热学5(10).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,*,P3851,University Physics,2010-09-13,喻有理,西安交通大学,11.8,循环过程,V,p,O,二,.,正循环,1.,特点,(,循环,沿顺时针方向进行,),（,系统对外作功,）,Q,1,Q,2,a,b,A,1,A,2,2.,热机,循环效率,一次循环过程中，工质对外作的净功,A,与它从高温热源吸收的热量,Q,1,的比值,.,1 mol,单原子,分子理想气 体的循环过程如图所示。,(1),作出,p,V,图,(2),此循环效率,解,例,求,c,a,b,600,2,1,a,c,1,600,300,b,2,T,(K）,V,O,V,O,p,（,R,）,(2),ab,是等温过程，有,bc,等压过程，有,(1),p,V,图,ca,等体过程,循环过程中系统总吸热,循环净功,此循环效率,三,.,逆循环,1.,逆循环,(,循环沿,逆时针,方向进行,),（,外界对系统作功,）,逆循环,也称为,致冷,循环,Q,1,Q,2,a,b,V,p,O,蒸发器,冷凝器,毛细管,过滤器,冰箱内换热器,冰箱外换热器,压缩机,（节流阀）,工作物质：,氨或氟利昂,电冰箱的工作原理简图,2.,致冷系数,从低温热源吸收的热量,Q,2,与外界作的功,A,之比,.,逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态,A,（,V,1,，,T,1,）,等温压缩到,B,（,V,2,，,T,1,）,状态，再等体降温到,C,（,V,2,，,T,2,）,状态，然后经等温膨胀达到,D,（,V,1,，,T,2,）,状态，最后经等体升温回到初状态,A,，,完成一个循环。,该致冷循环的致冷系数,解,例,求,在过程,CD,中，工质从冷库吸取的热量为,在过程,AB,中，向外界放出的热量为,A,B,C,D,V,p,O,整个循环中外界对工质所作的功为,循环的致冷系数为,在过程,DA,中，吸取的热量,V,1,T,1,V,2,T,2,1.,热机的最高效率,一,.,问题的提出？,违背热力学第一定律,不违背热力学第一定律，但需热量从低温自动流向高温。,2.,致冷机的致冷系数,不违背热力学第一定律，理想热机,单热源热机。,11.9,The Second Law of Thermodynamics,二,.,热力学第二定律的两种表述,1.,热力学第二定律的开尔文表述,不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化。,说明,(1),的理想热机不可能实现,(2),热力学第二定律的开尔文表述,表明了实际的热机效率,实际热机的能流图,高温热源,低温热源,(3),实质上说明了热功间的完全转换过程具有方向性,2.,热力学第二定律的克劳修斯表述,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,(1),热力学第二定律克劳修斯表述的,另一,叙述形式,:,理想致冷机,不可能制成,说明,(2),热力学第二定律的克劳 修斯表述表明了实际的致冷机致冷系数有限,致冷机的能流图,低温热源,高温热源,(3),实质上说明了热传导过程的具有方向性。,3.,热力学第二定律的两种表述等价,(1),假设开尔文 表述不成立,克劳修斯表述不成立,高温热源,T,1,低温热源,T,2,高温热源,T,1,低温热源,T2,(2),假设克劳修 斯表述不成立,开尔文表述不成立,高温热源,T,1,低温热源,T2,高温热源,T,1,低温热源,T2,试证：在,P-V,图上任意两条绝热线不可能相交,p,V,绝热线,等温线,作一条等温线分别交两条绝热线于,b和,c,，,abc,构成一循环过程。,违背了热力学第二定律的开尔文叙述,例,1,例,2,试证明如图所示的循环过程其摩尔热容不能为常量。,该循环中系统对外作功,由于,为常数，则循环中,经过循环后 ，则,。,这与 的结论相矛盾,假设为常数,反证法,违背了热力学第一定律,假设两条绝热线相交于,a,反证法,引入的意义：,为了研究热力学过程的方向问题,11.10,可逆与不可逆过程,二,.,不可逆过程与热力学第二定律,一,.,概念,不可逆过程,可逆过程,过程的每一步都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化,用任何方法都不能使系统和外界复原的过程,可以挑选任何一种不可逆过程来表达热力学第二定律,如 孤立系统内的气体不可能自动压缩,一切不可逆过程都是相互联系的,可由一种不可逆过程推断另一种不可逆过程,可用两种表达来判别不可逆过程,如 气体的自由膨胀过程是不可逆过程,2.,四种不可逆因素,耗散,不可逆因素（摩擦）,力学不可逆,因素（不是无穷小，如迅速膨胀和迅速压缩）,热学不可逆,因素（热传导的不可逆）,1.,可逆过程和准静态过程关系,化学不可逆,因素（如扩散现象）,三,.,判定可逆与不可逆,恒温热源,自动进行,自动进行,11.11,卡诺循环,卡诺定理,一,.,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可逆循环,1.,卡诺热机的效率,a,b,c,d,Q,1,Q,2,p,V,O,V1,p,1,V,2,p,2,V,3,p,3,V,4,p,4,气体从高温热源吸收的热量为,气体向低温热源放出的热量为,效率为,对,bc,da,应用绝热过程方程，则有,(1),理想气体卡诺循环,热机效率只与,T,1,，,T,2,有关,温差,越大，效率越高。提高热机高温热源的温度,T,1,，降低低,温热源的温度,T,2,都可,以提高热机的效率,.,但实际中通常,采用的方法是提高热机高温热源的温度,T,1,。,讨论,卡诺循环热机的效率为,(2),可逆卡诺循环热机的效率与工作物质无关。,2.,卡诺致冷机的致冷系数,a,b,c,d,卡诺致冷循环的致冷系数为,当高温热源的温度,T,1,一定时，理想气体卡诺循环的,致冷系数,只取决于,T,2,。,T,2,越低，则致冷系数越小。,说明,p,V,O,V,1,p,1,V,4,p,4,V,3,p,3,V,2,p,2,Q,2,Q,1,由,bc,da,绝热过程方程,，有,1.,在温度分别为,T,1,与,T,2,的两个给定热源之间工作的一切可,逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的,效率，即,二,.,卡,诺定理,2.,在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都,不可能大于,可逆热机的效率,。,说明,(1),要尽可能地,减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、,漏气、散热等耗散因素）以提高热机效率。,(2),卡诺定理给出了热机效率的,极限。,地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度为,100,0,C,，而夜间温度为,100,0,C,起居室温度要保持在,20,0,C,，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差,0.5kW,。,白昼和夜间给卡诺机所供的,功率,解,例,求,在白昼欲保持室内温度低,则,循环机,20,0,C,100,0,C,卡诺机工作于致冷状态。,放入室外,热量,Q,1,须从室内吸取热量,Q,2,在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室外吸取热量,Q,1,，,放入室内热量,Q,2,每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即,解得,说明,此种用,可逆循环,原理制作的空调装置既可,加热,，又可,降温,，这即是所谓的,冷暖双制空调,。,