循环过程-热力学第二定律课件.ppt

电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红一个热力学系统由某一平衡态一个热力学系统由某一平衡态出发，经过任意过程又回到初出发，经过任意过程又回到初态，这样的过程称为态，这样的过程称为循环循环 正循环正循环：按顺时针方向进行：按顺时针方向进行 逆循环逆循环：按逆时针方向进行：按逆时针方向进行 若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用P-VP-V图上的一条闭合曲线表示。箭头表示过程进行的方向。图上的一条闭合曲线表示。箭头表示过程进行的方向。系统在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围系统在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面积的面积一一 循环过程循环过程1电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程状态的过程叫热力学循环过程.热力学第一定律热力学第一定律净功净功特征特征AB总吸热总吸热总放热总放热（取绝对值）取绝对值）2电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红热机热机二二 热机和致冷机热机和致冷机热机效率热机效率高温热源高温热源低温热源低温热源热机（热机（正正循环）循环）AB3电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红致冷机致冷系数致冷机致冷系数致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源AB4电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红1423 例例 1 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其氦气经过如图所示的循环过程，其中中 ,求求12、23、34、41各过程中气体吸收的热量和热机的效率各过程中气体吸收的热量和热机的效率.解解 由理想气体物态方程得由理想气体物态方程得5电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红14236电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红注意：注意：计算循环效率的公式中，计算循环效率的公式中，W W 是净功，即是净功，即 p p V V 图上闭合曲线所包围的面积。图上闭合曲线所包围的面积。若是简单若是简单的几何图形（如三角形、矩形等）可方便的计的几何图形（如三角形、矩形等）可方便的计算面积得到功，算面积得到功，否则需计算各过程的功，然后否则需计算各过程的功，然后求代数和得净功；而求代数和得净功；而Q Q1 1是总吸热，需将各吸热是总吸热，需将各吸热过程吸收的热量求和得到。过程吸收的热量求和得到。9电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 例例3 3 1mol1mol双原子分子理想气体作图示循环，其双原子分子理想气体作图示循环，其中中ab ab 为直线，为直线，bc bc 为绝热线，为绝热线，ca ca 为等温线。已知为等温线。已知T T2 2=2=2T T1 1，V V3 3=8=8V V1 1。求：。求：abc（1 1）各过程的功、内能各过程的功、内能增量和传递的热量；增量和传递的热量；（2 2）此循环的效率。此循环的效率。10电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红解答解答：（：（1 1）对对ab ab 过程过程吸热吸热abc11电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红bc bc 为为绝热膨胀绝热膨胀过程，因此吸热为过程，因此吸热为 Q Q2 2=0=0。ca为等温压缩过程，因此内能增量 E3=0。式中负号表示ca 过程中外界对系统做功，系统放热。abc12电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红（2 2）此循环的效率为此循环的效率为注意：注意：计算各过程的计算各过程的W W、E E 和和Q Q 时要抓住过程特时要抓住过程特征，使问题简化；在计算循环效率时，对于征，使问题简化；在计算循环效率时，对于p p V V 图是直线组成的循环用公式图是直线组成的循环用公式 =W W/Q Q吸吸 较方较方便，便，对于对于p p V V 图有曲线组成的循环过程，用图有曲线组成的循环过程，用公式公式 =1 =1 Q Q放放 /Q Q吸吸比较方便。比较方便。13电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 热机发展简介热机发展简介 1698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，蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低当时蒸汽机的效率极低,1765年瓦特进行了重大改进，年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率大大提高了效率.人们一直在为提高热机的效率而努人们一直在为提高热机的效率而努力，力，从理论上研究热机效率问题，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高一方面指明了提高效率的方向，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14电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红三三 卡诺循环卡诺循环 低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环 卡诺卡诺循环循环.给出了热机效率的给出了热机效率的理论极限值理论极限值.卡诺卡诺循环循环两个准静态两个准静态等温等温过程过程两个准静态两个准静态绝热绝热过程过程组成组成15电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红WABCD 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算 A B 等温膨胀等温膨胀 B C 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温压缩等温压缩 D A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环A B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热16电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红C D 等温压缩放热等温压缩放热WABCD D A 绝热过程绝热过程B C 绝热过程绝热过程 17电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 卡诺热机效率卡诺热机效率WABCD 卡诺热机效率与工作卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效差越大，则卡诺循环的效率越高率越高.18电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红WABCD高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数19电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗？讨讨 论论20电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程:1、自发过程的方向性：、自发过程的方向性：一切与热现象有关的实际宏观一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方向性，其相反过程不可能自然发生。过程都具有方向性，其相反过程不可能自然发生。（1）热传导过程具有方向性。）热传导过程具有方向性。举例：举例：（2）气体绝热自由膨胀的过程具有方向性。）气体绝热自由膨胀的过程具有方向性。（5）生命过程的方向性。）生命过程的方向性。（4）功热转换的方向性。）功热转换的方向性。（3）扩散的方向性。）扩散的方向性。自发过程：是指在不受外界干扰的条件下进自发过程：是指在不受外界干扰的条件下进 行的过程。行的过程。21电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程 可逆过程可逆过程:在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过如果逆过程能重复正过程的每一状态程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化而不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程.2、可逆过程与不可逆过程、可逆过程与不可逆过程22电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程.不可逆不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不过程：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，或者虽能重复但能使逆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，这样的过程叫做不可逆过程必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程程.可逆过程的条件可逆过程的条件23电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 1 开尔文说法：不可能制造出这样一开尔文说法：不可能制造出这样一种种循环循环工作的热机，它只使工作的热机，它只使单一单一热源冷却来热源冷却来做功，而做功，而不不放出热量给其他物体，或者说放出热量给其他物体，或者说不不使使外外界发生任何变化界发生任何变化.四四、热力学第二定律热力学第二定律 Kelvin英国英国（18241907）说明：说明：(1)开尔文表述反映开尔文表述反映的是自发的功热转换过程不可的是自发的功热转换过程不可逆。逆。(2)(2)开尔文表述的另一叙述形式开尔文表述的另一叙述形式:第二类永动机不第二类永动机不可能制成。可能制成。(3)(3)热力学第二定律的开尔文表述实际上表明：热力学第二定律的开尔文表述实际上表明：24电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，单一热源吸热作功，而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但它非循环过程但它非循环过程.12W W低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 卡诺卡诺循环是循循环是循环过程，环过程，但需两个但需两个热源，且热源，且使外界发使外界发生变化生变化.25电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化物体，但需外界作功且使环境发生变化.2 克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机WABCD26电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结热力学第二定律是大量实验和经验的总结.3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性法都反映了自然界过程进行的方向性.2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性法具有等效性.27电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红非非自发传热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不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是自然界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.热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质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28电电子子工工程程学学院院 杨杨小小红红 问：问：一条等温线与一条绝热线能否有两个交点？一条等温线与一条绝热线能否有两个交点？答：答：不可能不可能.因为因为,若一条等温线若一条等温线与一条绝热线有两个交点，与一条绝热线有两个交点，则两条曲线构成了一个循则两条曲线构成了一个循环过程，它仅从单一的热环过程，它仅从单一的热源吸热，且全部转换为功，源吸热，且全部转换为功，热机效率达热机效率达100%，违背了，违背了热力学第二定律的开尔文热力学第二定律的开尔文说法，所以不成立说法，所以不成立.29