资源描述
,University Physics,多方过程,理想气体多方过程,多方过程摩尔热容,其中,n,为常数，称为多方指数。,当,n,=0,时，,C,n,=,C,p,，过程方程为,V T,-1,=,常量,，等压过程,.,当,n,=1,时，,C,n,=,，过程方程为,pV,=,常量,，等温过程,.,当,n,=,时，,C,n,=0,，过程方程为,pV,=,常量,，绝热过程,.,当,n,=,时，,C,n,=,C,V,，过程方程为,pT,-1,=,常量,，,等体过程,.,特征：,正循环,(,顺时针,),-,热机,逆循环,(,逆时针,),-,致冷机,循环的分类,:,循环过程,热机效率,致冷系数,思考：判别热机和致冷机循环？,还原,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,（,10,-3,m,3,）,O,V,（,10,-3,m,3,）,O,p,（,10,-3,R,）,(2),ab,是等温过程，有,bc,是等压过程，有,(1),p,V,图,ca,是等体过程,循环过程中系统吸热,循环过程中系统放热,此循环效率,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,在过程中,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,例,求,一定量的理想气体经历如图所示的循环过程，,A,B,和,C,D,是,等压过程，,B,C,和,D,A,是绝热过程。,已知：,此循环的效率。,A,B,C,D,V,p,O,分析,BC,绝热过程,AD,绝热过程,解,BC,绝热过程,AD,绝热过程,证明：采用反证法,在该循环过程中,对于任一元过程，有,在该循环过程中,与假设矛盾,试证明：,循环过程中摩尔热容不可能是常数,11.9,热力学第二定律,一,.,热力学第二定律,由热力学第一定律可知，热机效率不可能,大于,100%,。,那么热机效率能否等于,100%,（）呢？,地球,热机,Q,1,A,若热机效率能达到,100%,则仅使地球上的海水冷却,1,所获得的功相当于,10,14,t,煤燃烧后放出的热量。,单热源热机,(,第二类永动机,),想法一,想法二,不消耗外界功的致冷机,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。,(1),热力学第二定律开尔文表述,的,另一叙述形式,:,第二,类永动,机不可能制成,说明,(2),热力学第二定律的开尔文表述,实际上表明了,而实质上,说明了自发过程中功热转换过程具有一定的方向性,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,实质上,说明了,自发过程中,热传导过程具有方向性,(1),热力学第二定律克劳修斯表述的,另一,叙述形式,:,理想制冷机,不可能制成,说明,(2),热力学第二定律的克劳 修斯表述,实际上表明了,3.,热机、制冷机的能流图示方法,热机的能流图,致冷机的能流图,高温热源,低温热源,低温热源,高温热源,例,解,下列图示表示某人设想的理想气体的四个循环过程。,其中一个是可能实现的循环过程。,V,p,O,绝热,等容,等温,Q,=0,Q,0,Q,0,Q,0,绝热,Q,=0,V,p,O,绝热,等温,Q,=0,Q,0,绝热,Q,=0,4.,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,低温热源,(2),假设克劳修斯,表述不成立,开尔文表述不成立,低温热源,高温热源,用热力学第二定律证明：在,p,V,图上任意两条绝热线不可能相交,反证法,例,证,a,b,c,绝热线,等温线,设两,绝热线,相交于,c,点，,V,p,O,这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背,热力学第二定律的开尔文表述的,。因此任意两条绝热线不可能相交。,两绝热线上寻找温度相同,的两点,a,、,b,。,在,ab,间作,一循环过程。,在,一条等温线，,abca,构成,在此,循环过程,中,思考：,在,p,V,图上一条等温线与一条绝热线可能有两个交点吗？,11.10,可逆与不可逆过程,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。,一,.,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,自发过程,自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。,1,.,不可逆过程的实例,力学,(,无摩擦时,),x,m,过程可逆,(,有摩擦时,),不可逆,二,.,不可逆过程,(,可逆过程中，系统和外界都能恢复到原来的状态,).,（,真空,）,可逆,（有气体）,不可逆,功向热转化的过程是不可逆的,。,墨水在水中的扩散,一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。,热量从高温,自动,传向低温物体的过程是不可逆的,自由膨胀的过程是不可逆的,。,一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际热力学过程都是不可逆过程。,如燃烧、扩散、生命过程等都不是可逆过程,.,(,气体自由膨胀可以自发发生，但不会自发压缩,.),热传导的方向性,无摩擦的准静态过程是可逆过程,(,是理想过程,).,三,.,热力学第二定律的实质，就是揭示了自然界的一切自发,过程都是单方向进行的不可逆过程。,(1),热力学第二定律既然是涉及大量分子的运动的无序性变,化的规律，因而它是一条统计规律。,说明,(2),热力学第二定律只适用于大量分子的集体，而不适用于只,有少量分子的系统。,不平衡和耗散等,因素的存在，是导致过程不可逆的原因。,2.,过程不可逆的因素,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,1.,卡诺热机的效率,a,b,c,d,Q,1,Q,2,p,V,O,V,1,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,为了提高热机效率，卡诺提出一个方案：,热机工作在两个热源之间，并无散热，漏气，摩擦等耗损因素等,对,bc,da,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,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,卡诺热机的效率仅与高低温热源温度比值有关,.,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),提高热机效率的途径：增加温差；,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。,热机循环中工作物向外放出的热量,(,绝对值,),，表示从各热源吸收的热量,(,绝对值,),。,例,下列各说法中确切的说法是：,(1),其他热机的效率都小于卡诺热机的效率。,(2),热机的效率都可表示为,(3),热机的效率都可表示为,(4),其他热机在每一循环中对外作的净功一定小于卡诺,热机在每一循环中对外作的净功。,式中 表示,式中 为低温,热源温度，,为高温热源温度。,例,关于热功转换和热量传递过程，有下面一些叙述：,(1),功可以完全变为热量，而热量不能完全变为功；,(2),一切热机的效率都只能小于,1,；,(3),热量不能从低温物体向高温物体传递；,(4),热量从高温物体向低温物体传递是不可逆的。,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，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量,Q,2,，,放入室外热量,Q,1,则,每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即,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,2,，,放入室内热量,Q,1,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,。,本章小结,1.,功、热量、内能,2.,热力学第一定律,(1),准静态过程的功,(2),热量、内能,(3),内能变化,功和热量是过程量，内能是状态量,.,对微小的变化过程,3.,摩尔热容,定体摩尔热容,定压摩尔热容,迈耶公式,比热容比,4.,循环过程,热机效率,卡诺热机效率,.,致冷系数,卡诺致冷系数,.,5.,热力学第二定律,克劳修斯表述,:,不可能使,热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化，及热传递过程是不可逆的,.,开尔文表述,:,不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其他变化，即功热转化是不可逆的,.,热力学第二定律的统计意义：,自发宏观过程总是沿着系统热力学概率增大的方向进行，或者说自发宏观过程是沿着热运动更无序的方向进行的,.,
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