大学物理概要.pptx

R0110燃气轮机模型燃气轮机模型第第8章章 热力学热力学8.1热学的研究对象和研究方法热学的研究对象和研究方法8.2平衡态平衡态理想气体状态方程理想气体状态方程8.3功功热量热量内能内能热力学第一定律热力学第一定律8.4准静态过程中功和热量的计算准静态过程中功和热量的计算8.5理想气体的内能和理想气体的内能和CV、Cp第第8章章 热力学热力学8.6热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体在典型准静态过程中的应用在典型准静态过程中的应用8.7绝热过程绝热过程8.8循环过程循环过程8.9热力学第二定律热力学第二定律8.10可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程8.11卡诺循环卡诺循环卡诺定理卡诺定理第第8章章 热力学热力学一、热学的研究对象一、热学的研究对象8.1热学的研究对象和研究方法热学的研究对象和研究方法热现象：热现象：与温度有关的物理性质的现象。与温度有关的物理性质的现象。热学是研究与热现象有关的规律的科学。热学是研究与热现象有关的规律的科学。热现象是组成物质的分子热运动的结果。热现象是组成物质的分子热运动的结果。热现象是组成物质的大量分子无规则运热现象是组成物质的大量分子无规则运动的集中表现。动的集中表现。二、热学的研究方法二、热学的研究方法大量粒子的运动遵循统计规律性。大量粒子的运动遵循统计规律性。二者关系二者关系统计平均方法力学规律统计平均方法力学规律总结归纳，逻辑推理总结归纳，逻辑推理方方 法法微观粒子微观粒子观察和实验观察和实验出出 发发 点点微观量微观量(质量、动量质量、动量)宏观量（温度、压强宏观量（温度、压强)物物 理理 量量统计物理学统计物理学微观理论微观理论热力学热力学热现象热现象研研 究究宏观理论宏观理论相互补充、渗透相互补充、渗透一、气体的状态参量一、气体的状态参量1.体积体积V宏观上，宏观上，气体所能达到的空间。气体所能达到的空间。微观上，微观上，体积是由于分子作无规热运动所能体积是由于分子作无规热运动所能达到的空间。达到的空间。单位：单位：m3或或L;1L=10-3m3一般指存储气体的容器的容积。一般指存储气体的容器的容积。8.2平衡态平衡态理想气体状态方程理想气体状态方程2.压强压强p宏观上，宏观上，气体作用于容器器壁单位面积的正气体作用于容器器壁单位面积的正压力压力,即即p=F/S。微观上，微观上，大量分子作无规热运动，对器壁的大量分子作无规热运动，对器壁的撞击力。撞击力。单位：单位：Pa（帕斯卡）（帕斯卡）1Pa=1Nm-21标准大气压标准大气压=1.013105Pa3.温度温度T宏观上，宏观上，物体的冷热程度。物体的冷热程度。微观上，微观上，大量分子作热运动的剧烈程度。大量分子作热运动的剧烈程度。单位：单位：K（开尔文）（开尔文）绝对温标（热力学温标）：绝对温标（热力学温标）：TT与摄氏温标与摄氏温标t 的关系：的关系：t=T-273.15二、平衡态二、平衡态平衡过程平衡过程平衡态平衡态在没有外界影响的情况下，系在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。的状态。(1)不受外界影响是指系统与外界没有不受外界影响是指系统与外界没有能量能量和和质量质量交换。交换。(2)平衡态气体的状态可用一组确定的值平衡态气体的状态可用一组确定的值(p,V,T)表示。表示。说明说明(3)宏观上，宏观上，气体的气体的p、V、T都不随时间变化，都不随时间变化，微观上，微观上，气体分子仍作热运动。气体分子仍作热运动。所以平衡态是所以平衡态是动态平衡动态平衡。p V 图上表示平衡态。图上表示平衡态。VpA(p1V1 T1)B(p2 V2 T2)三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程1.一定质量气体的一定质量气体的状态方程状态方程一定量的气体，三个物态量之间有一一定量的气体，三个物态量之间有一定的关系。当其中一个变化时，其他两个定的关系。当其中一个变化时，其他两个量也会随之发生变化。也就是说，其中一量也会随之发生变化。也就是说，其中一个量是其他两个量的函数。个量是其他两个量的函数。T=f(p,V)气体的状态方程。气体的状态方程。2.理想气体的状态方程理想气体的状态方程 m 气体的质量；气体的质量；M 气体的摩尔质量；气体的摩尔质量；气体的摩尔数；气体的摩尔数；R摩尔气体常量。摩尔气体常量。克拉珀龙方程克拉珀龙方程3.理想气体理想气体在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体。的气体。一、功一、功热量热量内能内能8.3功功热量热量内能内能热力学第一定律热力学第一定律1.功功（A）功是能量传递和转换的量度功是能量传递和转换的量度,它引起系统它引起系统热运动状态的变化。热运动状态的变化。机械运动能量机械运动能量热运动能量热运动能量（过程量）（过程量）2.传热传热（Q）系统与外界存在温差发生的能量传递。系统与外界存在温差发生的能量传递。热运动能量热运动能量热运动能量热运动能量（过程量）（过程量）（1）做功和热传递是改变系统内能的做功和热传递是改变系统内能的两种方式。两种方式。3.内能内能（E）气体内能：分子动能气体内能：分子动能+分子间势能分子间势能在热力学系统中存在一种仅有其热运动状在热力学系统中存在一种仅有其热运动状态单值决定的能量，它的改变可以用绝热过程态单值决定的能量，它的改变可以用绝热过程中外界对系统所做的功来量度，这种能量称为中外界对系统所做的功来量度，这种能量称为系统的内能。系统的内能。（状态量）（状态量）（2）做功和热传递在改变系统内能上是等做功和热传递在改变系统内能上是等效的。效的。说明说明系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热量Q，一部分使其内，一部分使其内能增加能增加E，另一部分则用以对外界做功，另一部分则用以对外界做功A。二、热力学第一定律二、热力学第一定律对于无限小的状态变化过程对于无限小的状态变化过程，可表示为，可表示为第一类永动机是不可能制成的。第一类永动机是不可能制成的。说明说明（1）系统对外做功：）系统对外做功：A0；外界对系统做功：外界对系统做功：A0；系统放热系统放热：Q1，故绝热线的斜率小于等温线的斜率。，故绝热线的斜率小于等温线的斜率。绝热线比等温线陡。绝热线比等温线陡。等温过程等温过程曲线曲线在在A点点的斜率的斜率BCA等温线等温线绝热线绝热线气体从交点气体从交点A 的状态的状态膨胀同样的体积膨胀同样的体积dV 时，时，等温过程等温过程压强的降低是由于体积膨胀而引起。压强的降低是由于体积膨胀而引起。绝热过程绝热过程压强的降低量是由于体积的膨胀和压强的降低量是由于体积的膨胀和气体温度的降低共同引起的。气体温度的降低共同引起的。BCA等温线等温线绝热线绝热线例例1狄塞尔内燃机汽缸中的空气在压缩前温度狄塞尔内燃机汽缸中的空气在压缩前温度为为320K，压强为，压强为1.013105Pa。假定空气突然。假定空气突然被压缩到原来体积的被压缩到原来体积的1/16.9，试求压缩终了时试求压缩终了时气缸内空气的温度和压强气缸内空气的温度和压强。解解把空气看成理想气体，把空气看成理想气体，已知初状态的温度已知初状态的温度T1=320K，压强压强p1=1.013105Pa。由于压缩很快，。由于压缩很快，可看成绝热过程，则由式可看成绝热过程，则由式可得到终可得到终了状态的温度为了状态的温度为终了时的压强为终了时的压强为CV=20.8J/(molK)，Cp=29.09J/(molK)摩尔质量摩尔质量M=2910-3Kgmol。试求试求各过程中气体所做的功各过程中气体所做的功及从外界吸收的热量。及从外界吸收的热量。例例2一热机用一热机用5.810-3Kg的空气作为工质，从初的空气作为工质，从初态态1（p1=1.013105pa,T1=300K）等体加热到状）等体加热到状态态2（T2=900K），再经绝热膨胀到状态），再经绝热膨胀到状态3（p3=p1），最后经等压过程又回到），最后经等压过程又回到1，如图。，如图。假定空气可视为理想气体，且假定空气可视为理想气体，且=1.4，31pVOp2p1V1V32解解设设1、2、3三个状态的参量分别为三个状态的参量分别为（p1,V1,T1）、（）、（p2,V2,T2）、（）、（p3,V3,T3）31pVOp2p1V1V3212等体过程等体过程Q1231pVOp2p1V1V3223绝热过程绝热过程Q1231pVOp2p1V1V3231等压过程等压过程Q31Q1231pVOp2p1V1V32例例3测定空气比热容比测定空气比热容比=Cp/CV的实验装置如图的实验装置如图所示。先关闭活塞所示。先关闭活塞B，将空气由活塞，将空气由活塞A压入大瓶压入大瓶C中，并使瓶中气体的初温与室温相同，初压中，并使瓶中气体的初温与室温相同，初压p1略高于大气压略高于大气压p0；关闭活塞；关闭活塞A，然后打开活塞，然后打开活塞B，使气体迅速膨胀且压强降为，使气体迅速膨胀且压强降为p0，温度降为，温度降为T，关闭关闭B后，瓶内气体温度又上升为后，瓶内气体温度又上升为T0，压强上升，压强上升为为p2。打开。打开B后的状态变化过程如图所示。后的状态变化过程如图所示。试证明空气的试证明空气的可以从下是算出可以从下是算出选留在瓶内的气体为研究对象选留在瓶内的气体为研究对象,视为理想气体。视为理想气体。pVT0p1p2p0V1V2O解解开始时瓶中气体的压强开始时瓶中气体的压强p1略高于大气压略高于大气压p0，故打开活塞故打开活塞B到迅速关闭这一短时间内，已有一到迅速关闭这一短时间内，已有一部分气体冲出瓶外。部分气体冲出瓶外。等体吸热过程：等体吸热过程：状态状态(p2,V,T0)B打开前：所研究气打开前：所研究气体的体积为体的体积为V1,只是容器只是容器体积体积V的一部分，所处状的一部分，所处状态态为为(p1,V1,T0)pVT0p1p2p0V1V2O B打开后：打开后：所研究气所研究气体的体积由体的体积由V1膨胀到膨胀到V，处于状态处于状态(p0,V,T)。然后。然后关闭关闭B。该过程为。该过程为绝热过绝热过程程。绝热过程：绝热过程：等体过程：等体过程：由上两式得由上两式得两边去对数，得两边去对数，得pVT0p1p2p0V1V2O一、循环过程一、循环过程物质系统的状态经过一系列变化后，又回物质系统的状态经过一系列变化后，又回到原来状态的过程叫热力学循环过程。到原来状态的过程叫热力学循环过程。2.热力学第一定律热力学第一定律1.特征特征AB8.8循环过程循环过程Q1Q23.净功净功(面积面积)Q2总放热总放热（取绝对值）（取绝对值）Q1总吸热总吸热沿顺时针方向进行的循环。沿顺时针方向进行的循环。二二.热机和制冷机热机和制冷机正循环正循环逆循环逆循环沿逆时针方向进行的循环。沿逆时针方向进行的循环。工质从高温热源吸收热量，一部分用于对工质从高温热源吸收热量，一部分用于对外做工，一部分向低温热源释放热量。外做工，一部分向低温热源释放热量。(1)热机热机(如蒸汽机、内燃机如蒸汽机、内燃机)(2)制冷机制冷机外界对工质作功，工质从低温热源外界对工质作功，工质从低温热源吸热，向高温热源放热。吸热，向高温热源放热。（如（如冰箱、制冷式空调）冰箱、制冷式空调）(正循环正循环)(逆循环逆循环)三、循环效率三、循环效率1.热机热机效率效率工质循环一次从高温热源吸热工质循环一次从高温热源吸热Q1，对外作，对外作净功净功A，又向低温热源放出热量，又向低温热源放出热量Q2。热机热机效率效率Q1=Q2+A1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低。蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低。1765年瓦特年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率。人们一直进行了重大改进，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，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。另一方面也推动了热学理论的发展。各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机热机发展简介热机发展简介2.制冷系数制冷系数Q1=Q2+A 制冷系数制冷系数外界对工质作功外界对工质作功A，工质从低温热源吸热，工质从低温热源吸热Q2，向高温热源放热，向高温热源放热Q1。例例13.210-2kg氧气作氧气作ABCD循环过程。循环过程。AB和和CD都为等温过程，设都为等温过程，设T1=300K，T2=200K，V2=2V1。求循环效率。求循环效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1Vp解解吸热吸热放热放热吸热吸热放热放热DABCT1=300KT2=200KV2V1Vp例例2计算奥托机的循环效率。计算奥托机的循环效率。cd,eb为为等体过程；等体过程；bc，de为绝热过程。为绝热过程。解解 吸热吸热放热放热V0VpVacdebO V0VpVacdebO 例例3计算逆向斯特林循环的制冷系数。该循环由计算逆向斯特林循环的制冷系数。该循环由四个过程组成，先把工质由初状态四个过程组成，先把工质由初状态（V1，T1）等温压缩到状态等温压缩到状态（V2，T1），再等体降温到），再等体降温到状态状态（V2，T2），），然后经等温膨胀到达状态然后经等温膨胀到达状态（V1，T2）,最后经等最后经等体升温到初始状态体升温到初始状态。V0VpVO 解解工质在工质在中中,吸热吸热V0VpVO 在在中中,放热放热循环过程中，外界循环过程中，外界对工质做的功为对工质做的功为循环的制冷系数循环的制冷系数一、热力学第二定律一、热力学第二定律8.9热力学第二定律热力学第二定律热力学第一定律给出了能量在相互转热力学第一定律给出了能量在相互转化过程中遵循的规律，但并未限定过程进化过程中遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。行的方向。观察与实验表明，自然界中一切与热观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，是有现象有关的宏观过程都是不可逆的，是有方向性的。方向性的。水只能自发地由高处向低处流，相反的过水只能自发地由高处向低处流，相反的过程不能自动地发生。程不能自动地发生。热量只能自发地由高温处向低温处传递，热量只能自发地由高温处向低温处传递，相反的过程不能自动地发生。相反的过程不能自动地发生。气体只能自发地由高压处向低压处流动，气体只能自发地由高压处向低压处流动，相反的过程不能自动地发生。相反的过程不能自动地发生。摩擦生热的过程是不可能朝相反的方向进摩擦生热的过程是不可能朝相反的方向进行的。行的。以上问题的解释需要一个以上问题的解释需要一个新的自然规律。新的自然规律。孤立系统从非平衡态向平衡态过渡是自发孤立系统从非平衡态向平衡态过渡是自发过程，与此相反的过程是不可逆的，除非有外过程，与此相反的过程是不可逆的，除非有外界的帮助。界的帮助。1.开尔文表述开尔文表述不可能制作一种循环动作热机，只从单一不可能制作一种循环动作热机，只从单一热源吸收热量，使其完全变为有用功，而不引热源吸收热量，使其完全变为有用功，而不引起其他变化。起其他变化。热力学第二定律是一条经验定律，有许多热力学第二定律是一条经验定律，有许多表述方法。最早提出并作为标准表述的是表述方法。最早提出并作为标准表述的是1850年的克劳修斯表述和年的克劳修斯表述和1851年的开尔文表述。年的开尔文表述。这种热机，也叫第二类永动机。（这种热机，也叫第二类永动机。（Q吸=A）要点：要点：循环动作；单一热源；不引起其他变化。循环动作；单一热源；不引起其他变化。第二类永动机不可能实现。第二类永动机不可能实现。开尔文表述同一说法。开尔文表述同一说法。(1)循环循环动作的热机，动作的热机，不是说单一过程。不是说单一过程。如单一的等温膨胀过程，只从外界吸热而对如单一的等温膨胀过程，只从外界吸热而对外作功，可以实现，外作功，可以实现，不是循环过程。不是循环过程。(2)单一热源，单一热源，指热源是唯一的恒温热源。指热源是唯一的恒温热源。如果热源中有不同的温度，就不是单一热源。如果热源中有不同的温度，就不是单一热源。如利用海水发电，海洋中海水表面温度与海底如利用海水发电，海洋中海水表面温度与海底温度不一致，上高下低，可以实现，不违背温度不一致，上高下低，可以实现，不违背热热力学第二定律。力学第二定律。讨论讨论(3)不引起其他变化不引起其他变化，高温热源对外作功高温热源对外作功以外的所有物体都是其他物体以外的所有物体都是其他物体,如低温热源如低温热源,周围环境等。周围环境等。等温膨胀过程是从单一等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放热源吸热作功，而不放出热量给其它物体，但出热量给其它物体，但它非循环过程。它非循环过程。12AAABCD卡诺循环是循环过程但卡诺循环是循环过程但需两个热源，且使外界需两个热源，且使外界发生变化。发生变化。(4)说明了说明了 是不可能的。是不可能的。讨论讨论(1)自动自动是指非人为的。如制冷机，外界是指非人为的。如制冷机，外界作功使系统从低温热源吸热，传递给高温热作功使系统从低温热源吸热，传递给高温热源，是人为的，且使环境发生变化。源，是人为的，且使环境发生变化。(2)不引起外界的变化不引起外界的变化指外界作功，因为指外界作功，因为外界作功可引起外界的变化。外界作功可引起外界的变化。2.克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自动地自动地传到高传到高温物体而温物体而不引起外界的变化不引起外界的变化。要点：要点：自动地，不引起外界的变化。自动地，不引起外界的变化。(1)热力学第二定律是大量实验和经验的总热力学第二定律是大量实验和经验的总结结，是不可违背的自然规律。，是不可违背的自然规律。(2)用反证法可以证明用反证法可以证明两种表述等效，违背两种表述等效，违背了一种表述，必违背另一种。了一种表述，必违背另一种。说明说明(3)热力学第二定律可有多种表述，每一种热力学第二定律可有多种表述，每一种表述都反映了自然界过程进行的方向性。表述都反映了自然界过程进行的方向性。(4)开尔文表述的实质是：开尔文表述的实质是：功可以全部转变功可以全部转变为热，而热不能无条件地全部转换为功。为热，而热不能无条件地全部转换为功。(6)两种表述的等价性，说明与热运动有关两种表述的等价性，说明与热运动有关的不可逆性其本质相同，相互关联。的不可逆性其本质相同，相互关联。(5)说明两种本质不同的能量形式之间的转说明两种本质不同的能量形式之间的转换具有换具有方向性或不可逆性方向性或不可逆性。第二定律指出了自然界所发生的自发物理第二定律指出了自然界所发生的自发物理过程是有一定方向的。过程是有一定方向的。第一定律说明在任何物理过程中能量必须第一定律说明在任何物理过程中能量必须守恒。第二定律则说明，满足能量守恒的过程守恒。第二定律则说明，满足能量守恒的过程不一定能实现。不一定能实现。(7)第二与第一定律彼此独立又互相补充：第二与第一定律彼此独立又互相补充：一切与热现象有关的实际宏观过程都是一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。不可逆的。(1)实际中摩擦不可消除，存在耗散效应；实际中摩擦不可消除，存在耗散效应；(2)真正的准静态过程不存在。真正的准静态过程不存在。二、热力学第二定律的实质二、热力学第二定律的实质 例例“理想气体和单一热源接触作等温膨胀时理想气体和单一热源接触作等温膨胀时,吸收的热量全部用来对外做功。吸收的热量全部用来对外做功。”(A)不违反第一定律，但违反第二定律。不违反第一定律，但违反第二定律。(B)不违反第二定律，但违反第一定律。不违反第二定律，但违反第一定律。(C)不违反第一定律，也不违反第二定律。不违反第一定律，也不违反第二定律。(D)违反第一定律，违反第一定律，也违反第二定律。也违反第二定律。答答(C)8.10可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程自然界中一切与热现象有关的过程都涉及自然界中一切与热现象有关的过程都涉及热功转换或热传导，涉及到由平衡态向非平衡热功转换或热传导，涉及到由平衡态向非平衡态的转化，那么热与功间的转换是否可逆呢？态的转化，那么热与功间的转换是否可逆呢？一个系统由某一状态一个系统由某一状态出发，经历某一过程达另出发，经历某一过程达另一状态，如果存在另一过一状态，如果存在另一过程，它程，它能消除原过程对外能消除原过程对外界的界的一切一切影响而使系统和影响而使系统和外界同时都能回到原来的外界同时都能回到原来的状态，状态，这样的过程就是这样的过程就是可可逆过程。逆过程。abab理想的可逆过程理想的可逆过程(1)过程要无限缓慢的进行，即准静态过程。过程要无限缓慢的进行，即准静态过程。(2)没有摩擦，粘滞等耗散力作功，能量耗散没有摩擦，粘滞等耗散力作功，能量耗散效应可略去不计。效应可略去不计。在不引起其他变化的条件下，不能使逆在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不不可逆过程。可逆过程。这两个条件缺一不可，否则为不可逆过程。这两个条件缺一不可，否则为不可逆过程。如，理想单摆。如，理想单摆。说明说明(1)可逆过程是一种理想的极限，只能接可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。因为实际过程都是以近，绝不能真正达到。因为实际过程都是以有限的速度进行，且包含摩擦、粘滞、电阻有限的速度进行，且包含摩擦、粘滞、电阻等耗散因素，是不可逆的。等耗散因素，是不可逆的。(2)经验和事实表明，自然界中真实存在经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。的。(3)有些不可逆过程可以逆向进行，但当有些不可逆过程可以逆向进行，但当逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。将原来正过程的痕迹完全消除。例如：两个存在一定温差的物体相互接触；例如：两个存在一定温差的物体相互接触；单摆在空气中的摆动；单摆在空气中的摆动；两种不同气体放在一个容器里能自发两种不同气体放在一个容器里能自发地混合。地混合。原因有原因有(1)系统内部出现非平衡因素：系统内部出现非平衡因素：有限的压强差、密度差、温度差等；有限的压强差、密度差、温度差等；实际的热力学过程是不可逆的实际的热力学过程是不可逆的(2)存在耗散效应：如摩擦、粘滞性、非弹性、存在耗散效应：如摩擦、粘滞性、非弹性、电阻等；电阻等；(3)自然界的一切自发过程及非准静态过程。自然界的一切自发过程及非准静态过程。非自发传热非自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体热传导热传导热功转换热功转换完全完全功功不完全不完全热热自然界一切与热现象有关的实际宏观过自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，例如程都是不可逆的，例如无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发例例关于可逆过程和不可逆过程的判断：关于可逆过程和不可逆过程的判断：(1)可逆热力学过程一定是准静态过程。可逆热力学过程一定是准静态过程。(2)准静态过程一定是可逆过程。准静态过程一定是可逆过程。(3)不可逆过程就是不能向相反方向进行的不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程。过程。(4)凡有摩擦的过程，一定是不可逆过程。凡有摩擦的过程，一定是不可逆过程。以上四种判断，其中正确的是以上四种判断，其中正确的是(A)(1)、(2)、(3);(B)(1)、(2)、(4);(C)(2)、(4);(D)(1)、(4)。答答(D)一、卡诺循环一、卡诺循环（讨论以理想气体为工质的卡诺循环）（讨论以理想气体为工质的卡诺循环）1824年法国年青的工程师卡诺年法国年青的工程师卡诺提出一提出一个工作在两热源之间的理想循环个工作在两热源之间的理想循环卡诺循卡诺循环。环。给出了热机效率的理论极限值给出了热机效率的理论极限值,并还提并还提出了著名的卡诺定理。出了著名的卡诺定理。8.11卡诺循环卡诺循环卡诺定理卡诺定理可逆循环：可逆循环：组成循环的每一个过程都是组成循环的每一个过程都是可逆过程，则称该循环为可逆过程，则称该循环为可逆循环可逆循环。卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。组成。A1243T2T1卡诺卡诺热机热机高温热源高温热源T1低温热源低温热源T212工质接触高温热源工质接触高温热源T1,温度不变温度不变,体积体积V1V2等温膨胀等温膨胀。卡诺循环热机效率卡诺循环热机效率吸收热量吸收热量23体积体积V2V3,绝热膨绝热膨胀胀,吸热为零吸热为零,内能减少。内能减少。绝热方程绝热方程 A1243T2T1V1V4V2V3P1P2P4P334工质接触低温热源工质接触低温热源T2,温度温度不变不变,体积体积V3V4,等温压缩等温压缩。放出热量放出热量 41体积体积V4V1,绝热压绝热压缩缩,吸热为零吸热为零,内能增加。内能增加。绝热方程绝热方程 W1243T2T1V1V4V2V3P1P2P4P3|A|=Q1-Q2卡诺热机效率卡诺热机效率一次循环一次循环,气体对外作净功气体对外作净功由由23、41的绝热方程的绝热方程两式相除两式相除,得得代入代入Q1、Q2，得，得得得代入代入得卡诺热机效率得卡诺热机效率(1)要完成一个卡诺循环要完成一个卡诺循环,必须有高、低温必须有高、低温两个热源，两个热源，两热源的温差越大两热源的温差越大,则卡诺循环的则卡诺循环的效率越高。效率越高。(2)卡诺定理可以证明，工作在卡诺定理可以证明，工作在相同高、低相同高、低温温热源间的一切热机，热源间的一切热机，卡诺可逆机效率最高。卡诺可逆机效率最高。(3)卡诺循环效率只与两热源温度有关，因卡诺循环效率只与两热源温度有关，因此提高热机效率的唯一有效途径是此提高热机效率的唯一有效途径是:提高高温热提高高温热源的温度。源的温度。讨论讨论(4)T1，T20，故，故不可能等于不可能等于1或大于或大于1。只适于卡诺循环。只适于卡诺循环。适合于任何循环。适合于任何循环。注意注意卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）致冷系数致冷系数WT1T2卡诺卡诺致冷机致冷机高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2若工质为理想气体若工质为理想气体这是在这是在T1和和T2之间工作的各种制冷机的制之间工作的各种制冷机的制冷系数的最大值。冷系数的最大值。二、卡诺定理二、卡诺定理1.在相同高温热源和低温热源之间工在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率。效率。2.工作在相同的高温热源和低温热源工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。可逆机的效率。讨论讨论 (1)卡诺定理给出了热机效率的极限。卡诺定理给出了热机效率的极限。(2)卡诺定理指出了提高热机效率的方向。卡诺定理指出了提高热机效率的方向。(3)卡诺热机效率卡诺热机效率任意热机效率任意热机效率例例1一卡诺热机，工作于温度分别为一卡诺热机，工作于温度分别为27和和127的两个热源之间。（的两个热源之间。（1）若在正循环中该）若在正循环中该机从高温热源吸收热量机从高温热源吸收热量5840J，问该机向低温热，问该机向低温热源放出热量多少？对外做功多少？（源放出热量多少？对外做功多少？（2）若使它）若使它逆向运转而作制冷机工作，当它从低温热源吸逆向运转而作制冷机工作，当它从低温热源吸热用热用5840J时，将向高温热源放热多少？外界做时，将向高温热源放热多少？外界做功多少？功多少？解解:（1）卡诺热机效率卡诺热机效率向低温热源放出放出热量向低温热源放出放出热量 吸收热量吸收热量时时（2）逆向运转时，制冷系数）逆向运转时，制冷系数外界需要做功为外界需要做功为向高温热源放出放出热量向高温热源放出放出热量 吸收热量吸收热量时时例例2有一台电冰箱放在室温为有一台电冰箱放在室温为20度的房间里度的房间里,每每天有天有2108J的热量自房间传入冰箱内，若要使的热量自房间传入冰箱内，若要使冰箱内保持冰箱内保持5C0,外界每天需做多少功？其功率为外界每天需做多少功？其功率为多少？多少？设该制冷机的制冷系数是卡诺制冷机的设该制冷机的制冷系数是卡诺制冷机的制冷系数的制冷系数的55%。解解设设为制冷机的制冷系数，为制冷机的制冷系数，为卡诺机的制为卡诺机的制冷系数冷系数设设Q为自房间传入冰箱内的热量，在热为自房间传入冰箱内的热量，在热平衡时平衡时Q2=Q=2108J。Q2为制冷机从低温热源为制冷机从低温热源(贮物柜贮物柜)吸收的热量吸收的热量,Q1为传递给高温热源为传递给高温热源(大气等大气等)的热量。的热量。代入已知数据代入已知数据为保持冰箱在为保持冰箱在5度和度和20度之间运转度之间运转,每天做得功每天做得功功率功率第第8章章小结小结一、热力学过程一、热力学过程平衡态：在没有外界影响的条件下，系统平衡态：在没有外界影响的条件下，系统各部分的宏观性质不随时间发生变化的状态。各部分的宏观性质不随时间发生变化的状态。热力学过程：热力学系统的状态随时间变热力学过程：热力学系统的状态随时间变化过程叫热力学过程。化过程叫热力学过程。准静态过程：如果在系统所经历的热力学准静态过程：如果在系统所经历的热力学过程中，任一中间状态都无限接近平衡态，则过程中，任一中间状态都无限接近平衡态，则此过程叫准静态过程，准静态过程可用过程方此过程叫准静态过程，准静态过程可用过程方程描述。程描述。二、功、热量、内能及热力学第一定律二、功、热量、内能及热力学第一定律功和热量：功和热量是系统与外界交换能功和热量：功和热量是系统与外界交换能量的两种形式，是与热力学过程有关的量，它量的两种形式，是与热力学过程有关的量，它们的值都与状态的变化过程相关。们的值都与状态的变化过程相关。内能：内能是系统状态的单值函数，是一内能：内能是系统状态的单值函数，是一个状态量，系统内能的变化只与系统的始、末个状态量，系统内能的变化只与系统的始、末状态有关，与过程无关。状态有关，与过程无关。热力学第一定律：热力学第一定律：对于微小的元过程对于微小的元过程其中，其中，Q表示系统从外界吸收的热量，表示系统从外界吸收的热量，A表示系表示系统对外界作功，统对外界作功，E2-E1表示内能的增量。表示内能的增量。三、准静态过程功的计算三、准静态过程功的计算四、准静态过程系统从外界吸收的热量四、准静态过程系统从外界吸收的热量其中，其中，为系统的摩尔数，为系统的摩尔数，C为系统在过程中的为系统在过程中的摩尔热容。摩尔热容。五、摩尔热容五、摩尔热容定体摩尔热容定体摩尔热容定压摩尔热容：定压摩尔热容：理想气体理想气体Cp和和CV关系：关系：比热容比：比热容比：六、理想气体的典型过程和多方过程六、理想气体的典型过程和多方过程多方过程多方过程过程 特征过程方程 吸收热量Q对外作功A内能增量E等体V=常量 0等压V=常量等温pV=常量 0绝热 Q=0 0七、循环过程和卡诺循环效率七、循环过程和卡诺循环效率热机效率：热机效率：其中，其中，A为循环过程对外作的功，为循环过程对外作的功，Q1为循环过为循环过程吸收热量的总和，程吸收热量的总和，Q2为循环过程放出热量的为循环过程放出热量的总和。总和。制冷系数：制冷系数：其中，其中，Q2为制冷循环中从冷库吸取的热量，为制冷循环中从冷库吸取的热量，A为制冷循环中外界对系统所作功之和。为制冷循环中外界对系统所作功之和。卡诺循环效率卡诺循环效率:其中，其中，T1为高温热源的温度，为高温热源的温度，T2为低温热源的温为低温热源的温度。度。卡诺循环的制冷系数卡诺循环的制冷系数:其中，其中，T2为冷库的温度，为冷库的温度，T1为高温热源的温度。为高温热源的温度。八、热力学第二定律八、热力学第二定律开尔文表述：不可能只从单一热源吸收热量，开尔文表述：不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转变为功而不引起其他变化。使之完全转变为功而不引起其他变化。克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。传向高温物体而不引起其他变化。八、热力学第二定律的实质八、热力学第二定律的实质一切与热现象有关的实际过程都是单方面一切与热现象有关的实际过程都是单方面进行的不可逆过程。进行的不可逆过程。