热力学基础大学物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

11.1 热力学研究对象和研究方法热力学研究对象和研究方法一一.热学研究对象热学研究对象热现象热现象热热 学学物体与温度相关物理性质及状态改变物体与温度相关物理性质及状态改变研究热现象理论研究热现象理论热力学热力学从能量转换观点研究物质热学性质和其宏观规律从能量转换观点研究物质热学性质和其宏观规律宏观量宏观量二二.热学研究方法热学研究方法微观量微观量描述宏观物体特征物理量；描述宏观物体特征物理量；如温度、压强、体积、如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。热容量、密度、熵等。描述微观粒子特征物理量；描述微观粒子特征物理量；如质量、速度、能量、如质量、速度、能量、动量等。动量等。第1页微观粒子微观粒子观察和试验观察和试验出出 发发 点点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质力学本质二者关系二者关系无法自我验证无法自我验证不深刻不深刻缺缺 点点揭露本质揭露本质普遍，可靠普遍，可靠优优 点点统计平均方法统计平均方法力学规律力学规律总结归纳总结归纳逻辑推理逻辑推理方方 法法微观量微观量宏观量宏观量物物 理理 量量热现象热现象热现象热现象研究对象研究对象微观理论微观理论（统计物理学）（统计物理学）宏观理论宏观理论（热力学）（热力学）退出退出 第2页11.2 平衡态与准静态过程平衡态与准静态过程 理想气体状态方程理想气体状态方程一一.系统和外界系统和外界 热力学系统热力学系统热力学所研究详细对象，简称系统。热力学所研究详细对象，简称系统。外界外界系统是由大量分子组成，如气缸中气体。系统是由大量分子组成，如气缸中气体。系统以外物体系统以外物体系统与外界能够有相互作用系统与外界能够有相互作用比如：比如：热传递热传递、质量交换质量交换等等系统系统系统分类系统分类开放系统开放系统系统与外界之间，现有物系统与外界之间，现有物质交换，又有能量交换。质交换，又有能量交换。第3页封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统系统与外界之间，没有物质交换，只有能系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。量交换。系统与外界之间，既无物质交换，又无能系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。量交换。二二.气体状态参量气体状态参量温度温度(T)体积体积(V)压强压强(p)气体分子可能抵达整个空间体积气体分子可能抵达整个空间体积大量分子与器壁及分子之间不停碰撞而产生宏大量分子与器壁及分子之间不停碰撞而产生宏观效果观效果大量分子热运动猛烈程度大量分子热运动猛烈程度温标：温度温标：温度数值数值表示方法表示方法国际上要求水三相点温度为国际上要求水三相点温度为273.16 K第4页1.1.定义定义在没有外界影响情况下，系统各部分宏观性质在长在没有外界影响情况下，系统各部分宏观性质在长时间内不发生改变状态。时间内不发生改变状态。三三.平衡态平衡态说明说明(1)不受外界影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界不经过作功或传热方式不经过作功或传热方式交换能量，但能够处于均匀外力场中；如：交换能量，但能够处于均匀外力场中；如：两头两头处于冰水、沸水中金属棒是处于冰水、沸水中金属棒是一个稳定态，而不是平衡态；一个稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体系统处于重力场中气体系统粒子数密度粒子数密度随高随高 度改变，但它是度改变，但它是平衡态。平衡态。低温低温T2高温高温T1(2)平衡是热动平衡平衡是热动平衡第5页(3)平衡态气体平衡态气体系统宏观量可用一组确定值系统宏观量可用一组确定值(p,V,T)表示表示(4)平衡态是一个平衡态是一个理想状态理想状态四四.准静态过程准静态过程系统从某状态开始经历一系列中间状态抵系统从某状态开始经历一系列中间状态抵达另一状态过程。达另一状态过程。热力学过程热力学过程1221准静态过程准静态过程在过程进行每一时刻，系统都无限地在过程进行每一时刻，系统都无限地靠近平衡态。靠近平衡态。第6页非准静态过程非准静态过程系统经历一系列非平衡态过程系统经历一系列非平衡态过程实际过程是非准静态过程，但只要过程进行时间远大于系实际过程是非准静态过程，但只要过程进行时间远大于系统驰豫时间，均可看作准静态过程。统驰豫时间，均可看作准静态过程。如：如：实际汽缸压缩过实际汽缸压缩过程可看作准静态过程程可看作准静态过程 S说明说明 (1)准静态过程是一个理想过程准静态过程是一个理想过程；(3)准静态过程在状态图上准静态过程在状态图上可用一条曲线表示可用一条曲线表示,如图如图.(2)除一些进行得极快过程（如爆炸过程）外，除一些进行得极快过程（如爆炸过程）外，大多数情况大多数情况下都能够把实际过程看成是准静态过程；下都能够把实际过程看成是准静态过程；OVp第7页五五.理想气体状态方程理想气体状态方程气体状态方程气体状态方程(3)混合理想气体状态方程为混合理想气体状态方程为其中其中理想气体状态方程理想气体状态方程（平衡态）（平衡态）(1)理理想气体宏观定义：在任何条件下都严格恪守克拉珀想气体宏观定义：在任何条件下都严格恪守克拉珀龙方程气体；龙方程气体；(2)实际气体在压强不太高，温度不太低条件下实际气体在压强不太高，温度不太低条件下，可看成理，可看成理想气体处理。且温度越高、压强越低，准确度越高想气体处理。且温度越高、压强越低，准确度越高.说明说明（克拉珀龙方程）（克拉珀龙方程）第8页一柴油汽缸容积为一柴油汽缸容积为 0.82710-3 m3。压缩前汽缸压缩前汽缸 空气温空气温度为度为320 K，压强为压强为8.4104 Pa，当活塞急速，当活塞急速 推进时可将空推进时可将空气压缩到原体积气压缩到原体积 1/17，使压强增大使压强增大 到到 4.2106 Pa。解解T2 柴油燃点柴油燃点若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将马上燃烧，发生爆炸，推进若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将马上燃烧，发生爆炸，推进活塞作功，这就是柴油机点火原理。活塞作功，这就是柴油机点火原理。例例求求 这时空气温度这时空气温度 返回返回 第9页11.3 功功 热量热量 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律一.功功 热量热量 内能内能1.概念概念热力学系统与外界传递能量两种方式热力学系统与外界传递能量两种方式作功作功传热传热是能量传递和转化量度；是是能量传递和转化量度；是过程量。过程量。功功(A)热量热量(Q)是传热过程中所传递能量多少量度；是传热过程中所传递能量多少量度；是是过程量过程量内能内能(E)是物体中分子无规则运动能量总和是物体中分子无规则运动能量总和；是是状态量状态量系统吸热系统吸热：系统对外作功系统对外作功：；外界对系统作功外界对系统作功：；系统放热；系统放热：第10页2.功与内能关系功与内能关系12外界仅对系统作功，无传热，则外界仅对系统作功，无传热，则说明说明(1)内能改变量能够用绝内能改变量能够用绝 热过程中外界对系统所热过程中外界对系统所 作功来量度；作功来量度；绝热壁绝热壁绝热过程绝热过程(2)此式给出此式给出过程量与状态量关系过程量与状态量关系第11页3.热量与内能关系热量与内能关系外界与系统之间不作功，仅外界与系统之间不作功，仅传递热量传递热量系统系统说明说明(1)在外界不对系统作功时在外界不对系统作功时，内能改变量也内能改变量也 能能够用外界对系统所传递热量来度量；够用外界对系统所传递热量来度量；(2)此式给出此式给出过程量与状态量关系过程量与状态量关系(3)作功和传热作功和传热效果一样，本质不一样效果一样，本质不一样二二.热力学第一定律热力学第一定律外界与系统之间不但作功，而且外界与系统之间不但作功，而且传递热量，则有传递热量，则有第12页系统从外界吸收热量，一部分使其内能增加，另一部分系统从外界吸收热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界作功。则用以对外界作功。(热力学第一定律热力学第一定律)对于无限小状态改变过程对于无限小状态改变过程，热力学第一定律可表示为，热力学第一定律可表示为(1)热力学第一定律实际上就是包含热现象在内能量守恒热力学第一定律实际上就是包含热现象在内能量守恒 与转换定律；与转换定律；说明说明(2)第一类永动机第一类永动机是不可能实现。这是热力学第一定律是不可能实现。这是热力学第一定律 另一个表述形式；另一个表述形式；(3)此定律此定律只要求系统初、末状态是平衡态，至于过程中经只要求系统初、末状态是平衡态，至于过程中经历各状态则不一定是平衡态。历各状态则不一定是平衡态。(4)适合用于任何系统（气、液、固）。适合用于任何系统（气、液、固）。返回返回 第13页11.4 准静态过程中功和热量计算准静态过程中功和热量计算一一.准静态过程中功计算准静态过程中功计算SV1V2热力学第一定律可表示为热力学第一定律可表示为 OVp(功是一个过程量功是一个过程量)12第14页二.准静态过程中热量计算准静态过程中热量计算1.热容热容 热容热容 比热容比热容 摩尔热容摩尔热容注意注意:热容热容是过程量，是过程量，式中下标式中下标 x 表示详细过程。表示详细过程。第15页2.定体摩尔热容定体摩尔热容CV 和定压摩尔热容和定压摩尔热容Cp（1 1 摩尔物质摩尔物质）(1)定体摩尔热容定体摩尔热容CV(2)定压摩尔热容定压摩尔热容Cp 3.热量计算热量计算若若Cx与温度无关时，则与温度无关时，则 返回返回 第16页11.5 理想气体理想气体内能和内能和CV V，Cp一一.理想气体内能理想气体内能 气体内能是气体内能是 p,V,T 中任意两个参量函数，其详细中任意两个参量函数，其详细形式怎样？形式怎样？1.焦耳试验焦耳试验 问题：问题：(1)试验装置试验装置温度一样温度一样 试验结果试验结果膨胀前后温度膨胀前后温度计读数未变计读数未变第17页气体绝热自由膨胀过程中气体绝热自由膨胀过程中(2)分析分析说明说明 (1)焦耳试验室是在焦耳试验室是在18451845完成。温度计精度为完成。温度计精度为 0.01 0.01水热容比气体热容大多，因而水温度可能有微小水热容比气体热容大多，因而水温度可能有微小改变，因为温度计精度不够而未能测出。改变，因为温度计精度不够而未能测出。经过改进试验或其它试验方法经过改进试验或其它试验方法（焦耳（焦耳汤姆孙试验）汤姆孙试验）,证证实仅理想气体有上述结论。实仅理想气体有上述结论。气体内能仅是其温度函数。这一结论称为焦耳定律气体内能仅是其温度函数。这一结论称为焦耳定律(2)焦耳自由膨胀试验是非准静态过程。焦耳自由膨胀试验是非准静态过程。第18页二二.理想气体摩尔热容理想气体摩尔热容CV、Cp 和内能计算和内能计算 1.定体摩尔热容定体摩尔热容CV 和定压摩尔热容和定压摩尔热容Cp 定体摩尔热容定体摩尔热容CV定压摩尔热容定压摩尔热容Cp 1 mol 理想气体状态方程为理想气体状态方程为压强不变时，将状态方程两边对压强不变时，将状态方程两边对T 求导，有求导，有第19页迈耶公式迈耶公式 比热容比比热容比 2.理想气体内能计算理想气体内能计算第20页依据热力学第一定律，有依据热力学第一定律，有解解因为初、末两态是平衡态，所以有因为初、末两态是平衡态，所以有如图，一绝热密封容器，体积为如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等，中间用隔板分成相等两部分。左边盛有一定量氧气，压强为两部分。左边盛有一定量氧气，压强为 p0，右边二分之一，右边二分之一为真空。为真空。例例求求把中间隔板抽去后，把中间隔板抽去后，到达新平衡时气体压强到达新平衡时气体压强绝热过程绝热过程自由膨胀过程自由膨胀过程 返回返回 第21页 11.6 热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体 在经典准静态过程中应用在经典准静态过程中应用 一一.等体过程等体过程 l 不变不变l功功吸收热量吸收热量内能增量内能增量SOVpV1等体过程中气体等体过程中气体吸收热量，全部用来增加它内能，使其吸收热量，全部用来增加它内能，使其温度上升。温度上升。第22页二二.等压过程等压过程功功吸收热量吸收热量内能增量内能增量在等压过程中理想气体吸收热量，一部分用来对外作功，其余在等压过程中理想气体吸收热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能。部分则用来增加其内能。S lp1OVpV1V2第23页恒恒温温热热源源S l 三三.等温过程等温过程内能增量内能增量功功吸收热量吸收热量在等温膨胀过程中在等温膨胀过程中 ，理想气体吸收热量全部用来对外作，理想气体吸收热量全部用来对外作功，在等温压缩中，外界对气体所功，都转化为气体向功，在等温压缩中，外界对气体所功，都转化为气体向外界放出热量。外界放出热量。SOVpV1V2第24页质量为质量为2.8g，温度为，温度为300K，压强为，压强为1atm氮气，氮气，等压膨胀等压膨胀到原来到原来2倍。倍。氮气对外所作功，内能增量以及吸收热量氮气对外所作功，内能增量以及吸收热量 解解例例求求依据依据等压过程方程等压过程方程，有，有因为是双原子气体因为是双原子气体 返回返回 第25页11.7 绝热过程绝热过程一一.绝热过程绝热过程系统在绝热过程中一直不与外界交换热量。系统在绝热过程中一直不与外界交换热量。良好绝热材料包围系统发生过程良好绝热材料包围系统发生过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量过程1.过程方程过程方程 对无限小准静态绝热过程对无限小准静态绝热过程 有有第26页利用上式和状态方程可得利用上式和状态方程可得2.过程曲线过程曲线微分微分A绝热线绝热线等温线等温线因为因为 1 1 ，所以绝热线要，所以绝热线要比等温线陡一些。比等温线陡一些。VpO第27页绝热过程中绝热过程中，理想气体不吸收热量，系统降低内能，等于，理想气体不吸收热量，系统降低内能，等于其对外作功其对外作功。3.绝热过程中功计算绝热过程中功计算第28页一定量氮气，其初始温度为一定量氮气，其初始温度为 300 K，压强为，压强为1atm。将其绝热。将其绝热压缩，使其体积变为初始体积压缩，使其体积变为初始体积1/5。解解例例求求 压缩后压强和温度压缩后压强和温度依据绝热过程方程依据绝热过程方程pV 关系，有关系，有依据绝热过程方程依据绝热过程方程TV 关系，有关系，有氮气是双原子分子氮气是双原子分子第29页温度为温度为25，压强为，压强为1atm 1mol 刚性双原子分子理想气刚性双原子分子理想气体经等温过程体积膨胀至原来体经等温过程体积膨胀至原来3倍倍。(1)该过程中气体对外所作功；该过程中气体对外所作功；(2)若气体经绝热过程体积膨胀至原来若气体经绝热过程体积膨胀至原来3 倍倍，气体对外所，气体对外所 作功。作功。解解例例求求VpO(1)由等温过程可得由等温过程可得(2)依据绝热过程方程，有依据绝热过程方程，有第30页将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有第31页二二.多方过程多方过程满足这一关系过程称为满足这一关系过程称为多方过程多方过程(n 多方指数，多方指数，1n )可见可见:n 越大，越大，曲曲 线越陡线越陡依据依据多方过程多方过程 方程，有方程，有VpO多方过程方程多方过程方程多方过程曲线多方过程曲线第32页功功 内能增量内能增量 热量热量摩尔热容摩尔热容多方过程中功多方过程中功内能内能 热量热量 摩尔热容计算摩尔热容计算第33页多方过程曲线与四种常见基本过程曲线多方过程曲线与四种常见基本过程曲线第34页如图，如图，一容器被一可移动、无摩擦且一容器被一可移动、无摩擦且绝热绝热活塞分割成活塞分割成,两部分。容器左端封闭且两部分。容器左端封闭且导热导热，其它部分绝热。开始时在，其它部分绝热。开始时在,中各有温度为中各有温度为0，压强压强1.013105 Pa 刚性双原子分子理想刚性双原子分子理想气体。两部分容积均为气体。两部分容积均为36升升。现从容器左端迟缓地对现从容器左端迟缓地对中气中气体加热，使活塞迟缓地向右移动，直到体加热，使活塞迟缓地向右移动，直到中气体体积变为中气体体积变为18升升为止。为止。(1)中气体末态压强和温度。中气体末态压强和温度。解解例例求求(1)中气体经历是绝热过程，则中气体经历是绝热过程，则(2)外界传给外界传给中气体热量。中气体热量。刚性双原子分子刚性双原子分子第35页又又由理想状态方程得由理想状态方程得(2)中气体内能增量为中气体内能增量为中气体对外作功为中气体对外作功为第36页依据热力学第一定律，依据热力学第一定律，中气体吸收热量为中气体吸收热量为第37页 v 摩尔单原子分子理想气体，经历如图热力学过程摩尔单原子分子理想气体，经历如图热力学过程,例例VpOV02V0p02p0在该过程中，放热和吸热区域。在该过程中，放热和吸热区域。解解求求从图中能够求得过程线方程为从图中能够求得过程线方程为将理想气体状态方程将理想气体状态方程代入上式并消去代入上式并消去 p，有有对该过程中任一无限小过程，有对该过程中任一无限小过程，有第38页由热力学第一定律，有由热力学第一定律，有由上式可知由上式可知，吸热和放热区域为吸热和放热区域为吸热吸热放热放热 返回返回 第39页11.8 循环过程循环过程一一.循环过程循环过程假如假如循环是循环是准静态过程，在准静态过程，在PV 图上就组成一闭合曲线图上就组成一闭合曲线假如物质系统状态经历一系列改变后，又回到了原状态，假如物质系统状态经历一系列改变后，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。就称系统经历了一个循环过程。系统（工质）对外所作系统（工质）对外所作净功净功1.循环循环VpO第40页2.正循环、逆循环正循环、逆循环 正循环正循环(循环循环沿顺时针方向进行沿顺时针方向进行)逆循环逆循环(循环沿循环沿逆时针逆时针方向进行方向进行)（系统对外作功系统对外作功）Q1Q2abVpO依据热力学第一定律，有依据热力学第一定律，有（系统对外作负功系统对外作负功）正循环正循环也称为热机也称为热机循环循环逆循环逆循环也称为致冷也称为致冷循环循环Q1Q2abVpO第41页二二.循环效率循环效率在热机循环中，工质对外所作功在热机循环中，工质对外所作功A 与它吸收热量与它吸收热量Q1比值，比值，称为称为热机效率热机效率或循环效率或循环效率 一个循环中工质从冷库中吸收热量一个循环中工质从冷库中吸收热量Q2与外界对工质作所功与外界对工质作所功A 比值，称为循环比值，称为循环致冷系数致冷系数第42页 1 mol 单原子分子理想气单原子分子理想气 体循环过程如图所表示。体循环过程如图所表示。(1)作出作出 p V 图图(2)此循环效率此循环效率解解例例求求cab60021ac1600300b2T(K）V（10-3m3）OV（10-3m3）Op（10-3R）(2)ab是等温过程，有是等温过程，有bc是等压过程，有是等压过程，有(1)p V 图图 第43页ca是等体过程是等体过程循环过程中系统吸热循环过程中系统吸热循环过程中系统放热循环过程中系统放热此循环效率此循环效率第44页逆向斯特林致冷循环热力学循环原理如图所表示，该循环逆向斯特林致冷循环热力学循环原理如图所表示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态由四个过程组成，先把工质由初态A（V1，T1）等温压缩到等温压缩到B（V2 ，T1）状态，再等体降温到状态，再等体降温到C（V2，T2）状态，然状态，然后经等温膨胀到达后经等温膨胀到达D（V1，T2）状态，最终经等体升温回状态，最终经等体升温回到初状态到初状态A，完成一个循环。，完成一个循环。该致冷循环致冷系数该致冷循环致冷系数解解例例求求在过程在过程CD中，工质从冷库吸收中，工质从冷库吸收热量为热量为在过程中在过程中AB中，向外界放出中，向外界放出热量为热量为ABCDVpO第45页整个循环中外界对工质所作功为整个循环中外界对工质所作功为循环致冷系数为循环致冷系数为 返回返回 第46页11.9 热力学第二定律热力学第二定律一一.热力学第二定律热力学第二定律由热力学第一定律可知，热机效率不可能由热力学第一定律可知，热机效率不可能大于大于100%。那。那么热机效率能否么热机效率能否等于等于100%（）呢？）呢？地球地球热机热机Q1A若热机效率能到达若热机效率能到达100%,则仅则仅地球上海水冷却地球上海水冷却1,所取得功所取得功就相当于就相当于1014t 煤燃烧后放出热煤燃烧后放出热量量单热源热机单热源热机(第二类永动机第二类永动机)是不可能。是不可能。热源热源热源热源第47页1.热力学第二定律开尔文表述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，使之完全转化为功而不引不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引发其它改变。发其它改变。(1)热力学第二定律开尔文表述热力学第二定律开尔文表述 另一叙述形式另一叙述形式:第二第二类永动类永动 机不可能制成机不可能制成说明说明(2)热力学第二定律开尔文表述热力学第二定律开尔文表述 实际上表明了实际上表明了2.热力学第二定律克劳修斯表述热力学第二定律克劳修斯表述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 第48页(1)热力学第二定律克劳修斯表述热力学第二定律克劳修斯表述另一另一 叙述形式叙述形式:理想制冷机理想制冷机不可能制成不可能制成说明说明(2)热力学第二定律克劳热力学第二定律克劳 修斯表述修斯表述 实际上表明了实际上表明了3.热机、制冷机能流图示方法热机、制冷机能流图示方法热热机机能能流流图图致致冷冷机机能能流流图图高温热源高温热源低温热源低温热源低温热源低温热源高温热源高温热源第49页4.热力学第二定律两种表述等价热力学第二定律两种表述等价(1)假设开尔文假设开尔文 表述不成立表述不成立 克劳修斯表克劳修斯表述不成立述不成立高温热源高温热源低温热源低温热源(2)假设克劳修假设克劳修 斯斯 表述不成立表述不成立 开尔文表开尔文表述不成立述不成立低温热源低温热源高温热源高温热源第50页用热力学第二定律证实：在用热力学第二定律证实：在p V 图上任意两条绝热线不图上任意两条绝热线不可能相交可能相交反证法反证法例例证证abc绝热线绝热线等温线等温线设两设两绝热线绝热线相交于相交于c 点，点，在在两绝热线上寻找温度相同两绝热线上寻找温度相同两点两点a、b。在在ab间作一条等间作一条等温线，温线，abca组成一循环过程。组成一循环过程。在此在此循环过程循环过程该中该中VpO这就组成了从单一热源吸收热量热机。这是违反这就组成了从单一热源吸收热量热机。这是违反热力学热力学第二定律开尔文表述第二定律开尔文表述。所以任意两条绝热线不可能相交。所以任意两条绝热线不可能相交。返回返回 第51页 返回返回 第52页11.10 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程若系统经历了一个过程，而过程若系统经历了一个过程，而过程每一步每一步都可都可沿相反方向进行，同时不引发外界任何改变，沿相反方向进行，同时不引发外界任何改变，那么这个过程就称为可逆过程。那么这个过程就称为可逆过程。一一.概念概念如对于某一过程，用任何方法都不能使如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和系统和外界外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程 可逆过程可逆过程不可逆过程不可逆过程自发过程自发过程自然界中不受外界影响而能够自动发生过程。自然界中不受外界影响而能够自动发生过程。1 1.不可逆过程实例不可逆过程实例力学（无摩擦时）力学（无摩擦时）xm过程可逆过程可逆（有摩擦时）（有摩擦时）不可逆不可逆二二.不可逆过程不可逆过程第53页（真空真空）可逆可逆（有气体）（有气体）不可逆不可逆功向热转化过程功向热转化过程是不可逆是不可逆。墨水在水中扩散墨水在水中扩散一切自发过程都一切自发过程都是单方向进行不是单方向进行不可逆过程。可逆过程。热量从高温自动热量从高温自动传向低温物体过传向低温物体过程是不可逆程是不可逆自由膨胀过程是不可逆自由膨胀过程是不可逆。一切与热现象相关过程都是不可逆过程，一切实际过程都一切与热现象相关过程都是不可逆过程，一切实际过程都是不可逆过程。是不可逆过程。不平衡和耗散等不平衡和耗散等原因存在，是造成原因存在，是造成过过程不可逆原因。程不可逆原因。2.过程不可逆原因过程不可逆原因第54页无摩擦准静态过程是可逆过程（是理想过程）无摩擦准静态过程是可逆过程（是理想过程）三三.热热力学第二定律力学第二定律实质实质，就是揭示了自然界一切自，就是揭示了自然界一切自发发 过过程都是程都是单单方向方向进进行不可逆行不可逆过过程。程。返回返回 第55页11.11 卡诺循环卡诺循环 卡诺定理卡诺定理一一.卡诺循环卡诺循环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是由两个等温过程和两个绝热过程组成1.卡诺热机效率卡诺热机效率 abcdQ1Q2pVOV1p1V2p2V3p3V4p4气体从高温热源吸收气体从高温热源吸收热量为热量为气体向低温热源放出气体向低温热源放出热量为热量为第56页对对bc da应用绝热过程方程，则有应用绝热过程方程，则有(1)理想气体可逆卡诺循环热机效率只与 T1，T2 有关,温差 越大，效率越高。提高热机高温热源温度T1，降低低 温热源温度T2 都能够提高热机效率.但实际中通常 采取方法是提高热机高温热源温度T1。讨论讨论卡诺循环热机效率为卡诺循环热机效率为(2)可逆卡诺循环热机效率与工作物质无关可逆卡诺循环热机效率与工作物质无关第57页2.卡诺致冷机致冷系数卡诺致冷机致冷系数abcd卡诺致冷循环致冷系数为卡诺致冷循环致冷系数为当高温热源温度当高温热源温度T1一定时，理想气体卡诺循环一定时，理想气体卡诺循环致冷系数致冷系数只只取决于取决于T2。T2 越低，则致冷系数越小。越低，则致冷系数越小。说明说明pVOV1p1V4p4V3p3V2p2Q2Q1由由bc da绝热过程方程绝热过程方程，有，有第58页1.在温度分别为在温度分别为T1 与与T2 两个给定热源之间工作一切可两个给定热源之间工作一切可 逆热机，其效率逆热机，其效率 相同，都等于理想气体可逆卡诺热机相同，都等于理想气体可逆卡诺热机 效率，即效率，即二二.卡卡诺定理诺定理 2.在相同高、低温热源之间工作一切不可逆热机，其在相同高、低温热源之间工作一切不可逆热机，其 效率都效率都不可能大于不可能大于可逆热机效率可逆热机效率。说明说明(1)要尽可能地要尽可能地降低热机循环不可逆性，（降低摩擦、降低热机循环不可逆性，（降低摩擦、漏气、散热等耗散原因漏气、散热等耗散原因 ）以提升热机效率。）以提升热机效率。(2)卡诺定理给出了热机效率卡诺定理给出了热机效率极限。极限。第59页地球上人要在月球上居住，首要问题就是保持他们起居室处地球上人要在月球上居住，首要问题就是保持他们起居室处于一个舒适温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调整，设月于一个舒适温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调整，设月球白昼温度为球白昼温度为1000C，而夜间温度为，而夜间温度为 1000C，起居室温度要保持在起居室温度要保持在200C，经过起居室墙壁导热速率为每经过起居室墙壁导热速率为每度温差度温差0.5kW，白昼和夜间给卡诺机所供白昼和夜间给卡诺机所供功率功率解解例例求求在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸收热量内吸收热量Q2，放入室外热量放入室外热量Q1则则每秒钟从室内取走热量为经过起居室墙壁导进热量，即每秒钟从室内取走热量为经过起居室墙壁导进热量，即第60页在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室外吸收热量外吸收热量Q1，放入室内热量放入室内热量Q2每秒钟放入室内热量为经过起居室墙壁导进热量，即每秒钟放入室内热量为经过起居室墙壁导进热量，即第61页解得解得说明说明此种用此种用可逆循环可逆循环原理制作空调装置既可原理制作空调装置既可加热加热，又可，又可降温降温，这即，这即是所谓是所谓冷暖双制空调冷暖双制空调。返回返回 第62页