大学物理(少学时)-第4版教学课件第06章-热力学基础02

1第六章热力学基础6.1热力学过程6.2热力学第一定律及其应用6.3循环过程6.4热力学第二定律6.5熵熵增加原理6.6能斯特定理与负温度

2§6.3循环过程一、循环过程

系统由一状态出发，经过一系列中间过程又回到原来状态的过程，叫做循环过程，简称循环。由热力学第一定律净功特征AB总吸热总放热（取绝对值）***本节运算中，放热的结果均取其绝对值。3（A代数和）（Q代数和）（A代数和）（Q代数和）Q吸正循环A>0pV0Q放逆循环A<0pV0

循环过程的分类——正循环和逆循环热机工作过程制冷机工作过程正循环：顺时针方向进行逆循环：逆时针方向进行4

热机发展简介：1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低。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。各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机

热机——能够不断地把热能转变为机械能的装置。

工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质。5热机二、热机的循环效率热机效率高温热源低温热源热机（正循环）AB6致冷机致冷系数致冷机（逆循环）AB

致冷机的致冷系数致冷机高温热源低温热源7

例1

1mol

氦气经过如图所示的循环过程，其中,。求各过程吸收的热量及该循环的效率。解：1423由理想气体状态方程得814239

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的循环过程。三、卡诺循环及其效率

高温热源卡诺热机低温热源AABCD1824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。10

理想气体卡诺循环热机的效率

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A—B等温膨胀吸热WABCDC—D

等温压缩放热11AABCD由循环效率公式，有

D—A

绝热膨胀过程:B—C

绝热膨胀过程:

(A)式除以(B)式，有则卡诺热机效率为：——卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高。

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图中两卡诺循环吗？讨论13第六章热力学基础6.1热力学过程6.2热力学第一定律及其应用6.3循环过程6.4热力学第二定律6.5熵熵增加原理6.6能斯特定理与负温度

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功热可以自然地进行(如焦耳实验)

热功

能否自然地进行？（如焦耳实验的逆过程）功热转换：功可以全部转换为热，而热不可能全部转换为功。热传导：热量可以自动从高温热源传到低温热源，但是热量却不能自动地从低温热源传到高温热源。§6.4

热力学第二定律——主要讨论热力学过程自动进行的方向问题。一.热力学过程的方向性15

“一切与热现象有关的自然过程都是不可逆的，都存在一定的方向性------------→存在着时间箭头”生命过程就是不可逆的:

出生“今天的你我

怎能重复

昨天的故事!”童年少年青年中年老年……气体可以绝热自由膨胀，但是气体却不能绝热自由收缩。16二、热力学第二定律（1）开尔文表述——

不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其它影响。（2）克劳修斯表述——

热量不可能自动从低温热源传到高温热源而不产生其它影响。两种表述——

克劳修斯（clausius，1850）开尔文（Kelvin，1851）17

两种表述的等效性Q1-Q2T1Q2Q1W=Q1-Q2Q2Q2T2T1Q2Q1Q1+Q2W=Q1Q2T2否定克劳修斯表述必然否定开尔文表述否定开尔文表述必然否定克劳修斯表述自然的宏观过程的不可逆性是相互依存的.18热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒热力学第二定律说明并非所有能量守恒过程均能实现非自发传热自发传热高温物体低温物体

热传导

热功转换完全功不完全热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无序有序自发19热力学第二定律的微观本质

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

热力学第二定律是一条统计规律，描述了一切不可逆过程进行的方向性。201.可逆过程

一个过程，使系统从状态A变为状态B，若存在另一过程，它不仅使系统进行反向变化，从状态B回复到状态A，而且当系统回复到状态A时，周围一切也都恢复原状，则状态A进行到状态B的过程为可逆过程。可逆过程形成条件：准静态过程+无摩擦2.不可逆过程

对于某一过程，不论经过怎样复杂曲折的方法都不能使系统和外界都复原，则此过程就是不可逆过程。

实际的热力学过程都是不可逆的，自发过程具有确定的方向性。三、可逆与不可逆过程21四、卡诺定理（1）工作在两个恒温热源之间的一切热机，以可逆热机（即卡诺热机）的效率最高。热机的效率只与温度有关，与工作物质无关。（2）工作在两个恒温热源之间的不可逆热机的效率不大于可逆热机的效率。提高高温热源的温度现实些。（1）理论指导作用讨论：（3）热机循环不向低温热源放热是不可能的，热机循环至少需要两个热源。（2）理论说明低温热源温度T20，说明热机效率。22例2某热机循环从高温热源获得热量QH，并把热量QL排给低温热源。设高温热源的温度为TH=2000K，低温热源的温度为TL=300K，试确定在下列条件下热机是可逆，不可逆或不可能的。

(1)QH=1000J，900J；(2)QH=2000J，QL=300J；

(3)A=1500J，QL=500J。解：(1)不可能(2)可逆(3)不可逆23第六章热力学基础6.1热力学过程6.2热力学第一定律及其应用6.3循环过程6.4热力学第二定律6.5熵熵增加原理6.6能斯特定理与负温度

24（中间隔板打开）AB可以看出：各宏观态中平衡态出现的概率最大。（其微观状态数最多）热力学第二定律的微观意义：自发过程总是向微观状态数大的方向进行。ABabcdabcdabdcacdbbcdaabcdacbdbcadabcdacbcbdadabcabdacdbcddcbaabcd14641可能出现多种宏观状态§6.5

熵与熵增加原理

热力学概率W：任一宏观状态所对应的微观状态数。251.克劳修斯熵（热力学熵）对于可逆卡诺循环所以对任一可逆循环，可以看作由无数个很小的卡诺循环组成。则有即（R1)(R2)——只与初末状态有关，而与过程无关。引入态函数熵S：pV0ABR1R2(可逆）（可逆）一.熵的定义262.玻尔兹曼熵（统计熵）公式

一个宏观热力学系统，其微观状态的热力学概率为W引入系统状态函数——熵S：——熵是热力学系统混乱程度大小的量度。玻耳兹曼

若一个大系统的两个子系统的微观状态的热力学概率分别为W1和W2，熵分别为S1和S2。则大系统的概率为：27二.熵增加原理对于孤立系统的自发过程，有：——热力学第二定律数学表达式

孤立系自发过程的方向总是沿微观概率增加的方向进行，也就是沿着熵增加的方向进行。利用态函数熵的变化，可以判断自发过程的方向。自然界中一切宏观自发过程都是不可逆的，因而SB-SA>0，即SB>SA

，末态熵大，说明过程向熵增大方向自动进行。

热力学第二定律表明：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。28对于孤立系统、可逆过程：对于孤立系统、一切过程：对于孤立系统、自发过程：——熵增加原理由玻尔兹曼熵公式（统计熵）克劳修斯熵公式（热力学熵）29三.熵变计算对不可逆过程的熵变——

可以在初末态之间设计一个可逆过程，利用熵为态函数，与过程无关，通过计算可逆过程熵变得到不可逆过程的熵变。玻尔兹曼熵（统计熵）适用于平衡态和非平衡态；克劳修斯熵（热力学熵）只适用于平衡态；克劳修斯熵（热力学熵）是玻尔兹曼熵（统计熵）的最大值。熵变计算一般采用克劳修斯熵（热力学熵）：（仅适于可逆过程）30p0V0V0例2求气体绝热自由膨胀过程的熵变（体积由V0变为2V0）解：设计一个可逆过程等温膨胀等温膨胀内能不变对外做功吸热Q>0两过程初末状态相同（绝热不做功、内能不变、温度不变）31第六章热力学基础6.1热力学过程6.2热力学第一定律及其应用6.3循环过程6.4热力学第二定律6.5熵熵增加原理6.6能斯特定理与负温度