第三章----热力学第二定律.ppt2.ppt

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1、第三章热力学第二定律引言：热力学第一定律已经解决了的问题：1.能量在质的方面有多种形式；2.不同形式的能量可以相互转化；3.转化时符合能量守恒定律。热力学第一定律没有解决的问题：没有指出能量转化的方向与限度。本章基本要求：1.理解自发过程、卡诺循环、卡诺定理。2.掌握热力学第二定律的文字表述和数学表达式。3.理解熵、亥姆霍兹函数、吉布斯函数定义；掌握熵增原理、熵判锯、亥姆霍兹函数判锯、吉布斯函数判锯。4.掌握物质纯PVT变化、相变化中熵、亥姆霍兹函数、吉布斯函数的计算及热力学第二定律的应用。5.掌握主要热力学公式的推导和适用条件。6.掌握热力学基本方程和麦克斯韦关系式；理解推导热力学

2、公式的演绎方法。7.理解克拉佩龙方程、克劳修斯——克拉佩龙方程，掌握其计算。§3-1卡诺循环1.热机通过工作介质从高温热源吸热作功，然后向低温热源放热本身复原，如此循环操作，不断将热转化为功的机器。一、热机效率2.热机效率热机从高温T1热源吸热Q1转化为功-W的分数，就是热机效率，用表示。=-W/Q1=(Q1+Q2)/Q1=1+Q2/Q1-W是系统（在一个循环过程中对外作的功，Q1是从高温热源吸热，热机除对外作的功还将部分热Q2传给低温热源。二、卡诺循环卡诺为研究热机效率设计了四个可逆步骤组成的循环称为循环卡诺循环：卡诺循环四个步骤：(以理想气体为工作介质)1.恒温可逆膨胀(P1

3、V1T1)——(P2V2T1)2.绝热可逆膨胀(P2V2T1)——(P3V3T2)3.恒温可逆压缩(P3V3T2)——(P4V4T2)4.绝热可逆压缩(P4V4T2)——(P1V1T1)三、卡诺热机效率C因为是循环过程所以U=0，-W=Q=Q1+Q2以理想气体为工作介质:Q1=-W(12)=nRT1ln(V2/V1)Q2=-W(34)=nRT2ln(V4/V3)第2,4步为绝热过程，符合理想气体绝热可逆过程方程，即：T1V2-1=T2V3-1，T2V4-1=T1V1-1T1/T2=(V3/V2)-1，T1/T2=(V4/V1)-1V3/V2=V4/V1，V4

4、/V3=V1/V2Q2=nRT2ln(V1/V2)=-nRT2ln(V2/V1)Carnot热机效率ηR结论:(a)Carnot热机效率(b)热机效率只与高低温热源的温度有关§3-2自发过程的共同特征一、自发过程：1.定义:不需要外功(不是热)，就能自动进行的变化过程。2.例子二、自发过程的特征１．隔离系统内具有某种推动力；T,P,C２．过程的方向是使推动力减小;３．过程限度是推动力0４．是热力学不可逆过程；（其逆过程不可能使系统和环境都复原）５．具有作功能力§3-3热力学第二定律一、热力学第二定律文字表述１．克劳修斯说法：热不能自动从低温(物体)流向高温(物体)。２．

5、开尔文说法：不能从单一热源吸热作功而无其它变化。或：第二类永动机不能实现。二、卡诺定理Carnot证明:所有工作在两个相同高低温热源间的热机,以可逆热机的效率为最大.即<实际热机为不可逆热机=实际热机为可逆热机Carnot定理推论:在T1和T2两热源间工作的所有可逆热机,其效率必相等,与工作物质及其变化种类无关.或对无限小循环三、熵函数的导出热温商Carnot循环高低温热源的热温商之和为零.由可逆循环:对任意可逆循环ABCDA（光滑曲线）作许多绝热可逆(红色)线分割，再作等温可逆(棕色)线与相邻的两绝热可逆线相交，使许多小卡诺循环组成的面积与原ABCDA所围面积相等。（见左上图）对每

6、个小卡诺循环Qi1/T1+Qi2/T2=０所以(Qi1/T1+Qi2/T2)=０图中绝热线bd部分是两个相邻小卡诺循环公用线效果正好抵消。(见左下图)则折线ABCDA可代替原可逆循环ABCDA。由(Qi1/T1+Qi2/T2)=０则Qr/T=０当取小卡诺循环无限多时折线与光滑曲线重合。所以∮Qr/T=０沿闭合曲线环积分为零则所积变量为状态函数。故：Qr/T为某状态函数的全微分。∴任意可逆循环热温商之和等于零AB2将该可逆循环分为两步，有：1故：Qr/T为某状态函数的全微分。因此可以定义：dS=Qr/T（可逆过程的热温商）命名这状态函数S为熵熵的讨论1、是状

7、态函数，广延性质。2、单位：JK-1。3、熵有物理意义，是无序度的函数。４、　　　　　　　　　　＝ＳＢ－ＳＡ可逆过程热温熵之和等于熵变四、Clausius不等式--热力学第二定律的数学表达式.不可逆循环：任意不可逆循环热温商之和小于零∴任意不可逆过程热温商之和小于熵变AB可逆不可逆综合前面结果：上式称为Clausius不等式,亦称为热力学第二定律的数学表达式。反之，对任意过程，有：一定是可逆过程一定是不可逆过程不可能发生五、熵判据与熵增原理１、绝热过程当