热力学基本定律

第六章热力学根本定律1．热力学第一定律及其应用2．卡诺循环热机效率3．热力学第二定律本章要点物理教研室陈亮6.1热力学第一定律几个根本概念〔热力学〕系统：热力学研究对象环境〔外界〕：系统以外的局部状态：系统热力学性质的集合状态参量：描述系统状态的物理量平衡态〔热平衡〕：系统宏观性质不随时间变化〔热力学〕过程：系统从一个状态变化到另一状态的经历准静态〔平衡〕过程：过程中的每一状态都无限接近平衡态〔例：观察太阳运动〕物理教研室陈亮PdlS功、热量和内能的计算系统对环境做功系统对环境做功系统对环境做负功或环境对系统做功P1V1P2V2P0VA过程量!物理教研室陈亮C:摩尔热容(与过程有关〕系统从环境吸热系统向环境放热系统从环境吸热内能的增量对理想气体过程量!状态量!物理教研室陈亮热力学第一定律微分形式第一类永动机不可能实现!物理教研室陈亮6.2热力学第一定律对理想气体的应用等容过程特征：定容摩尔热容对任意一个过程，物理教研室陈亮12等压过程特征：定压摩尔热容物理教研室陈亮12等温过程特征：物理教研室陈亮12绝热过程特征：两边微分得：

两式联立，消去得：物理教研室陈亮气体摩尔热容比〔比热比〕绝热过程方程物理教研室陈亮理想气体各等值过程的重要公式过程特征过程方程吸收热量对外做功内能增量等体V=C0等压P=C等温T=C0绝热Q=00物理教研室陈亮例1：一压强为1.0×105Pa，体积为1.0×10-3m3的氧气自0℃加热到100℃。问：〔1〕当压强不变时，需要多少热量？当体积不变时，需要多少热量？〔2〕在等压或等容过程中各作了多少功？解：根据题目所给条件得物理教研室陈亮

体积不变时(2)压强不变时体积不变时(1)压强不变时物理教研室陈亮6.3卡诺循环热机效率

热力学循环

循环过程：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的整个过程。可逆循环：经历准静态过程VP正循环逆循环A热机：顺时针、正循环、系统吸热对外做正功。制冷机：逆时针、逆循环、外界对系统做功，系统降温。物理教研室陈亮

卡诺循环AABCDQ1Q2A高温热源T1低温热源T2工质由两个等温过程和两个绝热过程组成。物理教研室陈亮AB：等温膨胀、吸热BC：绝热膨胀CD：

等温压缩、放热DA：绝热压缩热机效率物理教研室陈亮对卡诺热机致冷系数热量不可能全部转化为功！实物理教研室陈亮等温吸热例2：习题6-13解：设对等压过程bc，有：等压放热等容吸热物理教研室陈亮整个循环过程总吸热量和总放热量为：物理教研室陈亮例3：一卡诺热机当热源温度为100℃，冷却器温度为0℃时，所作净功为800J。现要维持冷却器的温度不变，并提高热源的温度使净功增为1.60×103J，求：〔1〕热源的温度提高到多少？〔2〕效率增大到多少？〔假定系统放出热量不变〕解：由热机效率定义和卡诺热机效率及解出、、物理教研室陈亮由公式解得：物理教研室陈亮6.4热力学第二定律并非所有能量守恒的过程都能实现！开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之全部变为有用的功而不产生其它影响。克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体而不产生其它影响。第二类永动机：从单一热源吸热并对外做功而不产生其它变化。热传导的不可逆性功热转换的不可逆性不可能实现！物理教研室陈亮可逆过程

:如果逆过程能重复正过程的每一状态,回到原来的状态而不引起任何其它变化。不可逆过程：如果逆过程不能重复正过程的每一状态回到原来的状态，或者虽能重复但必然会引起其它变化。物理教研室陈亮自然界一切自发的过程都是不可逆的！热力学第二定律的统计意义:理想气体绝热自由膨胀4个分子全部退回左边的概率是N个分子全部退回左边的概率是热力学第二定律的实质:在一个不受外界影响的孤立系统中发生的一切实际过程，都是从概率小〔微观态数少〕的宏观状态向概率大〔微观态数多〕的宏观状态进行。物理教研室陈亮6.5熵任意一个可逆循环可视为由无穷多个卡诺循环所组成。对任一微小卡诺循环：∴对任一可逆循环过程：物理教研室陈亮**ABCDE对可逆过程可见，积分与过程无关，只与始末状态有关，说明系统确实存在一个状态函数，定义该状态函数S为：“熵〞物理教研室陈亮热力学第二定律亦可表述为：自然界中一切自发过程总是向着熵增加的方向进行。

孤立系统不可逆过程孤立系统可逆过程熵增加原理：

孤立系统的熵永不会减少:△S≥0

。熵变的计算当始末两平衡态确定后，系统的熵变也是确定的,与过程无关。因此,可在两平衡态之间假设任一可逆过程计算熵变。物理教研室陈亮

热力学第一定律吸热、做功、内能增量的计算在各等值过程中的应用

卡诺循环热机效率

热机效率的计算

热力学第二定律

表述、实质及统计意义

熵熵的计算、熵增加原理本章小结

物理教研室陈亮6-11、6-12

作业物理教研室陈亮在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如下图：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。仔细分析一下就会发生，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。