大学物理上27热力学.pptx

2024/9/2 周一1小小 结结5.2 5.2 循环过程循环过程一、循环过程的定义一、循环过程的定义 系统（工作物质）从某一状态系统（工作物质）从某一状态出发，经过一系列状态变化过程，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。又回到初始状态的整个过程。二、正循环和逆循环二、正循环和逆循环高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2正循环（热机）正循环（热机）热机效率：热机效率：逆循环（制冷机）逆循环（制冷机）制冷系数：制冷系数：第1页/共20页2024/9/2 周一2三、卡诺循环三、卡诺循环卡诺循环卡诺循环是由是由两个等温过程两个等温过程和和两个绝热过程两个绝热过程组成的循环组成的循环第2页/共20页2024/9/2 周一3 热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定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，但是满足律，任何热力学过程都必须满足热力学第一定律，但是满足律，任何热力学过程都必须满足热力学第一定律，但是满足律，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。关的过程进行方向的定律。关的过程进行方向的定律。关的过程进行方向的定律。5.3 热力学第二定律热力学第二定律工作物质只工作物质只从高温热源吸收热从高温热源吸收热量量，并，并全部转变为有用的机械全部转变为有用的机械功功，而工作物质本身经历一个，而工作物质本身经历一个循环又回到原来的状态。循环又回到原来的状态。A低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1Q吸吸Q放放工作工作物质物质过程能否进行呢过程能否进行呢？第3页/共20页2024/9/2 周一4 如果工作物质不是进行循环如果工作物质不是进行循环过程，而是进行某个单一过程，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那么是可以把从单一热源吸取的热量全部转化为功的。热量全部转化为功的。一、热力学第二定律的两种表述一、热力学第二定律的两种表述1.开尔文表述开尔文表述（1）内容）内容不可能制造出这样的一种循环动作的热机，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只从单一热源吸取热量,使之完全转变为有使之完全转变为有用的功用的功,而其它物体不发生任何变化。而其它物体不发生任何变化。（2）注意二点）注意二点 “循环动作循环动作”几个字：几个字：“其它物体不发生任何变化其它物体不发生任何变化”这个条件是必不可少的。这个条件是必不可少的。/AQ等温膨胀等温膨胀恒恒温温热热源源T不变不变E=0Q=A第4页/共20页2024/9/2 周一5它违背了热力学第二它违背了热力学第二定律的开尔文表述。定律的开尔文表述。（3）第二类永动机）第二类永动机从一个热源吸热并将热从一个热源吸热并将热全部转化为功的热机。全部转化为功的热机。借助于某种循环动作的机器，使热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。界不发生任何变化，同样是不可能的。2.克劳修斯表述克劳修斯表述（1）内容：）内容：热量不能自动地从低温物体传向高温物体热量不能自动地从低温物体传向高温物体（2）注意）注意“自动自动”二字二字 热量直接从低温物体传向高温物热量直接从低温物体传向高温物体是不可能的。体是不可能的。第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成其原因其原因A低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1Q放放Q吸吸工作工作物质物质第5页/共20页2024/9/2 周一6 如果能使系统由如果能使系统由B状态沿相反方向经过与原状态沿相反方向经过与原来完全一样的中间状态回到来完全一样的中间状态回到A状态，系统与外界状态，系统与外界依次复原，则过程依次复原，则过程P（即（即AB）称为）称为可逆过程可逆过程。二、可逆过程和不可逆过程二、可逆过程和不可逆过程1.定义定义 如果不能回到状态如果不能回到状态A，或虽然能回到状态，或虽然能回到状态A，但系统，但系统与外界不可能依次复原与外界不可能依次复原，则过程，则过程P称为称为不可逆过程不可逆过程。AB过程过程P一系统从某一状态一系统从某一状态A经过程经过程P，到达另一状态，到达另一状态B，A低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1Q吸吸Q放放工作工作物质物质A低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1Q放放Q吸吸工作工作物质物质(A B)热热 传传 导导2.不可逆过程实例不可逆过程实例功功热热转转换换第6页/共20页2024/9/2 周一73.热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质 A B气体气体绝热绝热自由自由膨胀膨胀自然界中一切与热现象有关的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。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三、热力学第二定律的微观意义1.实例实例（1）功热转换功热转换：自然过程总是沿着使大量自然过程总是沿着使大量分子的运动从有序状态向分子的运动从有序状态向无序状态的方向进行。无序状态的方向进行。（2）气体的绝热自由膨胀）气体的绝热自由膨胀：自然过程总是沿着使大量分子的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运动向更加无序的方向进行2.微观意义：微观意义：第7页/共20页2024/9/2 周一8 是指出左边是是指出左边是哪个或哪几个分子，哪个或哪几个分子，右边是哪个或哪几右边是哪个或哪几个分子。个分子。四、热力学第二定律的统计意义四、热力学第二定律的统计意义真空真空微观状态：微观状态：宏观状态宏观状态:是指出左边有是指出左边有几个分子，右边有几个分子，右边有几个分子。几个分子。微观状态微观状态左左右右宏观宏观状态状态宏观状态对应宏观状态对应的微观状态数的微观状态数 无无左左4右右0左左3右右1左左2右右2左左0右右4左左1右右3热力学热力学概率概率 对应于微观状态数最多的对应于微观状态数最多的宏观状态宏观状态就是系统在一定宏观条件下的就是系统在一定宏观条件下的平衡态。平衡态。第8页/共20页2024/9/2 周一9在孤立系统中，自然过程总是沿着使在孤立系统中，自然过程总是沿着使系统的热力学概率增大的方向进行。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）对孤立系统，在一定条件下的平衡态平衡态对应于对应于为最为最大值的宏观态大值的宏观态；（2）如果系统最初所处的宏观状态的微观状态数）如果系统最初所处的宏观状态的微观状态数不是最不是最大值大值，那就是，那就是非平衡态非平衡态。系统将随着时间的延续向。系统将随着时间的延续向增大的宏增大的宏观状态过度，最后达到观状态过度，最后达到为最大值的宏观平衡状态。为最大值的宏观平衡状态。结论：结论：例如：例如：（1）热热 传传 递递:以上可知，一切实际过程都是不可逆的。但以上可知，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。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判别方向和限度的标准温度温度（2）气体扩散）气体扩散:判别方向和限度的标准判别方向和限度的标准密度密度能否找到一个共同的标准呢？能否找到一个共同的标准呢？能找到！能找到！它就是态函数它就是态函数 熵熵第9页/共20页2024/9/2 周一10五、五、熵熵1.定义定义:（1877）玻尔兹曼：）玻尔兹曼：（1900）普朗克写成：）普朗克写成：熵的微观意义：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。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。适用于孤立系统、自然过程。3.克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式 经过一微小的可逆过程系经过一微小的可逆过程系统熵的增量统熵的增量dS 等于系统在等于系统在该过程中吸收的热量该过程中吸收的热量与该时刻系统热力学温度与该时刻系统热力学温度T之比。之比。dQ第10页/共20页2024/9/2 周一11几点说明：几点说明：（1）熵是系统的态函数。）熵是系统的态函数。（2）用用 可计算熵变。可计算熵变。（3）上式上式 A 到到 B 过程的积分路径必须是可逆过程。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。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。）可逆绝热过程是等熵过程。六、六、卡诺定理卡诺定理在相同的高温热源与低温热源间工作的一切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。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。可逆热机，效率都相同，与工作物质无关。第11页/共20页2024/9/2 周一121.理想气体状态方程：理想气体状态方程：其中：其中：单位体积内的粒子数单位体积内的粒子数玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数热学单元总结热学单元总结2.理想气体压强公式：理想气体压强公式：其中：其中：为分子的平均平动动能。为分子的平均平动动能。第12页/共20页2024/9/2 周一133.理想气体温度公式：理想气体温度公式：4.能量按自由度均分定理：能量按自由度均分定理：多原子分子多原子分子 单原子分子单原子分子双原子分子双原子分子5.迈克斯韦速率分布率：迈克斯韦速率分布率：归一化条件归一化条件(曲线下面积曲线下面积)第13页/共20页2024/9/2 周一146.三种速率：三种速率：最可几速率：最可几速率：平均速率：平均速率：方均根速率：方均根速率：重力场中粒子密度按高度的分布：重力场中粒子密度按高度的分布：7.波耳兹曼能量分布：波耳兹曼能量分布：第14页/共20页2024/9/2 周一15重力场中气体压强按高度的分布：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：分子的平均碰撞频率和平均自由程：9.理想气体做功：理想气体做功：外界对系统做功。外界对系统做功。系统对外界做功；系统对外界做功；第15页/共20页2024/9/2 周一1610.理想气体的内能：理想气体的内能：11.热力学第一定律：热力学第一定律：系统吸热；系统吸热；系统放热。系统放热。12.等值过程：等值过程：等容过程：等容过程：第16页/共20页2024/9/2 周一17等温过程：等温过程：等压过程：等压过程：绝热过程：绝热过程：第17页/共20页2024/9/2 周一18在在P-V 图上是一条闭合曲线。图上是一条闭合曲线。正循环正循环（热机循环）：（热机循环）：在在P-V 图上顺时针闭合曲线。图上顺时针闭合曲线。逆循环逆循环（制冷循环）：（制冷循环）：在在P-V 图上逆时针闭合曲线。图上逆时针闭合曲线。13.循环过程：循环过程：卡诺循环：卡诺循环：在在P-V 图上由两条等温线、两条绝热线构成。图上由两条等温线、两条绝热线构成。卡诺正循环：卡诺正循环：卡诺逆循环：卡诺逆循环：第18页/共20页2024/9/2 周一19热量不能自动地从低温物体传向高温物体。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：热力学第二定律的两种表述：开尔文表述：开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，只从一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，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。而其它物体不发生任何变化。克劳修斯表述：克劳修斯表述：15.卡诺定理：卡诺定理：在相同的高温热源与低温热源间工作的一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。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。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：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。方向进行。一切实际过程都是不可逆过程。第19页/共20页2024/9/2 周一20 =该宏观状态所对应的微观状态数。该宏观状态所对应的微观状态数。玻耳兹曼熵公式：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。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：熵增加原理：克劳修斯熵公式：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。行。是不可逆过程。平衡态对应于熵最大的状态。第20页/共20页