f华中科技大学物理热力学基础

2023/10/121热热 力力 学学 基基 础础华中科技大学第1页/共79页2023/10/122 热力学研究的目的在于如何有效地利用热能，热热力学研究的目的在于如何有效地利用热能，热力学利用分子运动论的结论，关注热力学系统的宏力学利用分子运动论的结论，关注热力学系统的宏观效应。观效应。估计估计1kg1kg的氧气（双原子分子）在室温下的内能：的氧气（双原子分子）在室温下的内能：这一能量可以使普通这一能量可以使普通40W40W电灯工作电灯工作 8181分钟分钟!将将 100kg 100kg 的物体提升近的物体提升近 200200米米 的高度！热力学系统是的高度！热力学系统是一个可观的能量资源。可有此等好事发生？一个可观的能量资源。可有此等好事发生？第2页/共79页2023/10/123贮存在贮存在1kg1kg的氧气内部的内能：的氧气内部的内能：这一能量可以使普通这一能量可以使普通40W40W电灯工作电灯工作 8181分钟分钟!将将 100kg 100kg 的物体提升近的物体提升近 200200米米 的高度！热力学系统是的高度！热力学系统是一个可观的能量资源。可有此等好事发生？一个可观的能量资源。可有此等好事发生？问题：就在于如何利用理想气体的能量资源把无问题：就在于如何利用理想气体的能量资源把无序的分子运动转化为有序的宏观运动。序的分子运动转化为有序的宏观运动。大规模利用热能资源是以蒸汽机为标志的第一次大规模利用热能资源是以蒸汽机为标志的第一次工业革命。工业革命。第3页/共79页2023/10/124第第8章章 热力学基础热力学基础8.1 8.1 热力学第一定律热力学第一定律8.2 8.2 热容量热容量8.3 8.3 热力学第一定律应用热力学第一定律应用8.4 8.4 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环8.5 8.5 热力学第二定律热力学第二定律8.6 8.6 熵熵 熵增加原理熵增加原理8.7 8.7 熵的统计表述熵的统计表述第4页/共79页2023/10/1258.1 8.1 热力学第一定律热力学第一定律 实际系统变化时，需要一定的时间后才能得实际系统变化时，需要一定的时间后才能得到均匀的平衡态。到均匀的平衡态。实际的热力学过程中任一状态都实际的热力学过程中任一状态都不是平衡态。不是平衡态。当系统在变化过程中经历的每一状态都是平衡态，当系统在变化过程中经历的每一状态都是平衡态，此过程此过程准静态过程准静态过程系统从系统从 一个一个平衡态平衡态系统经历了一个热力学过程系统经历了一个热力学过程另一另一平衡态平衡态一一 准静态过程准静态过程第5页/共79页2023/10/126 因为状态图中任何一点因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用状态图故准静态过程可以用状态图中的一条曲线表示，反之亦中的一条曲线表示，反之亦如此如此。VPo等温过程等温过程等容过程等容过程等压过程等压过程循环过程循环过程状态图状态图 用系统的状态参量为坐标轴作的图，如用系统的状态参量为坐标轴作的图，如P-V图图 （或（或P-T图，图，V-T图）图）第6页/共79页2023/10/127 二二 热力学系统的功热力学系统的功以气体在汽缸内膨胀（准静态过程）为例：以气体在汽缸内膨胀（准静态过程）为例：功是能量交换或转化的一种量度，做功改变功是能量交换或转化的一种量度，做功改变系统的状态系统的状态(系统内能变化系统内能变化)。热力学系统中，要。热力学系统中，要用热力学量用热力学量(p、V、T)描述功描述功。第7页/共79页2023/10/128x 二二 热力学系统的功热力学系统的功以气体在汽缸内膨胀（准静态过程）为例：以气体在汽缸内膨胀（准静态过程）为例：功是能量交换或转化的一种量度，做功改变功是能量交换或转化的一种量度，做功改变系统的状态系统的状态(系统内能变化系统内能变化)。热力学系统中，要。热力学系统中，要用热力学量用热力学量(p、V、T)描述功描述功。第8页/共79页2023/10/129xA A 0 0 系统对外做功（体积膨胀）系统对外做功（体积膨胀）A A 0 0 系统对外做负功（体积被压缩）系统对外做负功（体积被压缩）第9页/共79页2023/10/1210 A是是p(V)曲线下的面积，且曲线下的面积，且与曲线具体形状有关。与曲线具体形状有关。结果不唯一！结果不唯一！问题问题:汽缸的活塞运动后返回原地，汽缸内理想气体对汽缸的活塞运动后返回原地，汽缸内理想气体对外界的功是零？其内能的变化是零？外界的功是零？其内能的变化是零？第10页/共79页2023/10/1211例题：理想气体质量为例题：理想气体质量为m，由，由（p1V1）态等温的变化态等温的变化到到（p2V2）态。过程是准静态，求气体系统的功。态。过程是准静态，求气体系统的功。逆过程的功符号相反，外界对系统做功。逆过程的功符号相反，外界对系统做功。第11页/共79页2023/10/1212做做“功功”总是伴随能量传递（或转化）。总是伴随能量传递（或转化）。系统与外界有系统与外界有“功功”的交换的交换物体分子的物体分子的规则规则运动能量运动能量机械能机械能物体分子的物体分子的无规无规运动能量运动能量系统内能系统内能机械能机械能系统内能系统内能三三 热量热量 Q利用系统和外界温度的不同利用系统和外界温度的不同来改变系统内能的方法来改变系统内能的方法传热传热在传热过程中，传递给系统能量的多少称为在传热过程中，传递给系统能量的多少称为热量热量.单位单位:J(焦耳焦耳)或或 cal(卡卡),(1),(1卡卡 =4.18=4.18 焦耳焦耳 )第12页/共79页2023/10/1213系统从外界系统从外界吸热吸热系统向外界系统向外界放热放热 向系统传递向系统传递热量热量、系统的系统的内能内能的变化及的变化及系统与外界系统与外界的的功功有一定的数量关系。有一定的数量关系。三三 热量热量 Q在传热过程中，传递给系统能量的多少称为在传热过程中，传递给系统能量的多少称为热量热量.内能内能的变化的变化外界对系统外界对系统作功作功（或反之）（或反之）外界对系统外界对系统传热传热（或反之）（或反之）单位单位:J(焦耳焦耳)或或 cal(卡卡),(1),(1卡卡 =4.18=4.18 焦耳焦耳 )约定：约定：第13页/共79页2023/10/1214 设某过程，系统从外界吸热设某过程，系统从外界吸热Q，并对外界作功，并对外界作功A，系统内能从系统内能从E1 1E2 2，由能量守恒定律可得：，由能量守恒定律可得：四热力学第一定律四热力学第一定律外界对系统所传递的热：一部分用于系统对外外界对系统所传递的热：一部分用于系统对外作功作功，一部分使系统一部分使系统内能内能增加。增加。热力学第一定律实质是包含热能在内的能量守恒定律。热力学第一定律实质是包含热能在内的能量守恒定律。第14页/共79页2023/10/1215系统内能不变，只能是系统温度系统内能不变，只能是系统温度不变的过程不变的过程等温过程等温过程。第15页/共79页2023/10/1216 系统与外界无功的交换。系统变化的过程中系统与外界无功的交换。系统变化的过程中体积始终不变等容过程体积始终不变等容过程。系统变化的过程中始终与外界无热量交换系统变化的过程中始终与外界无热量交换绝热过程绝热过程第16页/共79页2023/10/1217注意注意：由于由于内能是状态量，内能是状态量，功功 A 和热量和热量 Q 都是过程都是过程量，与气体的具体变化过程有关。量，与气体的具体变化过程有关。只要理想气体的初、末态确定，内能的变化就只要理想气体的初、末态确定，内能的变化就确定。与气体的变化过程无关！确定。与气体的变化过程无关！第17页/共79页2023/10/1218第18页/共79页2023/10/1219定义定义摩尔热容摩尔热容：摩尔热容摩尔热容C：1 1摩尔的物质温度升高摩尔的物质温度升高(降低降低)1K所吸收所吸收(放出放出)的热量。的热量。设理想气体的质量设理想气体的质量m，温度从温度从T1变化到变化到T2，系系统交换的热量统交换的热量Q：8.2 8.2 理想气体的热容理想气体的热容如果已知摩尔热容，质量如果已知摩尔热容，质量m理想气体交换的热量为理想气体交换的热量为Q：比热比热第19页/共79页2023/10/1220常见的过程的摩尔热容常见的过程的摩尔热容:一、定容过程一、定容过程第20页/共79页2023/10/1221二、定压过程二、定压过程1mol1mol理想气体的状态方程：理想气体的状态方程：第21页/共79页2023/10/1222摩尔热容在理想气体历经不同的过程中有不同的值，摩尔热容在理想气体历经不同的过程中有不同的值，热量是过程量热量是过程量。定义气体的定义气体的比热比热(容容)比比：迈耶公式迈耶公式第22页/共79页2023/10/1223 由于内能是状态量，理想气体历经一切过程，由于内能是状态量，理想气体历经一切过程，内能的表达同上！内能的表达同上！利用利用CV表达内能：表达内能：第23页/共79页2023/10/1224例例 8 89 9等容时：等容时：第24页/共79页2023/10/1225 气缸内气缸内10mol单原子理想气体，在压缩过单原子理想气体，在压缩过程中，外力做功程中，外力做功209J，气体温度升高，气体温度升高1K，试计算气，试计算气体内能增加和所吸收的热量，在此过程中气体的摩体内能增加和所吸收的热量，在此过程中气体的摩尔热容量是多少？尔热容量是多少？8 81010第25页/共79页2023/10/1226常见热力学过程的热量、功和内能的计算。常见热力学过程的热量、功和内能的计算。8.3 8.3 热力学第一定律应用热力学第一定律应用第26页/共79页2023/10/12271.等容过程等容过程2.等温过程等温过程能否直接求解热量？能否直接求解热量？第27页/共79页2023/10/12283.等压过程等压过程第28页/共79页2023/10/12294.绝热过程绝热过程 系统变化的过程中始终不能与外界交换热量绝系统变化的过程中始终不能与外界交换热量绝热过程。热过程。在实际的过程中，过程的某一瞬间，由于热量的传在实际的过程中，过程的某一瞬间，由于热量的传递慢，在瞬间可以将过程近似为绝热过程。递慢，在瞬间可以将过程近似为绝热过程。绝热过程的基本特征是绝热过程的基本特征是：准静态绝热过程准静态绝热过程第29页/共79页2023/10/1230绝热过程绝热过程状态方程：状态方程：消除变量消除变量T(2)/(1)：第30页/共79页2023/10/1231绝热过程的泊松公式绝热过程的泊松公式:是描述绝热过程的过程方程。是描述绝热过程的过程方程。但不论何种过程，理想气体都必须满足状态方程。但不论何种过程，理想气体都必须满足状态方程。第31页/共79页2023/10/1232与理想气体的等温过程比较：与理想气体的等温过程比较：绝热过程在绝热过程在 pV 图上也是一个图上也是一个类似双曲线的曲线。类似双曲线的曲线。绝热绝热等温等温 两曲线的交点两曲线的交点 A A 处的切线斜率均为负值，但绝热处的切线斜率均为负值，但绝热曲线的斜率更小（绝对值大）曲线的斜率更小（绝对值大）。绝热过程绝热过程第32页/共79页2023/10/1233等温过程等温过程绝热绝热等温等温绝热过程无能源供给，气体膨胀时，其压强下降更快。绝热过程无能源供给，气体膨胀时，其压强下降更快。证明？证明？第33页/共79页2023/10/1234例题：绝热过程的功的计算。例题：绝热过程的功的计算。第34页/共79页2023/10/1235第35页/共79页2023/10/1236 非准静态绝热过程非准静态绝热过程真空真空绝热自由膨胀绝热自由膨胀第36页/共79页2023/10/1237由于真空膨胀，气体不做功。由于真空膨胀，气体不做功。非准静态绝热过程非准静态绝热过程 绝热自由膨胀：过程不是准静态，气体的各部分绝热自由膨胀：过程不是准静态，气体的各部分参数不同，不满足理想气体的状态方程。也不能用状参数不同，不满足理想气体的状态方程。也不能用状态图表示。但服从能量守恒热力学第一定律。态图表示。但服从能量守恒热力学第一定律。气体膨胀的初态、末态是平衡气体膨胀的初态、末态是平衡态，可以用状态方程描述。态，可以用状态方程描述。绝热自由膨胀绝热自由膨胀第37页/共79页2023/10/1238由于初态、末态是平衡态由于初态、末态是平衡态,可以用状态方程描述：可以用状态方程描述：*绝热自由膨胀虽然初、绝热自由膨胀虽然初、末态温度相同，但不是末态温度相同，但不是等温过程！等温过程！第38页/共79页2023/10/1239n=0 等压过程等压过程n=1 等温过程等温过程n=绝热过程绝热过程（C=0）n=等容过程等容过程5.多方过程多方过程 气体的实际过程常常既不是等值的，也不是绝热气体的实际过程常常既不是等值的，也不是绝热的。而是用以下方程描述的的。而是用以下方程描述的多方过程：多方过程：PV n =常量常量 （n称称为多方指数）为多方指数）一般情况一般情况 1 n ，多方过程可近似代表气体多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。内进行的实际过程。第39页/共79页2023/10/1240过程特征参量关系等容等容0等压等压等温等温0绝热绝热0第40页/共79页2023/10/1241过程特征参量关系等容等容0等压等压等温等温0绝热绝热0第41页/共79页2023/10/1242 热能不能直接转化为有用功，必须通过热力学系统，热能不能直接转化为有用功，必须通过热力学系统，使热能先转化为气体分子的无序运动，再使无序的分使热能先转化为气体分子的无序运动，再使无序的分子运动转化为有序运动。子运动转化为有序运动。热力学系统热力学系统热能热能功功热能不可能脱离热力学系统直接做功！热能不可能脱离热力学系统直接做功！热力学系统的循环过程热力学系统的循环过程第42页/共79页2023/10/1243热力学系统热力学系统热能热能功功目的：希望将热能转化为功。目的：希望将热能转化为功。一、为什么需要循环？一、为什么需要循环？理想气体以体积膨胀的方式对外界做功。但膨理想气体以体积膨胀的方式对外界做功。但膨胀有限度，这一限度限制了将热能转化为功的胀有限度，这一限度限制了将热能转化为功的连续连续性性。第43页/共79页2023/10/1244 现实的方法是：当热力学系统做功到一定的程度现实的方法是：当热力学系统做功到一定的程度后，设法使系统恢复到初始状态，再以原方式对外后，设法使系统恢复到初始状态，再以原方式对外界做功。界做功。这样周而复始，可以用一个热力学系统，连续将这样周而复始，可以用一个热力学系统，连续将热能转化为有用功。所以循环过程是必须的。热能转化为有用功。所以循环过程是必须的。第44页/共79页2023/10/1245二、需要什么形式的循环？二、需要什么形式的循环？由于热力学系统返回初始态时，外界必须付出代由于热力学系统返回初始态时，外界必须付出代价价外界对系统做功。外界对系统做功。如果外界的功等同或大于系统膨胀的功，系统膨如果外界的功等同或大于系统膨胀的功，系统膨胀的功则毫无意义！胀的功则毫无意义！第45页/共79页2023/10/1246 热力学系统是能量的中转站！热力学系统是能量的中转站！三、循环的目的：三、循环的目的：第46页/共79页2023/10/1247 为评价一个循环将热能转化为有用功的能力，引为评价一个循环将热能转化为有用功的能力，引入循环效率：入循环效率：一个具体循环效率，可由上式计算。构造循环一个具体循环效率，可由上式计算。构造循环时应是高效率的循环。时应是高效率的循环。四、如何评价循环？四、如何评价循环？因为系统必须返回原态，系统在循环中放热是不因为系统必须返回原态，系统在循环中放热是不可避免的。系统在循环中吸收的热能只有一部分转可避免的。系统在循环中吸收的热能只有一部分转化为有用功。化为有用功。第47页/共79页2023/10/1248 卡诺循环卡诺循环 由四个分过程组成由四个分过程组成:第一过程：等温过程第一过程：等温过程第二过程：绝热过程第二过程：绝热过程第第 三过程：等温过程三过程：等温过程第第 四过程：绝热过程四过程：绝热过程过程效率：过程效率：过程效率：过程效率：仅恢复体积仅恢复体积恢复内能、体积恢复内能、体积卡诺（卡诺（Carnot）第48页/共79页2023/10/1249卡诺循环的效率：卡诺循环的效率：第49页/共79页2023/10/1250以绝对值表示：以绝对值表示：第50页/共79页2023/10/1251 热力学系统卡诺循环与两热力学系统卡诺循环与两个热库有关，个热库有关，T1是高温热库是高温热库温度，温度，T2是低温热库温度。是低温热库温度。例如：汽油机汽缸燃烧高温例如：汽油机汽缸燃烧高温T11000，排汽温度排汽温度T227，汽油机卡诺效率：，汽油机卡诺效率：第51页/共79页2023/10/1252例例 8 81313第52页/共79页2023/10/1253第53页/共79页2023/10/1254卡诺循环的图示：卡诺循环的图示：高温热源高温热源低温热源低温热源第54页/共79页2023/10/1255 循环的目的是热功循环的目的是热功转化，理想气体系统膨转化，理想气体系统膨胀的功大于系统复原时胀的功大于系统复原时外界的功。外界的功。基本特点是基本特点是顺时针顺时针循环循环，称为正循环，以，称为正循环，以正循环的工作的系统称正循环的工作的系统称为为热机热机。如果循环方向逆转如果循环方向逆转：第55页/共79页2023/10/1256 理想气体系统膨胀的功小于系统复理想气体系统膨胀的功小于系统复原时外界的功。外界对系统有净功！原时外界的功。外界对系统有净功！循环的目的不再是热功转化，而是循环的目的不再是热功转化，而是以功为代价，换取热量的逆行以功为代价，换取热量的逆行，即制冷。即制冷。制冷循环制冷循环 第56页/共79页2023/10/1257制冷循环制冷循环 为评价一个逆循环有为评价一个逆循环有用功将热量逆抽送的能用功将热量逆抽送的能力，引入力，引入制冷系数制冷系数：第57页/共79页2023/10/1258随低温热源的温度随低温热源的温度T2的下降，制的下降，制冷系数降低，进一步制冷困难。冷系数降低，进一步制冷困难。卡诺逆循环卡诺逆循环第58页/共79页2023/10/1259制冷系数随低温热库的温度变化。制冷系数随低温热库的温度变化。第59页/共79页2023/10/1260例例 设电冰箱箱内温度为设电冰箱箱内温度为T2=270K，箱外空气温度为箱外空气温度为T1=300K（27），卡诺制冷系数为：卡诺制冷系数为：若 T2=252K（18）第60页/共79页2023/10/1261例：一制冷机的电机的输出功率为例：一制冷机的电机的输出功率为200W，如果冷凝室，如果冷凝室的温度为，而冷凝室外的温度为，如果为理想效率，的温度为，而冷凝室外的温度为，如果为理想效率，问在内从冷凝室中取出的热量为多少？问在内从冷凝室中取出的热量为多少？600秒时间总热量：秒时间总热量：第61页/共79页2023/10/1262 在实际过程中，热能与机械功的转化过程中有在实际过程中，热能与机械功的转化过程中有不不对等对等的结构。的结构。循环吸热后，由于循环的性质，循环吸热后，由于循环的性质，必须必须返还其中一返还其中一部分于外界，否则循环不能维持。部分于外界，否则循环不能维持。循环过程：循环过程：8.5 热力学第二定律热力学第二定律一一 与热现象有关的宏观自然过程与热现象有关的宏观自然过程第62页/共79页2023/10/1263 热能不可能全部转化为功，而不对外界产生影响！热能不可能全部转化为功，而不对外界产生影响！等温过程可以将热能全部转化为功，但是对外界等温过程可以将热能全部转化为功，但是对外界有影响。（气体的体积变化）有影响。（气体的体积变化）功热转换过程具有方向性！功转换为热经常自然功热转换过程具有方向性！功转换为热经常自然发生；而热不可能自动地转换为功。发生；而热不可能自动地转换为功。第63页/共79页2023/10/1264热传导热传导 热量热量自动地自动地由高温物体传向低温物体，其逆由高温物体传向低温物体，其逆过程是不存在的。即热传导过程是不可逆的。过程是不存在的。即热传导过程是不可逆的。气体的自由膨胀气体的自由膨胀气体的自由膨胀过程是不可逆的。气体的自由膨胀过程是不可逆的。自然界的一切实际热力学过程都是按一定的方自然界的一切实际热力学过程都是按一定的方向进行的，其逆过程不可能向进行的，其逆过程不可能自动自动进行。进行。自然过程是有方向的自然过程是有方向的。第64页/共79页2023/10/1265开尔文的表述开尔文的表述：单一热源：单一热源循环动作循环动作热机不可能制成。热机不可能制成。克劳修斯表述克劳修斯表述：热量不可能：热量不可能自动地自动地由低温热源传向由低温热源传向 高温热源。高温热源。热力学第二定律是说明热力学第二定律是说明自然宏观过程进行的方向的规律。自然宏观过程进行的方向的规律。热力学第二定律的两种表述是等价的。热力学第二定律的两种表述是等价的。二二 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述(唯一效果唯一效果是热全部转变为功的过程是热全部转变为功的过程是不可能的。是不可能的。)第65页/共79页2023/10/1266 不可能有这样的循环，从单一热源吸热并全不可能有这样的循环，从单一热源吸热并全部转化为功，而不对外界产生影响。部转化为功，而不对外界产生影响。热量不可能热量不可能自动地自动地由低温热源传向高温热源。由低温热源传向高温热源。热量可以热量可以自动地自动地由高温热源传向低温热源。由高温热源传向低温热源。热量可以由低温热源传向高温热源。热量可以由低温热源传向高温热源。热机的效率不可能达到热机的效率不可能达到100100。问题：热机的效率不能达到问题：热机的效率不能达到100100，理论上热机的，理论上热机的效率上限是多少？在技术上如何达到这个上限？效率上限是多少？在技术上如何达到这个上限？第66页/共79页2023/10/1267例 用热力学第一定律和第二定律分别证明，在P-V图上一绝热线与一等温线不能有两个交点 解：1.由热力学第一定律有若有两个交点a和b，则经等温过程有经绝热过程有从上得出这与两点的内能变化应该相同矛盾2.若两条曲线有两个交点，则组成闭合曲线而构成了一循环过程，这循环过程只有吸热，无放热，且对外做正功，热机效率为100%，违背了热力学第二定律第67页/共79页2023/10/1268 一、可逆过程与不可逆过程一、可逆过程与不可逆过程定义定义可逆过程可逆过程:一个过程一个过程 P 其逆过程完成时，周围的一其逆过程完成时，周围的一切都完全复原，则过程切都完全复原，则过程 P 为可逆过程。为可逆过程。不可逆过程不可逆过程:一个过程一个过程 P 其逆过程不存在，或逆过其逆过程不存在，或逆过程完成时周围的一切不能完全复原，则过程程完成时周围的一切不能完全复原，则过程 P 为不为不可逆过程。可逆过程。可逆过程一定是准静态过程。但准静态过程不可逆过程一定是准静态过程。但准静态过程不一定是可逆过程。例如无限缓慢地透热过程。一定是可逆过程。例如无限缓慢地透热过程。8.6 8.6 熵熵 系统恢复不了原态，系统恢复不了原态，P 就是不可逆的；系统恢复就是不可逆的；系统恢复了原态却引起了外界的变化，过程了原态却引起了外界的变化，过程 P 也是不可逆的也是不可逆的 第68页/共79页2023/10/1269热机汽缸的活塞快速膨胀过程是否可逆过程？热机汽缸的活塞快速膨胀过程是否可逆过程？第69页/共79页2023/10/1270热机的汽缸活塞快速膨胀过程是否可逆过程？热机的汽缸活塞快速膨胀过程是否可逆过程？由于快速膨胀：由于快速膨胀：系统对外界的功：系统对外界的功：第70页/共79页2023/10/1271由于快速压缩：由于快速压缩：热机的汽缸活塞快速膨胀过程是否可逆过程？热机的汽缸活塞快速膨胀过程是否可逆过程？由于快速膨胀：由于快速膨胀：系统对外界的功：系统对外界的功：外界对系统的功外界对系统的功：第71页/共79页2023/10/1272热机的汽缸活塞快速膨胀过程是否可逆过程？热机的汽缸活塞快速膨胀过程是否可逆过程？活塞恢复原态时，外界对系统多做活塞恢复原态时，外界对系统多做 A的功，系统的内能增加，温度上升，的功，系统的内能增加，温度上升，系统恢复原温度就需要向外界放热：系统恢复原温度就需要向外界放热：第72页/共79页2023/10/1273热机的汽缸活塞快速膨胀过程不是可逆过程！热机的汽缸活塞快速膨胀过程不是可逆过程！结果是系统完全复原，但是过程对外界有影响：结果是系统完全复原，但是过程对外界有影响：A 的功变成了热能的功变成了热能Q。根据热力学第二定律，根据热力学第二定律，Q是无法是无法100地转化为功而使外界复原的。地转化为功而使外界复原的。第73页/共79页2023/10/1274摩擦过程：摩擦过程：摩擦可以生热，但是热不能自动产生摩擦，过程是不可逆过程。摩擦可以生热，但是热不能自动产生摩擦，过程是不可逆过程。问题：气体的自由膨胀是否可逆过程？问题：气体的自由膨胀是否可逆过程？真空“一切与热现象有关的一切与热现象有关的实际宏观过程实际宏观过程都是不可逆的都是不可逆的”气体的自由膨胀是非准静态过气体的自由膨胀是非准静态过程，不可逆。程，不可逆。气体膨胀时未做功，外界压缩气气体膨胀时未做功，外界压缩气体，要对气体做功，不可逆。体，要对气体做功，不可逆。第74页/共79页2023/10/1275二、卡诺定理二、卡诺定理 违背热力学第一定律的第一类永动机不可能出违背热力学第一定律的第一类永动机不可能出现，违背热力学第二定律的第二类永动机也不可能现，违背热力学第二定律的第二类永动机也不可能出现。出现。卡诺定理卡诺定理在相同的高、低温热源间工作的一切在相同的高、低温热源间工作的一切可逆可逆过程卡诺过程卡诺 热机，效率相同，与循环工作物质无关。热机，效率相同，与循环工作物质无关。在相同的高、低温热源间工作的一切热机，可逆过在相同的高、低温热源间工作的一切热机，可逆过程热机效率最高。程热机效率最高。第75页/共79页2023/10/1276热机效率的极限是：热机效率的极限是：如何提高效率？如何提高效率？制造可逆过程热机制造可逆过程热机使用卡诺循环的热机使用卡诺循环的热机加大高、低温热源的温度差加大高、低温热源的温度差实际适用的仅可能加大高、低温热源的温差。实际适用的仅可能加大高、低温热源的温差。第76页/共79页2023/10/1277热能几乎不能转化为有用功。热能几乎不能转化为有用功。热能几乎全部转化为有用功。热能几乎全部转化为有用功。相同的热能，其有用程度不同！相同的热能，其有用程度不同！第77页/共79页2023/10/1278三、熵三、熵由于卡诺定理：由于卡诺定理：对于可逆循环过程热机：对于可逆循环过程热机：考虑热量的符号：考虑热量的符号：(用代数值表示用代数值表示)第78页/共79页2023/10/1279感谢您的观看！第79页/共79页