第11章 大学物理热力学基础

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1、三、卡诺循环及其效率卡诺循环卡诺循环能流图卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程构成的理想化循环。1824年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环—卡诺循环.给出了热机效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理.1234A绝热绝热等温T1等温T2低温热源高温热源卡诺热机12341等温T1等温T2绝热绝热V1V4V3V2PV1、4两点在同一绝热线上,2、3两点在同一绝热线上,有由绝热方程：卡诺（法国人、1796-1832）21→2等温膨胀过程，吸热Q1=A=RT1ln(V2/V1)于是,由3→4等温压缩过程，放热的大小为得2

2、341等温T1等温T2绝热绝热V1V4V3V2PVQ2=RT2ln(V3/V4)再由：3再由卡诺热机循环效率:卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高.4A1234高温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数5卡诺制冷系数wC是工作在之间的所有致冷循环中最高的。2341等温T1等温T2绝热绝热V1V4V3V2PV逆卡诺循环A6疑问：由热力学第一定律，循环过程中如果相当于把吸收的热量全作功，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？说明:必然还有一个独立

3、于热力学第一定律的定律存在，这就是热力学第二定律,它制约着热功转换的效率。7§11.5热力学第二定律（Secondlawofthermodynamics）热力学第二定律是关于自然过程方向的一一.热力学第二定律的两种表述1.开氏表述（Kelvin，1851）条基本的、普遍的定律。“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响”开尔文（Kelvin,1851）8其唯一效果是热量全部转变为功的过程是不可能的。A=QQT第二类永动机开氏另一种表述“第二类永动机是不可能造成的”9海水温度降低0.01K,够全世界用1000年。若海轮

4、上有一个单热源热机…永动的海轮！第二类永动机------从一个热源吸热并将热全部变为功的热机。什么叫第二类永动机？10A=QV1TQV2左图所示过程是思考2.克氏表述（clausius，1850）QT1（高）T2（低）否违反热力学第二定律？热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。（答：否。产生了其它影响，即体积膨胀。）克劳修斯（clausius，1850）11二.两种表述的等价性反证法：等价则克氏表述不成立高温T1低温T2Q2A=Q1高温T1Q1Q1+Q2低温T2Q2证明I：若开尔文表述不成立，那么克劳修斯表述也不成立。复合机12证明I

5、I：若克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。克劳修斯表述不成立(有过程B)加一卡诺热机D,则B、D组成复合机.T1T2Q2Q2BDQ1Q2T1T2复合机A=Q1–Q2则开氏表述不成立Q1–Q2A13[例]试证明在pV图上任意物质的一条等证：用反证法，设等温线和绝热线能相交两次。绝热线（等S线）等温线QA=QpV则如图示，可构成一个单热源热机，从而违反热力学第二定律的开氏表述，故假设不成立。温线和一条绝热线不能相交两次。类似的也可用反证法证明在pV图上两条（自己证明）绝热线不能相交。14§11.6过程的可逆性卡诺定理一.定义1.可逆

6、过程（reversibleprocess）：可逆过程:在系统状态变化过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程.可逆过程的条件准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程为可逆过程.15不可逆过程：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，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.2.不可逆过程（irreversibleprocess）：非准静态过程为不可逆过程.不可逆过程其结果不能完全被消除，例如：摩擦生热，有限温差热传导，

7、气体自由膨胀16开尔文表述说明:功热是不可逆过程;克劳修斯表述说明:热量传递是不可逆过程.“一切与热现象有关的实际宏观过程都不可逆的”热力学第二定律的实质：17二、卡诺定理（Carnottheorem）（1824年）1、工作在相同的高温（T1）、低温（T2）热源之间的一切可逆机的效率都相等，与工作物质无关。（*证明见书P58）卡诺定理有两条：热力学第二定律指出，热机效率不可能为100%,那么热机效率最高为多少？182、工作在相同高温、低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。只与T1(高温)和T2(低温)有关，与物质种

8、类、膨胀的体积无关;讨论1)卡诺热机效率192)卡诺定理理论指导作用指明了提高热机效率的方法：a）增大高温T1与低温T2间的温差。一般热机总是以环境为低温热源，所以有效途径是提高高温热源的温度