大学物理课件：A 10热力学基础 _4

1、1热 力 学 基 础华中科技大学2 不可能有这样的循环，从单一热源吸热并全部转化为功，而不对外界产生影响。热量不可能自动地由低温热源传向高温热源。热量可以自动地由高温热源传向低温热源。热量可以由低温热源传向高温热源。热机的效率不可能达到100。问题：热机的效率不能达到100，理论上热机的效率上限是多少？在技术上如何达到这个上限？3违背热力学第一定律的第一类永动机不可能出现， 违背热力学第二定律的第二类永动机也不可能出现。一、卡诺定理在相同的高、低温热源间工作的一切可逆过程卡诺热机，效率相同，与循环工作物质无关。10.6 熵 卡诺循环（不计摩擦和漏热等损耗） 因此卡诺循环是可逆循环，卡诺机是可逆

2、热机。 在相同的高、低温热源间工作的一切热机，可逆过程 热机效率最高。4热机效率的极限是：如何提高效率？ 制造可逆过程热机。 使用卡诺循环的热机。 加大高、低温热库的温度差。实际适用的仅可能加大高、低温热库的温度差。2022/7/125热能几乎不能转化为有用功。热能几乎全部转化为有用功。相同的热能，其有用程度不同！对于一定的热能6根据卡诺定理：二、熵考虑热量的符号：(用代数值表示热量)在整个卡诺循环的四个过程中：等号对应可逆循环过程热机7对于任意可逆循环可用一系列微小可逆卡诺微循环组合代替：PVQi1Qi2Ti1Ti2每一可逆卡诺循环都有：对N个卡诺循环：若N个任意循环：8对于任意循环可以用卡

3、诺微循环组合：可逆过程积分与路径无关！S称为熵，熵S 是状态函数。对于不可逆的过程： 对于不可逆过程，两个态间的熵差大于积分的值，可逆过程两态间的熵差等于积分值。2022/7/129可逆不可逆对于不可逆的过程：不可逆循环“=”对应可逆过程 “”对应不可逆过程10可逆不可逆可逆过程，两态间的熵差等于热温比积分值！ 不可逆过程，两个态间的熵差大于热温比积分的值。“=”对应可逆过程 “”对应不可逆过程11理想气体变化设计为可逆等值、绝热过程时的熵变等容过程三、热力学过程熵变的计算12等压过程绝热过程 等温过程13过程特征等容0等压等温0绝热0014理想气体的绝热自由膨胀过程的熵变。 过程是非平衡过程

4、，但熵是态函数与过程无关，设想一个与自由膨胀有相同初、末态的等温过程，计算熵变。真空自然过程的熵总是在增加！熵是指示自然过程方向的物理量。绝热15例 1mol 理想气体的状态变化如图所示，其中 1 3 为等温线，1 4 为绝热。试求解三种过程中气体系统的熵变， 1 2 3、 1 3、 1 4 3 熵是状态函数，系统状态的变化确定了，熵变(差)即确定；而不论该系统状态是如何变化、是否可逆。 13 等温可逆过程：熵变的计算2022/7/1216 123 熵变：17 143熵变：?绝热过程：等压过程：18对于孤立系统： 孤立系统的熵是不会减少的，系统经可逆过程熵不变；系统经过任何不可逆过程，熵总是增

5、加的。四、熵增加原理不可逆过程可逆过程*温熵图TSQS1S2*温熵图下的面积表示热量19pV 图 TS 图面积20人一天约向周围环境散发 8106 J热量，估算人一天产生的熵，忽略人进食时代进体内的熵，环境温度按 273K 计。人的体温为 环境温度为人与环境之间的传热为人体的熵变：例人体是一个趋于高度有序的系统环境的熵变：以人与环境为系统，则系统的总熵变：人体高度有序化的代价：包括人体在内的环境无序化！2022/7/1221 总的熵变化包括热力学系统 A、B与外界的熵变。计算时注意熵是态函数。绝热透热例 热传导过程的熵变设有A、B 绝热系统，初态 TA TB ，mA = mB = m，末态 T

6、t (TATB)/2，系统的摩尔热容是C，计算过程的总熵的变化S。（一）外界的熵变化2022/7/1222（二）系统的熵变化绝热透热系统的熵变：2022/7/1223系统温度趋于一致是自发过程绝热透热24作业：2510.7 熵的微观意义熵是什么物理量？其值说明什么问题？ 孤立系统经可逆过程熵不变；系统经过任何不可逆过程，熵总是增加的。克劳修斯熵变表达式不可逆过程可逆过程*熵增加原理：对孤立（绝热系统）26热力学系统以其微观态的统计结果表达宏观态。微观态决定宏观态，宏观态反映微观态。气体分子全同，分子的一个组合对应多个排列。分子的任意一个排列出现的概率相同(等概率假设)。分子组合对应的排列多者，

7、该组合出现的概率高， 且时间长(对应一个宏观态)。熵的微观意义：宏观态：以系统的分子数分布，但是不区分具体的分子来描述的系统的状态。微观态：考虑系统的分子数分布并区分具体的分子来描述的系统的状态。宏观态 分子组合 微观态 分子排列27宏观状态与微观状态的区别及联系：一种组合，一种排列一种组合，四种排列任意一个排列出现的概率相同。28 一种组合，六种排列任意一个排列出现的概率相同。宏观状态与微观状态的区别及联系：29一种组合，一种排列一种组合，四种排列任意一个排列出现的概率相同。宏观状态与微观状态的区别及联系：30(2、2 )态组合有六个排列(1、3)态组合有四个排列(3、1)态组合有四个排列(

8、4、0 )态组合只有一个排列(0、4)态组合只有一个排列宏观状态与微观状态的区别及联系：31 一般的分子系统中有N个分子。某一个组合（ N1 N2 N3 Nn ）对应的排列数目为：即一个宏观态对应的微观态的数目。热力学概率：与任一个宏观态对应的微观态的数目，称为热力学概率，用 示。 玻尔兹曼给出熵与热力学概率的关系： 大表示一个宏观态对应的微观态数目多，系统的混乱度高。 熵是系统无序度的量度。3233熵是系统无序度的量度无序度是系统的一种状态 熵是状态函数2022/7/1234 一切与热现象有关的自然宏观过程都是向熵增加的方向进行。 一切与热现象有关的自然宏观过程都是从有序向无序（或无序向更加

9、无序）的方向进行。比较可知：熵越大，系统的无序性越大“熵是系统无序程度的量度”热力学第二定律的数学表述结论3510-T13 0.5kg、0oC的冰放在质量非常大的20oC的热源中，使冰全部融化成20oC的水，当冰正好融化成水时的熵变、冰从融化到与热源达到热平衡时的熵变。物理过程0.5kg、0oC的冰0.5kg、0oC的水0.5kg、20oC的水冰的熔解热：注意0.5kg、0oC的冰溶解同温度的水是不可逆过程！3610-T13 0.5kg、0oC的冰放在质量非常大的20oC的热源中，使冰全部融化成20oC的水，当冰正好融化成水时的熵变、冰从融化到与热源达到热平衡时的熵变。物理过程0.5kg、0oC的冰0.5kg、0oC的水0.5kg、20oC的水水的比热：370.5kg、0oC的冰0.5kg、0oC的水0.5kg、20oC的水热源热源的熵变：10-T14 上题中冰与