功dV0 气体压缩气体压缩, dW0 外界作正功外界作正功 PdVdW 元功元功大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础8注意：注意： 作功与过程有关作功与过程有关 .大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学

5、基础9b)功的图示法功的图示法-示功图示功图 (P-V图图)为曲线下的面积为曲线下的面积图中图中 W0P V1 V2 VP V1 V2 V21dVVVpW大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础10c)功是过程量，和过程有关。功是过程量，和过程有关。P V1 V2 VAB起点终点相同，如过程起点终点相同，如过程不同，则作功不同。不同，则作功不同。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础11例题：例题：如图所示，由如图所示，由A到到B的过程系统对外作的过程系统对外作了多少功？了多少功？211 2 3P( 105Pa)V(10-3 m3)解解:W=S=(BC+AD)

6、*CD/2=150JBACDS大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础12例题：例题：一系统经历如图状态变化过程一系统经历如图状态变化过程(循环循环)，求求WAB、 WBC、WCD、WDA及及WABCDA211 2 P(Pa)V(m3)BACD解解:WBC =WDA =0WABCDA=2-1=1J=SABCDAWAB=2JWCD=-1J大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础132. 热量热量(heat) 系统和外界之间由于存在温度差而以非功系统和外界之间由于存在温度差而以非功的形式传递的能量。的形式传递的能量。-系统和外界第二类相互作用系统和外界第二类相互作用

7、（1）定义）定义例如：热传递例如：热传递T高高T低低TT大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础14人体向环境排热的方式与比例人体向环境排热的方式与比例排热方式排热方式 辐射辐射/对流对流/传导传导 蒸发蒸发 呼吸呼吸排热比例排热比例 70% 18% 12%数据来源：数据来源：红外线技术在国民经济中的应用红外线技术在国民经济中的应用列维金著，列维金著，上海科技文献出版社上海科技文献出版社大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础15人体活动状态与排热量表人体活动状态与排热量表数据来源：数据来源：红外线技术在国民经济中的应用红外线技术在国民经济中的应用列维金著，列维

8、金著，上海科技文献出版社上海科技文献出版社 活动状态活动状态 排热量排热量(J/S=瓦瓦) 排热量排热量(千卡千卡/小时小时) 静静 坐坐 82105 7090 静静 立立 105130 90110 快步行走快步行走 230465 200400 重体力劳动重体力劳动 525815 450700大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础16几种常见运动的热量消耗几种常见运动的热量消耗(千千卡卡/半小时半小时)运动类型运动类型 游泳游泳 篮球篮球 自行车自行车 慢跑慢跑热量消耗热量消耗 175 250 330 300运动类型运动类型 散步散步 跳绳跳绳 网球网球 乒乓球乒乓球热量消耗

9、热量消耗 75 400 220 180 人体每减掉人体每减掉1kg脂肪脂肪,需消耗需消耗7700卡热量卡热量数据来源数据来源:扬子晚报扬子晚报2001-8-15大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础17（2） 特性特性a)正负号的规定：正负号的规定：系统吸热为正，放热为负系统吸热为正，放热为负。b)热量也是过程量。热量也是过程量。（3）热功当量与功热当量）热功当量与功热当量1J=0.24Cal, 1Cal=4.2J大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础18（4） 热量和功的等效性和区别热量和功的等效性和区别（a）等效性：都能使系统能量改变。）等效性：都能使系

10、统能量改变。（b）区别：做功通过物体发生宏观位移）区别：做功通过物体发生宏观位移来完成来完成 （机械运动与热运动的转化），（机械运动与热运动的转化），而热传递无需宏观位移，通过分子间的相而热传递无需宏观位移，通过分子间的相互作用来完成（系统内外分子间热运动的互作用来完成（系统内外分子间热运动的转）。转）。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础193. 内能内能(internal energy) 理想气体的内能是状理想气体的内能是状态态（温度温度）的单值）的单值函函数数. 始末两状态确定，则无论过程如何，内始末两状态确定，则无论过程如何，内能的改变量确定。能的改变量确定。TR2

11、i)TT(R2iERT2iRT2iMME12mol -态函数态函数大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础20已知已知A状态内能为状态内能为E1，B状态内能为状态内能为E2，系统从，系统从状态状态A变化到变化到B的过程中，的过程中，从外界吸热从外界吸热Q，对外作功，对外作功W，则，则1. 数学表述数学表述Q =（ E2 - E1）+WPVAB系统系统QWE1E2四四. 热力学第一定律热力学第一定律大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础21dQ=dE + dW= dE + Pdv或或Q = E + W2. 文字表述文字表述 系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热

12、量, ,一部分用来使系一部分用来使系统内能增加统内能增加, ,另一部分用于系统对外作功。另一部分用于系统对外作功。对于微观过程对于微观过程系统系统QW E系统系统dQdWdE大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础223. 物理意义物理意义第一类永动机第一类永动机无法实现无法实现 (造不成造不成)。4. 热力学第一定律的另一种表述热力学第一定律的另一种表述不消耗任何能量，却能不断对外做功的机器不消耗任何能量，却能不断对外做功的机器.Q = E + W系统系统QW E热力学范围内（更热力学范围内（更普遍）的能量转换普遍）的能量转换和守恒定律。和守恒定律。大学物理大学物理教程教程第

13、四章热力学基础第四章热力学基础23 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础245. 注意点注意点 注意公式注意公式 中各物理量的正负中各物理量的正负Q = E + W吸热吸热 Q0, 放热放热Q0, 内能减少内能减少 E 0, 外界作功外界作功W0;大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础25例题例题:已知单原子分子在已知单原子分子在A、B两态的压强和两态的压强和体积，求从体积，求从A到到B过程中气体作的功，内能的过程中气体作的功，内能的改变，传递的热量。改变，传递的热量。 PPbPaVaVbVAB大学物理大学物理教程教

14、程第四章热力学基础第四章热力学基础26)VPVP()TT(REaabbab 2323 解解PPbPaVaVbVAB)VV)(PP(SWabba 21WEQ 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础274-3 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用 -等值过程等值过程2. 吸热和内能的改变吸热和内能的改变 PV VT2T1P2P1一一. 等容等容(等体等体)过程过程 (isochoric process) dQ = dE + dW= dE1. 做功做功dV=0 故故W=0大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础28TR2i)TT(R2iEEQ1212v RiCV

15、2 令令 dQ = dE + dW= dE得得定容摩尔热容定容摩尔热容 PV VT2T1P2P1TCQVv 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础29TQCVv 物理意义物理意义: :在等容过程中，在等容过程中，1mol1mol气体温气体温度每升高度每升高( (降低降低)1)1度所吸收度所吸收( (放出放出) )的热量。的热量。 3. 定容摩尔热容定容摩尔热容TCQVv RiCV2 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础30例如例如, ,氧气氧气 0 02 2 R25Cv 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础31)VV(PPdVW12VV

16、21 二二. 等压过程等压过程 (isobaric process)PV1 V2 VP1. 做功做功大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础32PdVdEdQ 2. 热量和内能的变化热量和内能的变化PV1 V2 VPTCQpp 定压摩尔热容定压摩尔热容dTCdEV dT)RC(RdTdTCdQVVp Cp=Cv+R令令dTCdQPp 等压过程吸热计算等压过程吸热计算大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础33物理意义物理意义: :在等压过程中，在等压过程中，1mol1mol气体温度每升气体温度每升高高( (降低降低) 1) 1度所吸收度所吸收( (放出放出) )

17、的热量。的热量。3. 定压摩尔热容定压摩尔热容RiRiRCCVP2212 ）（TCQpp TQCPP Mayer公式公式大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础34 例如例如, ,氧气氧气 0 02 2 iiCCVp2 4.4.摩尔热容摩尔热容比比R27CP 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础35PdVdWdQ 三三. 等温过程等温过程 (isothermal process) 1. 内能的变化内能的变化0 E 2. 吸热和做功吸热和做功P1P2V1 V2 VPdVVRTdQVRTP 2112lnln21PPRTVVRTdVVRTQVVT 大学物理大学物理

18、教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础36PP1P2V1 V2 V例例.0.016Kg氧气在保持温氧气在保持温度为度为100K时，体积增大时，体积增大一倍其对外作功为多少？一倍其对外作功为多少？ 吸收多少热量？内能改吸收多少热量？内能改变多少？变多少？Jln.VVlnRTAQT28821003185012 0E 解：解：吸收的热量吸收的热量大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础374-4 绝热过程绝热过程系统和外界间无任何热量交换的过程系统和外界间无任何热量交换的过程一一. .绝热过程绝热过程(adiabatic process)(adiabatic process) )T

19、T(CMMEWvmol12 二二. .绝热过程中的功和内能变化绝热过程中的功和内能变化dQ=0 Q=0 E + W=0大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础38三三. 绝热过程方程绝热过程方程 2121112121112211TPTPTVTVVPVP- 泊松方程泊松方程iiCCVp2 式中式中大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础39RTPV 1. 泊松方程的推导泊松方程的推导(练习练习)1(.RdTVdPPdV )2.(dTCdEPdVV VdVVdVCCPdPVP .ConstPV PdVCC)CPdV(CdTCdT)RC(dTCRdTVdpVPVPPV

20、V 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础401)1(122111112111111212121 VPVPVVVPdVVVPdVVVPPdVWvvvvvv2 由泊松方程求功由泊松方程求功W PVVPVP 221112211 VPVPW绝热过程绝热过程作功的计算作功的计算大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础413. 绝热过程的图示绝热过程的图示 p-v图上图上绝热线比等温线陡绝热线比等温线陡 原因原因:等温时，压强仅随体积变化而变等温时，压强仅随体积变化而变. P=nkT绝热时，压强变化不仅随体积变化还有温度变化。绝热时，压强变化不仅随体积变化还有温度变化。

21、V等温P绝热绝热另外可证明另外可证明:绝绝热热线线斜斜率率绝绝对对值值大大VpdVdpVpdVdpTQ 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础42四四.理想气体自由绝热膨胀理想气体自由绝热膨胀Q=0，W=0，E不变，温度不变不变，温度不变 隔板隔板真空真空大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础43例题例题: 图示为一理想气体的几种状态变化过程图示为一理想气体的几种状态变化过程的的P-V图图,其中其中MT为等温线为等温线,MQ为绝热线为绝热线,在在AM、BM、CM三种准静态过程中，三种准静态过程中，温度升高的是温度升高的是_气体吸热的是气体吸热的是_过程过程M

22、ATBQCPVBM、CMCM大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础441331ABV/10-3 m3P/105 pa例例2：一定量的理想气体经：一定量的理想气体经历由历由A到到B的过程，求：的过程，求：Q，W，解：解： Q=W=面积面积=400（J）E 0E 例例3：一定量的双原子分子：一定量的双原子分子理想气体经历由理想气体经历由A到到B的过的过程，求：程，求：Q，W，E V/10-3 m31431ABP/105 pa解：解：W=600（J）)J(250E Q=850（J）大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础45过过程程特征特征方程方程EQA等等容容v一

23、定一定P/T=C Cv(T2-T1) Cv(T2-T1)0等等压压P一定一定v/T=C Cv(T2-T1) Cp(T2-T1)P(V2-V1)等等温温T一定一定PV=C0 RTln(V2/V1) RTln(V2/V1)绝绝热热dQ=0PV =C Cv(T2-T1)0- Cv(T2-T1)理想气体各等值过程和绝热过程有关公式理想气体各等值过程和绝热过程有关公式 对照表对照表大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础464-5 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环一一. 循环过程循环过程 (cycle process)1. 定义定义: 系统经历一系列的状态变化，又重系统经历一系列的状态

24、变化，又重新回到初始状态，这样的一个周而复始的过新回到初始状态，这样的一个周而复始的过程程.F 实例实例: 汽缸汽缸大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础47 循环一周循环一周,内能不变内能不变 PV图上为一闭合曲线图上为一闭合曲线,其包围面积为净功其包围面积为净功. 正循环正循环 逆循环逆循环PV3. 分类分类 正循环正循环 循环一周，对外作循环一周，对外作(净净)功功2. 特征特征 逆循环逆循环循环一周，外界作循环一周，外界作(净净)功功大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础48二二. 热机与卡诺循环热机与卡诺循环 能够连续不断地把热量转换为功的循环能够

25、连续不断地把热量转换为功的循环动作的装置。动作的装置。（正循环）（正循环）1. 热机热机(heat engine)PV热机的目的：热热机的目的：热 功功大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础49蒸蒸 汽汽 机机 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础50高温热源高温热源低温热源低温热源热热机机Q吸吸Q放放W2.热机的工作原理热机的工作原理大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础51吸吸放放吸吸放放吸吸吸吸QQQQQQW 1 b)物理意义物理意义a) 定义定义 吸收的热量转化为功的比例吸收的热量转化为功的比例。 体现做功的目的和效率。体现做功的

26、目的和效率。3. 热机效率热机效率(efficiency of heat engine) 高温热源高温热源低温热源低温热源热热机机Q吸吸Q放放W大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础52 热机发展简介热机发展简介 1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸蒸汽机汽机 ，当时蒸汽机的效率极低，当时蒸汽机的效率极低 . 1765年瓦特进年瓦特进行了重大改进行了重大改进 ，大大提高了效率，大大提高了效率 . 人们一直在人们一直在为提高热机的效率而努力，为提高热机的效率而努力， 从理论上研究热机从理论上研究热机效率问题，效率问题， 一方面指明了提高效率

27、的方向，一方面指明了提高效率的方向， 另另一方面也推动了热学理论的发展一方面也推动了热学理论的发展 .几种热机的效率几种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机%48%8%37%25大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础53例例1：1mol双原子分子理想气体的初态双原子分子理想气体的初态A的温度的温度T0，它经历图示的循环，求循环过程中它经历图示的循环，求循环过程中:（1）气体对外）气体对外做的净功；做的净功； （2）传递的净热量；（）传递的净热量；（3）气体从外界）气体从外界吸收的热量；（吸收的热量；（4）循环的效率。）循环的效率。V03V0p

28、03p0ACBDVp解：解：（2）Q净吸热净吸热=A=4RT0（1）A=SABCD=2P0 2V0 =4RT0（3）Q吸吸=QAB+QBC = Cv TAB+ Cp TBC 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础54V03V0p03p0ACBDVp（4）%38.1526400 RTRTQA吸吸 =5/2R（3T0-T0）+7/2R（9T0-3T0）=26RT0 （3）Q吸吸=QAB+QBC = Cv TAB+ Cp TBC 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础55例例2：双原子刚性理想气体，作如图所示的循环，双原子刚性理想气体，作如图所示的循环，A-B-C

29、-A，BC是等温过程，是等温过程，求（求（1）各过程中吸收的热量。）各过程中吸收的热量。（2）循环一周，气体作的功。）循环一周，气体作的功。（3）循环效率。）循环效率。解：解： TB =TC =2TAAp0V02V02p0BCVpQAB= Cv TAB = (5/2)R（2TA-TA) = ( 5/2)RTA=5/2P0V0 吸热吸热QBC= RTBln(vc/vB)=2 RTAln2 = 2ln2 P0V0 吸热吸热QCA = Cp TCA= (7/2)R（TA-2TA) = - ( 7/2)RTA =-7/2 P0V0 放热放热(1)大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础

30、56(2) A=Q净吸净吸 =QAB+QBC +QCA = (5/2+2ln2-7/2) P0V0 %93.9VP 2ln2VP25 VP )27-2ln225(000000 吸吸QA (3)Ap0V02V02p0BCVp大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础57法国物理学家，热力学的创始人之法国物理学家，热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用的人。他出色地、创造性地用“理理想实验想实验”的思维方法，提出了最简的思维方法，提出了最简单但有重要理论意义的热机循环单但有重要理论意义的热机循环卡诺循环，创卡诺循环，创造

31、了一部理想的热机造了一部理想的热机(卡诺热机卡诺热机)。卡诺卡诺 (Sadi Carnot) 1796-18324. 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle) 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础58 1824年卡诺提出了对热机设计具有年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出提高普遍指导意义的卡诺定理，指出提高热机效率的有效途径热机效率的有效途径.卡诺卡诺36岁因霍乱岁因霍乱早逝早逝,死后他的论文才被开尔文发现，死后他的论文才被开尔文发现， 他是建立热力学第二定律的先驱。他是建立热力学第二定律的先驱。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础

32、59abdcT1T2PV 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle) :由两条等温线和两条绝热线构成的正循环由两条等温线和两条绝热线构成的正循环.a-b，c-d 等温等温b-c，d-a 绝热绝热大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础60a). a- b 等温膨胀等温膨胀5.卡诺循环具体过程分析卡诺循环具体过程分析 )1.(ln1ababVVRTQ 放放吸吸净净QQWQQcdab, 0, 0 吸热吸热,对外作功对外作功abdcT1T2PVQ吸吸Q放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础61)2.(lnln22dccdcdcdVVRTQVVRTQ b). c

33、- d 等温压缩等温压缩.放热放热,外界作功外界作功. abdcT1T2PVQ吸吸Q放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础62c). b- c 绝热膨胀绝热膨胀. )3.(1211 cbVTVTd). d-a 绝热压缩绝热压缩 温度升高温度升高 )4.(1211 daVTVT温度下降温度下降abdcT1T2PV大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础632121lnln)2()1()4()3(TTVVTVVTQQVVVVdcabcdabdcab 得得：得得：)1.(ln1ababVVRTQ )3.(1211 cbVTVT)4.(1211 daVTVT)2.

34、(ln2dccdVVRTQ 21TTQQ 放放吸吸abdcT1T2PVQ吸吸Q放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础64卡诺热机的效率卡诺热机的效率:12TTQQ1吸吸放放卡卡 21TTQQ 放放吸吸abdcT1T2PVQ吸吸Q放放高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2热热机机Q吸吸Q放放W大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础65三三. 致冷机与卡诺致冷机致冷机与卡诺致冷机 通过对工作物质做功，而把低温物体的通过对工作物质做功，而把低温物体的热量传递给高温物体的装置热量传递给高温物体的装置.（逆循环）（逆循环）1. 致冷机致冷机PVW0“热热 泵泵”

35、大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础66冰箱循环示意图冰箱循环示意图大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础672.致冷机的工作原理致冷机的工作原理高温热源高温热源低温热源低温热源致致冷冷机机Q吸吸W=Q放放-Q吸吸Q放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础683. 致冷系数致冷系数212QQQQQQWQe 吸吸放放吸吸吸吸物理意义物理意义:做功的目做功的目的和效率的和效率高温热源高温热源低温热源低温热源致致冷冷机机Q吸吸W=Q放放-Q吸吸Q放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础694. 卡诺致冷机卡诺致冷机高温热源

36、高温热源T1低温热源低温热源T2致致冷冷机机Q吸吸Q放放WabdcT1T2PVQ吸吸Q放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础705. 卡诺致冷机的致冷系数卡诺致冷机的致冷系数212TTTQQQWQe 吸吸放放吸吸吸吸高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2致致冷冷机机Q吸吸Q放放WabdcT1T2PVQ吸吸Q放放12TTQQ 放放吸吸大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础71例题例题: 1mol单原子理想气体单原子理想气体,经历如图循环过程经历如图循环过程,求三个分过程吸热、放热的情况和循环效率求三个分过程吸热、放热的情况和循环效率.P(atm)12V(

37、l)22.444.8T=constabcPaVa = RTa =2269 Pa m3 解解:PcVc= 4538 Pa m3 PbVb = RTb= 4538 Pa m3大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础72P(atm)12V(l)22.444.8T=constabc JVPVPTTRTTCQaabbababvab5 .3403)(2323 J)VPVP(TTCQccaacapca567225 JRTVVRTdVVRTQcbvvbbcbbbc31452lnln 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础7300bcabca38.1331455 .340356

38、721QQQ1QQ1 吸吸放放P(atm)12V(l)22.444.8T=constabcQab=3403.5JQbc=3145JQca=-5672J大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础74例题例题: 汽油机可近似看成如图循环过程汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循循环环),其中其中DE和和BC为绝热过程为绝热过程,证明此循环效率证明此循环效率为为CDBETTTT1 DECBP证明证明CDBECDvBEvCDEBTTTT1)TT(C)TT(C1QQ1 吸吸放放大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础754-6 热力学第二定律热力学第二定律一一.问题的引出

39、问题的引出 要使热机效率为要使热机效率为100%，并不违反热力学，并不违反热力学第一定律，但无法构成循环。第一定律，但无法构成循环。1QW 吸吸P1P2V1 V2 VP以等温过程为例以等温过程为例WQ 吸吸大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础76二二.热力学第二定律热力学第二定律(second law of thermodynamics)1. 开尔文开尔文(Kelvin)表述表述2. 克劳修斯表述克劳修斯表述 (Clausius) 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础77英国著名物理学家、发明家，原英国著名物理学家、发明家，原名名W.汤姆孙汤姆孙(Wil

40、liam Thomson),开开尔文研究范围广泛，在热学、电尔文研究范围广泛，在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物磁学、流体力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方面都做理、数学、工程应用等方面都做出了贡献出了贡献. 他一生发表论文多达他一生发表论文多达600余篇，取得余篇，取得70种发明专利种发明专利. 开尔文开尔文(Lord Kelvin,18241907)大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础78开尔文是热力学的主要奠基人之一。他开尔文是热力学的主要奠基人之一。他1848年年创立了热力学温标创立了热力学温标, 1851年提出热力学第二定律年提出热力学第二定律. 185

41、2年与焦耳合作进一步研究气体的内能，发现年与焦耳合作进一步研究气体的内能，发现了焦耳汤姆孙效应，这一发现成为获得低温的了焦耳汤姆孙效应，这一发现成为获得低温的主要方法之一主要方法之一. 为了纪念他在科学上的功绩，国际计量大会为了纪念他在科学上的功绩，国际计量大会把热力学温标把热力学温标(即绝对温标即绝对温标)称为开尔文称为开尔文(开氏开氏)温温标，热力学温标以开尔文为单位，是现在国际单标，热力学温标以开尔文为单位，是现在国际单位制中七个基本单位之一。位制中七个基本单位之一。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础79 在电磁学理论和工程应用上在电磁学理论和工程应用上, 1848

42、年开尔文发明年开尔文发明了电像法，这是计算一定形状导体电荷分布所产生了电像法，这是计算一定形状导体电荷分布所产生的静电场问题的有效方法。他把自己的全部研究成的静电场问题的有效方法。他把自己的全部研究成果，毫无保留地介绍给了麦克斯韦，为麦克斯韦最果，毫无保留地介绍给了麦克斯韦，为麦克斯韦最后完成电磁场理论奠定了基础。后完成电磁场理论奠定了基础。 1875年他预言了城市将采用电力照明，年他预言了城市将采用电力照明，1879年又年又提出了远距离输电的可能性。提出了远距离输电的可能性。1881年他对电动机进年他对电动机进行了改造，大大提高了电动机的实用价值。在电工行了改造，大大提高了电动机的实用价值。

43、在电工仪器方面，他发明了镜式电流计、双臂电桥、虹吸仪器方面，他发明了镜式电流计、双臂电桥、虹吸记录器等，大大促进了电测量仪器的发展。在工程记录器等，大大促进了电测量仪器的发展。在工程技术中，技术中，1855年他研究了电缆中信号传播情况，解年他研究了电缆中信号传播情况，解决了长距离海底电缆通讯的一系列理论和技术问题决了长距离海底电缆通讯的一系列理论和技术问题, 于于1858年协助装设了第一条大西洋海底电缆年协助装设了第一条大西洋海底电缆. 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础80 开尔文一生谦虚勤奋，意志坚强，不怕失败，开尔文一生谦虚勤奋，意志坚强，不怕失败，百折不挠。在对待

44、困难问题上他讲：百折不挠。在对待困难问题上他讲：“我们都感我们都感到，对困难必须正视，不能回避；应当把它放在到，对困难必须正视，不能回避；应当把它放在心里，希望能够解决它。无论如何，每个困难一心里，希望能够解决它。无论如何，每个困难一定有解决的办法，虽然我们可能一生没有能找定有解决的办法，虽然我们可能一生没有能找到。到。”他这种终生不懈地为科学事业奋斗的精神，他这种终生不懈地为科学事业奋斗的精神，永远为后人敬仰。永远为后人敬仰。1896年在格拉斯哥大学庆祝他年在格拉斯哥大学庆祝他50周年教授生涯大会上，他说：周年教授生涯大会上，他说：“有两个字最能有两个字最能代表我代表我50年内在科学研究上的

45、奋斗，就是年内在科学研究上的奋斗，就是失败失败两字。两字。”这足以说明他的谦虚品德。这足以说明他的谦虚品德。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础81 德国理论物理学家德国理论物理学家 他对热力学理论有杰出贡他对热力学理论有杰出贡献，曾提出热力学第二定献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述。律的克劳修斯表述。 他还是气体动理论创始人他还是气体动理论创始人之一。之一。 他还导出气体压强公式，他还导出气体压强公式，提出比范德瓦耳斯更普遍提出比范德瓦耳斯更普遍的气体物态方程。的气体物态方程。克劳修斯克劳修斯（1822-1888）大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基

46、础82 不可能制成一种循不可能制成一种循环工作的热机，它只从环工作的热机，它只从单一热源吸热，全部用单一热源吸热，全部用于对外做功于对外做功,而不产生而不产生任何其它影响。任何其它影响。1. 开尔文开尔文(Kelvin)表述表述高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2热热机机Q吸吸Q放放=0W= Q吸吸大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础83a) 从单一热源吸热全部用于对外做功是可能从单一热源吸热全部用于对外做功是可能的，但要完成一个循环的，但要完成一个循环,则会引起其它影响。则会引起其它影响。b) 从卡诺循环可见，要使工作物质恢复原态从卡诺循环可见，要使工作物质恢复原态,

47、总要释放一部分热量给冷源。总要释放一部分热量给冷源。c).另一种叙述：另一种叙述：第二类永动机第二类永动机造不成造不成 第二类永动机 -效率等于100% 的热机能量的利用率受到限制能量的利用率受到限制大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础84 热量不可能自动地从热量不可能自动地从低温热源传到高温热源低温热源传到高温热源,而不引起外界的变化而不引起外界的变化.2. 克劳修斯表述克劳修斯表述 (Clausius) 房房 间间空调空调耗电耗电W=0Q1=Q2Q2室外室外热热传传递递T高高T低低T更高更高 T更低更低Impossible Auto Process大学物理大学物理教程教

48、程第四章热力学基础第四章热力学基础85a) 热量从低温热源向高温热源传递是可能的，热量从低温热源向高温热源传递是可能的， 但要以外界做功为代价。但要以外界做功为代价。b) 排除了第二类永动制冷机的可能排除了第二类永动制冷机的可能 WQe0W吸吸大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础863. 两类表述的等价性两类表述的等价性a) 违背开尔文说法违背开尔文说法,同时违背克劳修斯说法。同时违背克劳修斯说法。b) 违背克劳修斯说法违背克劳修斯说法,则同时违背开尔文说法。则同时违背开尔文说法。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础874-7 可逆过程和不可逆过程卡诺定

49、理可逆过程和不可逆过程卡诺定理一一.定义定义 系统状态变化过程中，如果逆过程能重复正系统状态变化过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态，且不引起其他变化过程的每一状态，且不引起其他变化,则该过则该过程为程为可逆过程可逆过程。1.可逆过程可逆过程大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础882.不可逆过程不可逆过程 无论我们用何种手段，系统不能恢复原状无论我们用何种手段，系统不能恢复原状态态; 或能恢复原状态或能恢复原状态,但要引起周围发生变化但要引起周围发生变化的过程的过程.大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础89实例实例单摆的摆动单摆的摆动时间，生命时间，

50、生命.l 单摆、钟摆、单摆、钟摆、秋千的摆动秋千的摆动不可逆不可逆可可 逆逆自由落体自由落体不可逆不可逆大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础90气体的扩散气体的扩散隔板隔板不可逆过程不可逆过程真空真空香水的扩散香水的扩散大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础91 自然界中一切自发进行的过程都是不可逆自然界中一切自发进行的过程都是不可逆的，只有无摩擦的准静态过程才是可逆的。的，只有无摩擦的准静态过程才是可逆的。3. 过程可逆的条件过程可逆的条件1）过程无限缓慢，即为准静态过程（任一）过程无限缓慢，即为准静态过程（任一时刻为平衡态）时刻为平衡态）2）无摩擦力、

51、粘滞力或其他耗散力作功，）无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，能量耗散效应忽略。能量耗散效应忽略。4.普遍结论普遍结论大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础92开尔文表述说明了：开尔文表述说明了：功变热过程不可逆功变热过程不可逆 反映了功热转化过程的方向反映了功热转化过程的方向二二. 热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质1. 一般热力学系统中宏观过程的不可逆性一般热力学系统中宏观过程的不可逆性 功可以完全变为热功可以完全变为热(如摩擦生热如摩擦生热),但要把但要把热完全变为功而不产生其他影响是不可能热完全变为功而不产生其他影响是不可能的的.大学物理大学物理教程教程第四章热力

52、学基础第四章热力学基础93克劳修斯表述说明了：克劳修斯表述说明了：热传递过程的不可逆热传递过程的不可逆 反映了热传第过程的方向反映了热传第过程的方向 热量能自动地从高温物体向低温物体传递热量能自动地从高温物体向低温物体传递,但不能自动地从低温物体向高温物体传递但不能自动地从低温物体向高温物体传递.大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础94 热力学第一定律热力学第一定律指出指出:在任何过程中在任何过程中,能量能量必须守恒必须守恒2. 孤立系统中宏观自发过程的单向性。孤立系统中宏观自发过程的单向性。 热力学第二定律热力学第二定律指出指出:并非所有满足能量守并非所有满足能量守恒的过

53、程都能实现恒的过程都能实现,反映过程进行的方向反映过程进行的方向.大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础95a) 在相同高温热源在相同高温热源T1和相同低温热源和相同低温热源T2间工间工作的一切作的一切 可逆卡诺机可逆卡诺机,不论工作物质如何不论工作物质如何,效效率都相同率都相同,为为121TT 卡卡 三三.卡诺定理卡诺定理 (Carnot theorem) b) 在相同高温热源在相同高温热源T1和相同低温热源和相同低温热源T2间间工作的一切非可逆机的效率工作的一切非可逆机的效率121TT 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础96一一. 熵熵(entrop

54、y)熵（熵（S）是态函数，和内能一样。）是态函数，和内能一样。4-8 熵，熵增原理熵，熵增原理孤立系统：可逆过程熵不变孤立系统：可逆过程熵不变 不可逆过程熵增加不可逆过程熵增加二二.熵增加原理熵增加原理三三.熵的物理意义熵的物理意义熵是孤立系统无序度的量度。熵是孤立系统无序度的量度。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础97（一）理解功一）理解功W、内能、内能E、热量、热量Q、摩尔热容、摩尔热容 量量C以及可逆过程、不可逆过程、熵等以及可逆过程、不可逆过程、熵等 概念。概念。基本要求基本要求（二）掌握热力学第一定律，并能熟练地分（二）掌握热力学第一定律，并能熟练地分 析、计算

55、理想气体等温、等容、等压析、计算理想气体等温、等容、等压 和绝热过程中的功、热量及内能增量和绝热过程中的功、热量及内能增量。大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础98（三）理解正循环、逆循环的特点，掌握热（三）理解正循环、逆循环的特点，掌握热 机效率的计算方法，并了解致冷机的机效率的计算方法，并了解致冷机的 制冷系数。制冷系数。（四）理解热力学第二定律的两种叙述方法、（四）理解热力学第二定律的两种叙述方法、 热力学过程的方向性、熵和熵增加原理。热力学过程的方向性、熵和熵增加原理。 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础991. 自由度为自由度为i的理想气体，在等压过程中吸热的理想气体，在等压过程中吸热Q，对外作功，对外作功W，内能增加，内能增加 E，则，则W/Q=_ E/Q=_解解:TRVPWTR2iTRCETR22iTCQVP 练练 习习2iiQE2i2QW 大学物理大学物理教程教程第四章热力学基础第四章热力学基础1002.一定量的理想气体，由平衡状态一定量的理想气体，由平衡状态A变到平变到平衡状态衡状态B（PA=PB），则无论经历的是什么），则无论经历的是什么过程，系统必然过程，系统必然A）对外作功）对外作功B）内能增加）内能增加C）从外界吸热）从外界吸热D）向外界放热）向外界放热PVABT低低T高高大学物理大学物理教程教程第四章热