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单击此处编辑母版标题样式目录,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,*,1,2,五 绝热过程,与外界无热量交换的过程,特征,绝热的,汽缸壁和活塞,热一律,绝热过程方程的推导,分离变量得,1,2,绝 热,方 程,常量,常量,常量,1,2,W,绝 热,膨 胀,1,2,W,绝 热,压 缩,W,W,绝热线和等温线,绝热,过程曲线的斜率,等温,过程曲线的斜率,绝热线的斜率大于等温线的斜率,.,常量,常量,A,B,C,常量,一定量氮气，其初始温度为,300 K,，,压强为,1atm,。,将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的,1/5,。,解,例,1,求,压缩后的压强和温度,根据绝热过程方程的,p,V,关系，有,根据绝热过程方程的,T,V,关系，有,氮气是双原子分子,例,2,一气缸内贮有,8g,氧气，体积为,2.310,-3,m,3,，温度为,27,。（,1,）如果氧气做绝热膨胀，膨胀后的体积为,2.310,-2,m,3,，问：气体做多少功？（,2,）如果气体做等温膨胀，膨胀后的体积也为,2.310,-2,m,3,，问气体做多少功？,提示,：（,1,）,绝热膨胀过程气体对外做功等于气体内能的减少，先找出内能的改变量。内能是温度的单值函数，找到绝热膨胀后的温度就可以找到内能。,（,2,）等温过程 ，根据物态方程可以找到压强,p,。,循环过程,3-3,循环过程,循环过程,卡诺循环,卡诺循环,cycle Carnot cycle,热机发展简介,1698,年萨维利和,1705,年纽可门先后发明了,蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低,.,1765,年瓦特进行了重大改进，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,.,各种热机的效率,液体燃料火箭,柴油机,汽油机,蒸汽机,热机,：持续地将热量转变为功的机器,.,工作物质,（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质,.,循环过程,将热能不断转变为功的装置称为热机。,热机中的工作物质（工质、系统）所进行的热力学过程都是循环过程。,循环过程（循环）,系统从某一状态出发经历一系列变化后又回到了原态的整个变化过程。,循环过程内能变化,准静态循环过程,循环曲线包围面积代表系统作的净功,净,顺时针,正循环 热机,净,系统对外作正功,逆时针,逆循环 致冷机,净,外界对系统作功,净,循环过程,循环过程,循环热功转换,循环过程的热功转换,吸热膨胀,吸收热量,对外作功,放热压缩,放出热量,外界作功,绝对值,吸收的,净热,量,对外作的,净功,热力学第一定律,循环过程,净,则,例,反时针旋转,顺时针旋转,p,V,O,p,V,图,A,A,总功,循环效率,循环效率 致冷系数,热机的循环效率,工质,对外作的,净功,工质从,高温,热源吸收的热量,工质从,低温,热源吸收的热量,致冷机的致冷系数,外界,对工质作的,净功,卡诺循环分析,卡诺循环,卡诺循环,卡诺循环,两,个,等,温,两个绝热,过程构成的一种,理想循环,高温热源,低温热源,工质,工质,绝热膨胀,过程方程,绝热压缩,过程方程,等温压缩,放热,量,ln,等温膨胀,吸热,量,ln,ln,ln,两式对比,得,卡诺循环效率,卡诺循环的效率,高温热源,低温热源,工质,工质,回顾循环效率和热机效率的普遍定义,高温热源温度 越高，低温热源温度 越低，卡诺循环效率就越大。,卡诺逆循环致冷,高温热源,低温热源,工质,工质,卡诺逆循环的致冷系数,回顾逆循环效率和致冷机致冷系数的普遍定义,致冷系数随着被致冷物体的温度变化而变化。被致冷物体的温度 越低，则卡诺逆循环的致冷系数越小。,例,1,一台电冰箱放在室温为 的房间里，冰箱储藏柜中的温度维持在,.,现每天有 的热量自房间传入冰箱内,若要维持冰箱内温度不变,外界每天需作多少功,其功率为多少,?,设在 至 之间运转的致冷机,(,冰箱,),的致冷系数,是卡诺致冷机致冷系数的,55%.,解,由致冷机致冷系数 得,房间传入冰箱的热量,保持冰箱在 至 之间运转,每天需作功,功率,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,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。,卡诺定理,(3),疑问：由热,I,律，循环过程中，如果,则,Q,2,=0,相当于把吸收的热量全做功。从能量转换看，不违反热力学第一定律！,但为什么实际做不到？,表明,:,必然还有一个独立于热力学第一定律的定律存在 这就是热力学第二定律。,反映了热量传递具有方向性,1.,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。,3.4,、热力学第二定律,2.,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他变化。,反映了热功转换的方向性。,可逆过程与不可逆过程,若系统经历了一个过程，而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，那么这个过程就称为可逆过程。,1.,概念,如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程。,可逆过程,不可逆过程,一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。,只有准静态、无摩擦的过程才是可逆的过程。,非,准静态过程为不可逆过程,.,举例：不可逆,过程：气体迅速膨胀,膨胀过程中，每一状态气体都处于非平衡态，气体的压强不均匀。气体在膨胀过程中对外界所作的功，将气体压缩还原过程中外界对气体所作的功要大。气体还原，但是外界没有完全还原，该过程是不可逆过程。,举例：,可逆过程,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，无能量耗散的过程,.,可逆过程的条件,一热力学第二定律的实质,1.,开尔文表述的实质指出了功变热过程的不可逆性。,2.,克劳修斯表述的实质指出了热传递过程的不可逆性。,应用热力学第二定律还可以证明其它与热现象有关的宏观过程的不可逆性。所以,热力学第二定律的实质是,:,“,自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,”,初始状态,终态,几率,很小,二、第二定律的统计意义,热力学第二定律指出了热量传递方向和,几率大,微观角度出发，从统计意义上来进行解释。,热功转化方向的不可逆性，这一结论可以从,back,down,up,气体分子位置的分布规律,气体的自由膨胀,3,个分子的分配方式,a,b,c,左,半边,右半边,abc,0,ab,bc,ac,c,a,b,a,b,c,bc,ac,ab,0,abc,(,微观态数,2,3,宏观态数,4,每一种,微观态,概率,(,1/2,3,),),微观态,:,在微观上能够加以区别的每一种分配方式,宏观态,:,宏观上能够加以区分的每一种分布方式,对于孤立系统，各个微观态出现的概率是相同的,4,个分子时的分配方式,左,半边,右半边,abcd,0,abc,bcd,cda,dab,d,a,b,c,0,abcd,abc,bcd,cda,dab,d,a,b,c,cd,ad,ab,bc,ac,db,ab,bc,cd,da,bd,ac,(,微观态数,2,4,宏观态数,5,每一种,微观态,概率,(,1/2,4,),),可以推知有,N,个分子时,分子的总,微观态数,2,N,，,总宏观态数,(,N,+1),每一种,微观态,概率,1/2,N,.,20,个分子的位置分布,宏观状态,一种宏观状态对应的微观状态数,左,20,右,0,1,左,18,右,2,190,左,15,右,5,15504,左,11,右,9,167960,左,10,右,10,184756,左,9,右,11,167960,左,5,右,15,15504,左,2,右,18,190,左,0,右,20,1,包含,微观状态数最多,的,宏观状态是出现的,概率最大的状态,从以上说明可知：不可逆过程实质上是,一个从几率较小的状态到几率较大的状态,的变化过程。,热力学概率,p,可以反映系统的无序程度,.,热力学第二定律的统计意义：一个不受外界影响的孤立系统，其内部所发生的过程总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行。,平衡态是概率最大的宏观态，其对应的微观态数目最大。,根据热力学第二定律，一切与热现象有,自动收缩。,气体能自动地向真空膨胀，但气体不能,但低温物体不能自动地将热量传给高温物体。,高温物体能自动地将热量传给低温物体，,关的实际过程都是不可逆的。,以上事实表明热力学过程进行具有方向,性。,也说明热力学过程的初态和终态之间,存在重大性质上的差别。,反映系统的这种性质差别的物理量,熵。,3.5,熵,(entropy),及熵增加原理,一、,熵,的存在,1877,年玻尔兹曼建,立了此关系,玻尔兹曼公式：,S=k,ln,P,(k,为玻尔兹曼常数）,（,2,）熵的意义：,系统内分子热运动的无序性的一种量度。,二、,玻尔兹曼熵,定义,说明,：,(1),对于一个宏观状态就一个,P,与之对应，因 而也就有一个,S,值与之对应，,因此熵是一个态函数。,（,3,）,熵具有可加性,：一个系统有两个子系统组成则该系统的熵为这两个子系统熵之和：,玻尔兹曼熵公式,S,的单位：,J.K-1,对于无限小的可逆过程,三、克劳修斯,熵,定义,可逆过程,不可逆过程,平衡态,A,平衡态,B,（,熵不变）,可逆,过程,非平衡态,平衡态（熵增加）,不可逆,过程,自发过程,孤立系统,不,可逆过程,孤立系统,可逆,过程,孤立系统中的,可逆,过程，其熵不变；,孤立系统中的,不,可逆过程，其熵要增加,.,熵增加原理成立的,条件,:,孤立系统或绝热过程,.,四、熵增加原理,熵增加原理的应用：给出自发过程进行方向,的判椐,.,在理解熵的概念及熵增原理时要注意以下几点：,系统可用能量减少，能量品质降低。,3.,熵反映了能量的品质因数，熵越大,增加，也有可能减少。,2.,对于非绝热或非孤立系统，熵有可能,决定于系统的始末状态。,1.,熵是态函数。熵变和过程无关，它只,back,down,up,4.,不能将有限范围（地球）得到的熵增原理外推到浩瀚的宇宙中去。否则会得出宇宙必将死亡的,“,热寂说,”,错误结论。,back,down,up,热,律：孤立系统 无序度增加 熵增加,但生物进化过程：成长过程有序度增加,熵产生 内部,(,恒为正,),熵流 外界,(,可正 可负 可零,),开放系统：,四、熵与生命,有序度增加 从一种,有序到更高级的有序,成熟阶段,维持一种有序,有序度下降,生物系统在短期内或,局部熵积累过多 病态,称负熵流,衰亡阶段,从,物理学的角度看,治疗的目的在于,消除积熵,薛定谔,说：生命赖负熵以存在,玻耳兹曼,说：生物为了生存而作的一般斗争,既不是为了物质 也不是为了能量,而是为了,熵,而斗争,生物从外界,吸收负熵,是以更大范围的熵增为代价的,1.,热力学基本方程,热力学第一定律,可逆过程,得,五、熵的计算,2.,理想气体态函数熵的计算公式,理想气体,3,）不可逆过程,设计连接初、末态的可逆过程,讨论,1,）等温过程,2,）等容过程,例题：把,1kg,，,20,的水放到,100,的炉子上加热，最后达到,100,，水的比热是,4.1810,3,J/kg/K,。求水的熵变。,解：设把水依次与一系列温度逐渐升高的热源接触，每次都吸收,dQ,而达到平衡。,课本例题,3.5,本章小结：,1.,热力学第一定律,热力学第一定律的应用：,定体过程,等温过程,等压过程,绝热过程,定体摩尔热容、定压摩尔热容,2.,循环过程,卡诺循环、热机效率、制冷机制冷系数,3.,热力学第二定律,熵及熵增加原理,作业,作业：,3.5 3.6 3.14 3.18,独立认真完成作业！,
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