大学物理(上)27热力学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,大学物理电子教案,辽宁工程技术大学物理教研室,1/31/2026,1,小 结,5.2,循环过程,一、循环过程的定义,系统（工作物质）从某一状态出发，经过一系列状态变化过程，又回到初始状态的整个过程。,二、正循环和逆循环,高温热源,T,1,低温热源,T,2,正循环（热机）,热机效率：,逆循环（制冷机）,制冷系数：,1/31/2026,2,三、卡诺循环,卡诺循环,是由,两个等温过程,和,两个绝热过程,组成的循环,1/31/2026,3,热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定律，任何热力学过程都必须满足热力学第一定律，但是满足热力学第一定律的过程能否会自然地发生，这正是热力学第二定律所要回答的问题。热力学第二定律是解决与热现象有关的过程进行方向的定律。,5.3,热力学第二定律,工作物质只,从高温热源吸收热量,，并,全部转变为有用的机械功,，而工作物质本身经历一个循环又回到原来的状态。,A,低温热源,T,2,高温热源,T,1,Q,吸,Q,放,工作,物质,过程能否进行呢,？,1/31/2026,4,如果工作物质不是进行循环过程，而是进行某个单一过程，那么是可以把从单一热源吸取的热量全部转化为功的。,一、热力学第二定律的两种表述,1.,开尔文表述,（,1,）内容,不可能制造出这样的一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量,使之完全转变为有用的功,而其它物体不发生任何变化。,（,2,）注意二点,“,循环动作,”几个字：,“,其它物体不发生任何变化,”这个条件是必不可少的。,/,/,/,/,/,/,/,A,Q,等温膨胀,恒,温,热,源,T,不变,E=0,Q=A,1/31/2026,5,它违背了热力学第二定律的开尔文表述。,（,3,）第二类永动机,从一个热源吸热并将热全部转化为功的热机。,借助于某种循环动作的机器，使热量间接地从低温物体传向高温物体，而外界不发生任何变化，同样是不可能的。,2.,克劳修斯表述,（,1,）内容：,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,（,2,）注意“,自动,”二字,热量直接从低温物体传向高温物体是不可能的。,第二类永动机不可能制成,其原因,A,低温热源,T,2,高温热源,T,1,Q,放,Q,吸,工作,物质,1/31/2026,6,如果能使系统由,B,状态沿相反方向经过与原来完全一样的中间状态回到,A,状态，系统与外界依次复原，则过程,P,（即,AB,）,称为,可逆过程,。,二、可逆过程和不可逆过程,1.,定义,如果不能回到状态,A,，,或虽然能回到状态,A,，,但系统与外界不可能依次复原,，则过程,P,称为,不可逆过程,。,A,B,过程,P,一系统从某一状态,A,经过程,P,，,到达另一状态,B,，,A,低温热源,T,2,高温热源,T,1,Q,吸,Q,放,工作,物质,A,低温热源,T,2,高温热源,T,1,Q,放,Q,吸,工作,物质,(A B),热 传 导,2.,不可逆过程实例,功热转换,1/31/2026,7,3.,热力学第二定律的实质,A B,气体绝热自由膨胀,自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行,三、热力学第二定律的微观意义,1.,实例,（,1,）,功热转换,：,自然过程总是沿着使大量分子的运动从有序状态向无序状态的方向进行。,（,2,）气体的绝热自由膨胀,：,自然过程总是沿着使大量分子的运动向更加无序的方向进行,2.,微观意义：,1/31/2026,8,是指出左边是哪个或哪几个分子，右边是哪个或哪几个分子。,四、热力学第二定律的统计意义,真空,微观状态：,宏观状态,:,是指出左边有几个分子，右边有几个分子。,微观状态,左,右,宏观,状态,宏观状态对应,的微观状态数,无,左4右0,左,3,右,1,左,2,右,2,左,0,右,4,左,1,右,3,热力学概率,对应于微观状态数最多的,宏观状态,就是系统在一定宏观条件下的,平衡态。,1/31/2026,9,在孤立系统中，自然过程总是沿着使系统的热力学概率增大的方向进行。,（,1,）对孤立系统，在一定条件下的,平衡态,对应于,为最大值的宏观态,；,（,2,）如果系统最初所处的宏观状态的微观状态数,不是最大值,，那就是,非平衡态,。系统将随着时间的延续向,增大的宏观状态过度，最后达到,为最大值的宏观平衡状态。,结论：,例如：,（,1,）热 传 递,:,以上可知，一切实际过程都是不可逆的。但对应每一个不可逆过程都有特定的判别标准。,判别方向和限度的标准,温度,（,2,）气体扩散,:,判别方向和限度的标准,密度,能否找到一个共同的标准呢？,能找到！,它就是态函数 熵,1/31/2026,10,五、熵,1.,定义,:,（,1877,）玻尔兹曼：,（,1900,）普朗克写成：,熵的,微观意义：,熵是系统内分子热运动的无序性的一种量度,2.,熵增加原理,在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向进行，它是不可逆的。平衡态对应于熵最大的状态。,适用于孤立系统、自然过程。,3.,克劳修斯熵公式,经过一微小的可逆过程系统熵的增量,dS,等于系统在该过程中吸收的热量,与该时刻系统热力学温度,T,之比。,dQ,1/31/2026,11,几点说明：,（,1,）熵是系统的态函数。,（,2,）用 可计算熵变。,（,3,）上式,A,到,B,过程的积分路径必须是可逆过程。,若是不可逆过程，可按可逆过程计算熵变。,（,4,）可逆绝热过程是等熵过程。,六、卡诺定理,在相同的高温热源与低温热源间工作的一切不可逆热机，不可能高于可逆热机的效率。,在相同的高温热源与低温热源间工作的一切可逆热机，效率都相同，与工作物质无关。,1/31/2026,12,1.,理想气体状态方程：,其中：,单位体积内的粒子数,玻耳兹曼常数,热学单元总结,2.,理想气体压强公式：,其中：,为分子的平均平动动能。,1/31/2026,13,3.,理想气体温度公式：,4.,能量按自由度均分定理：,多原子分子,单原子分子,双原子分子,5.,迈克斯韦速率分布率：,归一化条件,(,曲线下面积,),1/31/2026,14,6.,三种速率：,最可几速率：,平均速率：,方均根速率：,重力场中粒子密度按高度的分布：,7.,波耳兹曼能量分布：,1/31/2026,15,重力场中气体压强按高度的分布：,8.,分子的平均碰撞频率和平均自由程：,9.,理想气体做功：,外界对系统做功。,系统对外界做功；,1/31/2026,16,10.,理想气体的内能：,11.,热力学第一定律：,系统吸热；,系统放热。,12.,等值过程：,等容过程：,1/31/2026,17,等温过程：,等压过程：,绝热过程：,1/31/2026,18,在,P-V,图上是一条闭合曲线。,正循环,（热机循环）：在,P-V,图上顺时针闭合曲线。,逆循环,（制冷循环）：在,P-V,图上逆时针闭合曲线。,13.,循环过程：,卡诺循环：,在,P-V,图上由两条等温线、两条绝热线构成。,卡诺正循环：,卡诺逆循环：,1/31/2026,19,热量不能自动地从低温物体传向高温物体。,14.,热力学第二定律的两种表述：,开尔文表述：,不可能制成一种循环动作的热机，只从一,个热源吸取热量，使之完全变为有用的功，,而其它物体不发生任何变化。,克劳修斯表述：,15.,卡诺定理：,在相同的高温热源与低温热源间工作的一切不可逆热机，不可能高于可逆热机的效率。,在相同的高温热源与低温热源间工作的一切可逆热机，效率都相同，与工作物质无关。,16.,热力学第二定律的统计意义：,在孤立的系统内，一切实际过程都是向着几率增大的方向进行。一切实际过程都是不可逆过程。,1/31/2026,20,=,该宏观状态所对应的微观状态数。,玻耳兹曼熵公式：,S,是系统内分子热运动无序性的量度，是状态量。,17.,熵增加原理：,克劳修斯熵公式：,在孤立的系统中，自然过程总是沿着熵增加的方向进行。是不可逆过程。平衡态对应于熵最大的状态。,1/31/2026,21,