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1、 第二章第二章 热力学基础热力学基础 前一章气体分子运动论（统计物理）是研究热现象的微观理论。本章将从宏观上研究热现象及其规律。热学的宏观理论即热力学热学的宏观理论即热力学。 热力学的任务是从能量观点出发，研究系统状态热力学的任务是从能量观点出发，研究系统状态变化过程及功热转换关系和条件，基础是热力学第一、变化过程及功热转换关系和条件，基础是热力学第一、二定律。二定律。 本章先介绍几个重要概念（热力学过程、功、热量、内能），再介绍热力学第一、二定律及其应用。 2-1 热力学过程热力学过程一、热力学过程一、热力学过程 所谓热力学过程所谓热力学过程系统从一个平衡态到另一个平系统从一个平衡态到另一个
2、平衡态，所经历的状态变化衡态，所经历的状态变化。过程发生意味着变化 热力学过程的发生，必然是原平衡态被破坏，经过一段时间又将达到新的平衡。平衡态破坏后再达到新的平衡平衡态破坏后再达到新的平衡所经历的时间称为所经历的时间称为弛豫时间弛豫时间（ ）。 如果过程很快。还未达到新的平衡，又发生了下一步变化。这样，在状态变化过程中系统经历了一系列非平衡在状态变化过程中系统经历了一系列非平衡中间状态，该过程叫做中间状态，该过程叫做非静态过程非静态过程。12密稀 如果过程进行缓慢，在状态变化过程中的每一时在状态变化过程中的每一时刻，系统都无限接近于平衡态，该过程称为刻，系统都无限接近于平衡态，该过程称为准静
3、态过准静态过程。程。 准静态过程在热力学中有极为重要的意义，因为许多问题都当做准静态过程处理。二、关于准静态过程的说明二、关于准静态过程的说明 1、无限缓慢的理想极限过程、无限缓慢的理想极限过程举例举例1：气体压缩12（快速）因过程快，活塞附近 大，P、系统性质不均匀，中间状态非平衡。 是非静态过程是非静态过程12 设想设想：在活塞上丢砂子，砂粒质量无限小，经很长时间从1压缩到2.12无限缓慢（内外微小压力差），系统各处 一致， 性质均匀，中间状态平衡。过程越慢，中间状态越接近平衡态。P、举例举例2：热传导，气体由12TT中间过程中，气体各部分温度不同，近热源温度高，上部温度低。是准静态过程是
4、准静态过程 非静态过程非静态过程 气体分别与无限多温差无限小的热源接触升温从 。无限缓慢。12TT气体各部分温差不计，温度均匀。气体各部分温差不计，温度均匀。设想设想：准静态准静态准静态过程准静态过程2、实际过程的抽象近似、实际过程的抽象近似 实际过程并非无限缓慢，准静态过程有意义吗？许多情况下，可作准静态过程处理。“无限无限”只有相对意义只有相对意义! 主要标志主要标志：弛豫时间,tt非静态；准静态 例如：气体压缩后再达到平衡的时间约10-3秒，如果实验中压缩一次的时间为1秒（看起来快），完全可作准静态过程处理。一般气体趋匀过程以声速进行，活塞大于声速运动，才做非静态处理，通常都视为准静通常
5、都视为准静态过程态过程。po),(111TVpI),(222TVpII V3、准静态过程才可以用状态图中的实线表示、准静态过程才可以用状态图中的实线表示 状态图中的点点代表确定的平衡态平衡态，统一的PVT、 、 故非静态过程（由非平衡态组成）不可用实线表示，只象征性用虚线虚线表示。PVT、 、 一条连续曲线（一条连续曲线（实线实线）代表一个）代表一个准静态过程（由平衡态组成）。这条准静态过程（由平衡态组成）。这条曲线的方程称为曲线的方程称为过程方程过程方程。非平衡态无统一的不能用状态图中的点代表非平不能用状态图中的点代表非平衡状态衡状态。CPV 如,PV T，PV 2-2 功功 热量热量 在热
6、学中，功、热量、内能功、热量、内能是重要物理量。热力学定律的精确表达需要这些概念。功和热量有相似性，都是能量交换的量度，都与过程有关与过程有关。内能是状态量，变化与过程无关与过程无关。本节先介绍功和热量。一、功一、功 功的概念在力学中已有，热学中要进一步推广。力学中：功功=力力 位移位移。做功使物体运动状态变化（机械能变化），能量发生交换（一个物体 另一物体，一种形式 另一形式如摩擦生热）。 实际上，做功不仅使机械运动状态变化，也可使热运动状态、电磁状态变化 功的形式功的形式：机械功、电功、电极化功、磁化功等功的举例功的举例：dATdxdAFdxdAdSdAMddAdqdAPdV（金属丝拉长
7、，张力T）dx(M 力矩）（液膜表面积扩大dS， 表面张力系数）FlldAFdxldxdSdx（电功）（体积功）（体积功）还有许多功可以概括为 dAYdXY广义力X 广义位移流体力学 在热学中，最重要的是准静态体积功准静态体积功dAFdxPSdxPdV膨胀0,0dVdA压缩0,0dVdA正功负功2,VV121VVAPdV准静态体积功准静态体积功PV（图面积）dAPdV几何意义几何意义强调： （1）功是由于功是由于宏观的机械作用或电磁作用宏观的机械作用或电磁作用而交换而交换能量的一种量度能量的一种量度。（做功是能量传递的一种方式） （2）功是过程量功是过程量，不是状态量不是状态量。不同过程，功不
8、同 （3）做功必然伴随宏观位移做功必然伴随宏观位移 机械功有明显位移；电功中电荷定向移动也是宏观位移。例题1： 1mol范德瓦尔斯气体，从体积 准静态等温（T）膨胀到体积 。求气体做的功。1v2v解：22()()=,aRTaPvbRTPvvbv=2222211112111ln()vvvvbRTaAPdvdvdvRTavvvvbvvbvv例题2：如图，求气体对外做的功1 11 1124AV PPV解：12VVP1V1P12P13Pabab过程ab椭圆面积二、热量二、热量1、历史回顾、历史回顾 除做功外，系统与外界交换能量还有另一种方式即传热。什么是热量？其本质如何？曾经是历史上长期争论的问题。
9、在17世纪，温度和热量两概念混淆不清。一些人认为温度计测出的不是热的程度，而是热的数量，因为等量的水等量的水混合后，温度取平均值（温度的变化即热量的变化？）。荷兰化学家布尔哈夫提出不同的物质等量混合后会怎样？“等量等量”是是“等质量等质量”，还是，还是“等等体积体积”？混合后的温度都不取平均值。称为“布尔哈布尔哈夫疑难夫疑难”。 英国化学家兼物理学家布莱克指出问题的根源是把热的强度（温度）和热的数量（热量）热的强度（温度）和热的数量（热量）搞混了。 布莱克和他的学生提出了比热、热容和潜热的概念，得出了量热学基本公式 ，区分了热的强度区分了热的强度（温度）和热的数量（热量）。（温度）和热的数量（
10、热量）。Qmc t 但是热本质的究竟是什么热本质的究竟是什么？有许多观点。布莱克是“热质说热质说”的倡导者，“热质说”曾一度占统治地位。认为热是一种看不见无重量的物质，热的物体热质多，冷的热质少，热质不能创造也不能消灭，只能从较热物体传导较冷物体，热质守恒。 热质说之所以占上风，是人们没有注意到热现象与没有注意到热现象与其它物理现象之间的联系和相互转化其它物理现象之间的联系和相互转化，而热质说却能很好地解释一些现象如温度变化是吸放热质引起、热传导是热质流动、摩擦生热是热质被逼出的缘故。 18世纪末，热质说受到严重挑战。 英国物理学家伦福德和化学家戴维做了机械功生热的实验。伦福德观察到大炮镗孔剧
11、烈发热，将炮筒放入水中，水温快速上升。戴维用钟表机械使真空容器中两冰块摩擦融化成水。他们断言，热质不存在，热质守恒不成立，热是物质运动的一种形式，热是物体热是物质运动的一种形式，热是物体微粒的运动（微粒的运动（“热动说热动说”）。但他们的正确观点并未被同时代科学家接受。热质说没有被推翻。 焦耳从1837年到1878年用了41年的时间，先后用不同方法进行了400多次实验（如利用重力功搅拌水升温、通电使水升温等），精确地测出了热功当量。热质说才被人们所放弃。热功当量热功当量 1卡卡=4.18焦耳焦耳 焦耳的实验说明： 热量不是传递的热质，而是热量不是传递的热质，而是传递的能量传递的能量。一定热量。
12、一定热量的产生（消失）总伴随着等量的其它某种能量（机械能、的产生（消失）总伴随着等量的其它某种能量（机械能、电能）的消失（产生），不存在单独的热质守恒。电能）的消失（产生），不存在单独的热质守恒。做功做功与传热是系统能量变化的两种不同方式与传热是系统能量变化的两种不同方式（相当），（相当），做功做功与位移联系与位移联系，传热与温差联系传热与温差联系。焦耳实验也为能量守恒。焦耳实验也为能量守恒定律奠定了基础。定律奠定了基础。2、关于热量的说明、关于热量的说明 （1）热量本质热量本质 传热传热物体之间因温差而发生能量传递的过程。 热量热量因温差而传递能量的量度。（2）热量是过程量热量是过程量。数值
13、与具体过程有关。数值与具体过程有关。 非状态量，不能说某状态有多少热量，不能说某状态有多少热量，只能说某过程有多少热量。 （3）功和热量比较功和热量比较 相同相同：都是能量交换的量度，都是过程量都是能量交换的量度，都是过程量，是系统与外界之间传递能量的两种方式。 不同不同：做功与宏观位移联系，传热与温差联系做功与宏观位移联系，传热与温差联系；做功做功是有规则运动能量（机械能、电磁能）之间或有规则运动能量与无规则运动能量（热能或内能）之间的交换，传热传热是一个物体与另一物体无规则运动能量（内能）之间的交换。3、热量计算、热量计算 实验表明，不同物体在不同过程中温度升高1度所吸收的热量一般不同，为
14、此引入热容量概念。 定义定义1：( / )dQCJ kdT 热容量热容量C与物体质量有关 定义定义2：( /)CdQcJ kg KMMdT比热比热c与物体质量无关,与物质种类有关 定义定义3：( /)CdQCJ mol KdT=摩尔热容摩尔热容()Cmol与物质种类有关 以为单位CMcC 显然MCcc热容量与过程有关，常见的有： 定义定义4：,()()VVV moldQdQCdTdT（V不变过程） 定容摩尔热容定容摩尔热容 定义定义5：,()()PPP moldQdQCdTdT（P不变过程） 定压摩尔热容定压摩尔热容由以上定义可以计算热量：dQCdTMcdT212121()()TTQCdTC
15、TTMc TT,PPVVQCTQCT 2-3 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律一、内能一、内能 先从宏观上定义内能，为此引进绝热过程概念： 绝热过程绝热过程系统状态变化仅由做功引起的过程。实验实验：水升温从 ，可以通过多种绝热过程进行：12TT1T2T搅拌搅拌摩擦摩擦通电通电压缩压缩 结果结果：各绝热过程功相同，与具体绝热过程无关。 由此由此定义定义（类似力学中势能定义）：（类似力学中势能定义）： 系统在平衡态时，存在一个态函数E，叫内能内能。当系统从平衡态。当系统从平衡态1经绝热过程到达平衡态经绝热过程到达平衡态2时，时，内能的增量等于外界对系统做的功。内能的增量等于外界对系统做的功。
16、 当系统从平衡态当系统从平衡态1经绝热过程到达平衡态经绝热过程到达平衡态2时，时，内能内能的增量等于外界对系统做的功。的增量等于外界对系统做的功。21AEEE 绝AEA 绝绝或（为系统对外做功）微观上定义微观上定义： 内能是由物体内部状态决定的能量内能是由物体内部状态决定的能量。广义地，包括分子、原子、电子、核子运动的能量。但在热运动范围，原子、电子、核子能量不变，只包括分子热运动能量和分子之间相互作用势能。TV( ,)EE T V2E1EA绝说明：( ,)EE T V（1）E是是状态的函数（状态量），非过程量状态的函数（状态量），非过程量。 与过程量A、Q不同。E也叫热能也叫热能（一般不用该
17、名词，以免与热量混淆）。 （2）E是是相对量相对量。 与参考态（规定E=0的状态）选择有关。宏观定义只给出两态内能差，没有确定任意状态的内能数值（可以任加一个常数）。只有选择了参考态，内能才有确定值。（与力学中势能定义类似）2121()()AECECEEE 绝二、热力学第一定律二、热力学第一定律 一般过程并非绝热（传热Q），外界对系统还要做功（ ），则根据能量守恒有：AAQE 2EC1ECA绝A外界对系统做的功QEA 系统对外界做的功AAA 功、热量、内能的概念明确以后，它们之间的关系？21AEEE 绝Q2E1EA 表述：系统从外界吸收热量系统从外界吸收热量 ，一部分用于内能增加（一部分用于内
18、能增加（ ），另一），另一部分用于对外做功（部分用于对外做功（ ）。）。QEA符号约定：元过程：dQdEdA0E0Q 0A0A0Q 0E系统从外界吸热系统向外界放热系统对外界做功外界对系统做功系统内能增加系统内能减少QEA 人们有时说，热力学第一定律就是能量守恒定律，但仔细推敲，两者有别。确切地说： 热力学第一定律是能量守恒与转化定律在涉及热现热力学第一定律是能量守恒与转化定律在涉及热现象的宏观过程中的具体表述。象的宏观过程中的具体表述。 历史上有人幻想制造一种机器，无需任何动力和燃历史上有人幻想制造一种机器，无需任何动力和燃料（或者很少的动力和燃料），能不断对外做功，这种料（或者很少的动力和
19、燃料），能不断对外做功，这种机器叫机器叫“第一类永动机第一类永动机”。 热力学定律表明，做功必然由能量转化而来，不借助于外界供能而不断对外做功不可能。第一类永动机：第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态系统不断经历状态变化后回到初态（不消耗内能），不从外界吸热，只对外做功（不消耗内能），不从外界吸热，只对外做功蓄水槽蓄水槽发电机发电机泵泵电池电池蓄水槽蓄水槽重力型重力型浮力型浮力型毛细型毛细型子母型子母型0, 0, 0 AQE 违反热力学第一定律，所以不可能成功。违反热力学第一定律，所以不可能成功。即：即： 热力学第一定律又可表述： 第一类永动机不可造成第一类永动机不可造成三、关于能量守
20、恒定律的发现三、关于能量守恒定律的发现 能量守恒定律是19世纪的一个伟大发现，科学界公认，其奠基人是：迈尔、焦耳、亥姆霍兹。还有其他人。 迈尔的贡献迈尔的贡献：德国医生，曾到爪哇考察。在给病人看病时发现，热带人静脉血比温带人的红得多。他想，可能因为热带高温，人体只需吸收食物中较少热量，人体中食物氧化减弱，而在静脉中留下较多的氧所致。于是提出“力是不灭的，能够转化力是不灭的，能够转化”（“力”即能量），又进一步提出“下落力”（即势能）“运动力”（即动能）和热的转化。而且根据气体比热数据得到热功当量为 1卡卡=3.57焦耳焦耳。（比焦耳早一年） 迈尔的贡献未得到科学界承认，甚至同乡嘲笑，其精神压力
21、大，1850年跳楼未遂，住院三年。10年后，科学界给予了他正确的评价。 焦耳焦耳（英国）做了40年的实验，证明了机械能、电能、热能的转换关系，即热功当量 1卡卡=4.18焦耳焦耳。 亥姆霍兹亥姆霍兹（德国）总结了许多人的工作，提出了普遍的能量守恒定律，把能量概念从机械能推广到热、电、磁乃至生命过程。坚信永动机不可能。 1853年，汤姆逊汤姆逊提出“能量”名词，将“力的守恒”改为“能量守恒能量守恒”。 2-4 热力学第一定律应用于理想气体典型过程热力学第一定律应用于理想气体典型过程 此处只讨论理想气体准静态过程中的功能转换关系。但在许多情况下，实际气体可以视为理想气体，实际过程可以视为准静态过程
22、（P-V图实线）。故这一研究有实际意义。一、等值过程（一、等值过程（P、V、T分别不变）分别不变）1、等容过程、等容过程VP11( , ,)P V T22(, ,)P V T0,0,0QAE(0)T121211,TTTVCPPP不变,=210,VVAPdVQE 吸热全部用于内能增加吸热全部用于内能增加QEA 21()VQCTC TTV21()VECTC TTV1,(2 ),(2moldQdE Etrs RT由前一章）32CRV单原子分子1)()(2 )2VmolmoldQdECtrs RdTdT=(molVEC T502sCRV刚性双原子分子与实验基与实验基本相符本相符能均分定理结果能均分定理
23、结果VP11( , ,)P V T22(, ,)P V T0,0,0QAE(0)T12=210,VVAPdVQE =VC？ 与实验差别与实验差别：单原子气体符合好，双原子气体明显不符。原因原因：能均分定理有缺陷。与实验不符两个方面与实验不符两个方面：（1）按能均分定理，一切双原子分子应具有相同的VC实际上不同气体 有别。VC1(2 )2VCtrs R （2）按能均分定理， 与 无关，实际上双原子分子 随 而 。VCT VCT实际上双原子分子 随 而 。T VC 可以认为：低温只有平动，常温开始转动，高温才有低温只有平动，常温开始转动，高温才有振动。振动。用经典理论不能解释，只有量子统计物理才可
24、解释连续曲线连续曲线( )VCT2H2、等压过程、等压过程1211,VVVPCTTT不变,2121()()VVAPdVP VV=面积21()R TT21()pQCTTQEA EA一部分用于内能增加另一部分用于对外做功PVCCR ， 吸热吸热由上得：由上得：21()(VECTT任何过程）迈尔公式11( ,)P V T22( ,)P V T1V2V0(0)ET0,0QAPV12APVCCR11PPVVCRRCCC令 = 32VCR52PCR51.67352VCR72PCR71.405单原子分子单原子分子刚性双原子分子刚性双原子分子3、等温过程、等温过程QAQTC0dT 恒恒温温热热源源1122PV
25、CPVPVT不变PV120,0QA0(0)ET11( , )P V T22(, )P V T吸热全部用于对外做功吸热全部用于对外做功0 ()ET不变QAQEA PV120,0QA0(0)ET11( , )P V T22(, )P V TQAQTC0dT 恒恒温温热热源源221121lnVVVVVdVQAPdVRTRTVVPVRT2121,0,0;,0,0VV QAVV QA膨胀压缩说明： （1）对理想气体非静态等温过程21=lnVARTV？210(lnVETQAARTV不变）但（2）对非理想气体等温过程( , )EE V T00TEQA但不能说明 对理想气体非静态等温过程（3）两等温线不相交V
26、PQ1T2T12TT 不同等温线 12TT12TT矛盾1QQP VRT2QQP VRTQA ？二、理想气体绝热过程二、理想气体绝热过程任何绝热过程 0QAE 1.准静态绝热过程方程准静态绝热过程方程0dQdEPdV0VC dTPdVPVRTPdVVdPRdT（2）（1）0,QAE 00AA做功全来源于内能减少做功全来源于内能减少()VPdTPdVVdPRdVC由(1)(2)消:()0VVCR PdVC VdPQ=0PV111( ,)P V T222(,)P V T2V1VVC VP两边P=VVVCRCCC0dVdPVP积分得：PVC1 122PVPV1112TVCPVRTPTC再由理想气体准静
27、态绝热过程方程理想气体准静态绝热过程方程()0VVCR PdVC VdP注意：（1）绝热线比等温线陡）绝热线比等温线陡ATAAPdPdVV),(),()TwVnPVnP原因:（均使等温过程仅使23PnwPVCASAAPdPdVVPVCSTAAdPdPdVdV斜率或比较曲线在交点的斜率： （2）两绝热线不相交）两绝热线不相交VPA121212()PVCPVCCC两不同线1212()AAAAPVCPVCCC矛盾2、绝热过程中功能转换关系、绝热过程中功能转换关系Q=0E=-AE00Q 0TPV111( ,)P V T222(,)P V T2V1V0()Q任何绝热过程PVRT21221 1()()VV
28、CECTTPVPVR221 1221 11()()1VPVCPVPVPVPVCCPVCC= PVTRAEQ=0E=-AE00Q 0TPV111( ,)P V T222(,)P V T2V1V221 11()1AEPVPV 22111 1221 11()1VVVVPVAPdVdVPVPVV另:=1 1PVPV（只涉及到初末两态，故适用（只涉及到初末两态，故适用于理想气体任何绝热过程，不于理想气体任何绝热过程，不一定准静态）一定准静态）PVCC= QAE0()Q 任何绝热过程21()VECTT221 11()1PVPV3、绝热自由膨胀、绝热自由膨胀绝热自由膨胀准静态绝热过程 非静态过程 准静态过程
29、0Q 00AE未遇阻力120EEE211 122:( )EE TTTPVPV理想气体121 122PVPV不能121122VVPP2若 则221 1PVPV00AA0,QAE 不是不是准静态准静态绝热过程绝热过程1T2T理想气体混合后温度？绝热，抽隔板0Q 0A0E12111 1222VVEC TC T21122VVEC TC T12EE?T 12VVCC如果1 12212TTT122TTT12再如果11 12221122VVVVC TC TTCC2ViERTC T例题：按摩尔数加权平均 同种物质等量混合，温度平均1VC2VC三、多方过程三、多方过程21221 11,()1VnnVCPVCAd
30、VPVPVVn=,;(0)0nnnAn 绝热=1,等温；，等容；，等压。2121(),()nVQC TTECTT221 1211()()11RAPVPVTTnnQAE0011nVnVnVnnnCCRnCCRCCnCnnC 再求热容：等压等容绝热等温热容量一定大于0吗？2T1T132等温绝热20C 20Q 22QAE11QAE33QAE123AAA（1）（2）（3）（2）-（1）1120QAA放热，升温放热，升温10QAA吸热，升温30C22QAE 11QAE 123AAA1120QAA 1TT思考20Q 四、例题四、例题例题1：绝热绝热1.02.01234()atmPV3()m1.0 如图，3
31、.2g氧气氧气经历1234过程， 求：41,TT（1）初态内能 （2）各过程热量、功、内能变化（3）总过程热量、功、内能变化52VCR解（1）1 111,11122253.5VPVEC TTKEJR（2）221112244VTTTKV332212488PTTTKP41122TTK1221127(),0.1354.82PPQCTTCRQJ0.1mol2.0511.013 10atmPa41TT绝热绝热1.02.01234()atmPV3()m1.01221()253.5VECTTJ121212101.3AQEJ1221()101.3AP VVJ或2.0（3）232332()506.9VQECTT
32、J 230A343443130()()760.4VVQECTTCTTJ 3434760.4AEJ 41()0VECTT122324861.7AQQQQJ41122TTK2244TK3488TK52VCR2244TK3488TK例题2：bc 如图，单原子单原子理想气体经历 过程，求：?bcA ?bcQ?bcE（1） （2） 过程总吸热吗？bc解：（1）bbccPVPVbcTT0bcE200bcbcQAJ面积（2）bc中有max(,)TTV极值12()2PVPVRT直线1(2)2VTVR32VCR0dQ 是否每个元过程都 1(2)2VTVR0dTdV21hhVP0dQdEdA 吸热,0,0,0bh
33、 dTdEVdAhc0dA,0TdE 0?0?dQdEdA 吸热？放热？32VCR0dQ 是否每个元过程都 32VCR0?0?dQdEdA 吸热？放热？关键求出 点0dQ 1(2)2VVdQdEdAC dTPdVC dTV dV122PVhc0dA,0TdE31(2)22dQRdTV dV32VCR PVRT1(2)2V VRT122PV(2)RdTV dV31(2)22dQRdTV dV上式微分hc3131(2)(2)(2)2222dQRdTV dVV dVV dV32VCR31(2)(2)22dQV dVV dV(52 )0dQV dV52eV 5,02he VdQ 吸热5,02ec Vd
34、Q 放热记住理想气体准静态过程主要公式：记住理想气体准静态过程主要公式：21()VEC TT（任何过程）（任何过程）2121()()VPCTTCTTQAAE 0 + 等容等容等压等压等温等温绝热绝热其它其它32VCR52VCRPVRT1 12212PVPVTT1 122PVPV111 122TVTV等值过程等值过程绝热过程绝热过程单原子双原子2121212121221 10()(1()()1VVVP VVR TTVRTAPdVVCTTPVPV ) ln =面积）- 其它 等容等容等压等压等温等温绝热绝热QAE 2-5 循环过程循环过程 历史上，热力学的发展与改进热机的实践分不开。热机热机即工作
35、物质吸热对外做功的装置。各种热机中，工作物质经历的过程都是循环过程。一、循环过程一、循环过程1、循环及其特征、循环及其特征1Q2Q吸热吸热放热放热水水泵泵水水池池冷凝器冷凝器汽汽缸缸锅炉锅炉E E 废废汽汽做功做功E 1A2A21AA 系统（工质）由某平衡态系统（工质）由某平衡态出发经历一系列变化又回到出发经历一系列变化又回到初始状态的全过程叫初始状态的全过程叫循环过循环过程，简称循环程，简称循环 右图为蒸汽机工作循环示意图，工作物质水。1Q2Q吸热吸热放热放热水水泵泵水水池池冷凝器冷凝器汽汽缸缸锅炉锅炉E E 废废汽汽做功做功E 1A2A21AA 水泵从水池抽水入锅炉加热水泵从水池抽水入锅炉
36、加热；水吸热水吸热 变高温高压蒸汽，变高温高压蒸汽，内能内能 增加；增加；蒸汽输送到汽缸蒸汽输送到汽缸膨胀推动活塞对外做功，膨胀推动活塞对外做功， 减小（内能变机械能）；减小（内能变机械能）；活塞活塞推回蒸汽变废汽排入冷凝器放推回蒸汽变废汽排入冷凝器放热热 ，内能，内能 减小，冷却成水减小，冷却成水进水池。进水池。完成一循环，如此往复。高温高高温高压蒸汽压蒸汽1QEEE2Q 内燃机类似但有别内燃机类似但有别：可燃物质气体压入汽缸，在缸内燃烧，工作气体吸热，内能增加，膨胀做功，废气排除，热量散入大气放热（非汽缸外加热，一个循环）1Q2Q吸热吸热放热放热水水泵泵水水池池冷凝器冷凝器汽汽缸缸锅炉锅炉
37、E E 废废汽汽做功做功E 1A2A21AA高温高高温高压蒸汽压蒸汽 循环特征：1QE 工质吸热、一部分对外做功A另一部分以 放出2Q0E12QQQA净热=净功 一般循环常常视为准静态循环处理（每一微小过程都是准静态的，闭合曲线）1Q12AQQabccdaAAAVPca 正循环正循环顺时针顺时针（P-V图） 逆循环逆循环逆时针逆时针闭合面积闭合面积净功净功2、热机效率、热机效率 热机热机吸热转变为功装置，正循环正循环。吸热 有多少比例变为功？是热机效能的标志热机效率。1Q12AQQabccdaAAAVPca 定义：热机效率定义：热机效率QQQAQQQ吸放放吸吸吸=1- 11QQ吸2QQ放212
38、11,QQQQ 或、取绝对值吸热越少，做功越吸热越少，做功越多，效率越高。多，效率越高。1Q3、制冷机与制冷系数、制冷机与制冷系数 制冷机制冷机通过外界做功利用工质从物体中取热降温的设备。逆循环逆循环。 制冷原理制冷原理：液体蒸发成汽体，吸热制冷。如酒精涂手上蒸发吸热，感觉凉。若形成循环，蒸发吸热后使之再变成液体，又蒸发吸热，循环往复，便是制冷机。 氨蒸汽压缩制冷装置：1Q2QA氨氨蒸蒸汽汽热交换器热交换器冷库，蒸发冷库，蒸发节节流流阀阀高压液体高压液体低压液体低压液体低温低压气体低温低压气体压缩机压缩机液化液化氨蒸汽被压缩高温高压气体高温高压气体高温高压气体高温高压气体热交换器中冷凝高压液体
39、高压液体1Q（放 ）节流阀降压降温低压液体低压液体冷库中吸热蒸发低温低压气体低温低压气体2Q（吸）A（ ）进汽缸膨胀后再压缩，再循环 总之，通过外界做功，从低温物体吸热传给高温物体。 电冰箱类似：低温物体（冷冻室），高温物体（冷却管周围室温空气）。电冰箱电冰箱 如何衡量制冷机的制冷效能？外界做功越小，从低温物体取热越多，制冷效能越高。2212(1)QQwAQQ不一定定义：制冷系数定义：制冷系数 取热是外界做功的多少倍数AVP1Q2Q二、卡诺循环二、卡诺循环 18世纪末、19世纪初，蒸汽机效率极低，仅35%。人们在不断探索提高热机效率的途径，促使科学家对热机效率进行理论上的研究，寻求理想热机效率
40、。法国青年工程师卡诺1、卡诺循环、卡诺循环 工作物质在循环中只与两个只与两个恒温热源交换热量，其余不散恒温热源交换热量，其余不散热、不漏气热、不漏气。该循环称为卡诺卡诺循环循环。按卡诺循环工作的热按卡诺循环工作的热机机卡诺热机。卡诺热机。按卡诺循环按卡诺循环工作的制冷机工作的制冷机卡诺制冷机卡诺制冷机提出了一种理想热机，使得提高热机效率有了一个正确目标。1T1T2T2T1Q1Q2Q2Q12AQQ12AQQ卡诺热机卡诺热机卡诺制冷机卡诺制冷机2、卡诺循环效率、卡诺循环效率1V2VVP3V4V1Q2Q P-V图中：两等温+两绝热21211lnVQQRTV吸33424lnVQQRTV放324211l
41、n11lnVQTVVQTV 放吸123()VV21TT114()VV3241VVVV= 2341211TT 卡理想气体211TT 卡1503(230)TKC如：2303(30)TKC40%121TT卡（1）只决定于 、 ，且121()TTT（2）提高 的方向：使（）实际中使3、卡诺制冷系数、卡诺制冷系数22212121()QQTwwAQQTT22112270,300,9TTK TK wTT如取取9倍于倍于A的热量的热量三、热机效率计算举例三、热机效率计算举例00(),iiiiiiiQQPVQ AQQQQAA 吸放明确过程图分析符号方法1QAQQ放吸吸例题例题1：1V2VVP1234绝热绝热11
42、122111()TVTV 如图，证3241(),()VVQCTTQCTT吸放证：413211QTTQTT 放吸211TT 卡0Q 吸热0Q 放热0A对外做功0A外界对系统做功1TVC1122112(),TVTV 14231()TVTV41413232TTTTTTTT 11122111()TVTV 非卡诺循环413211QTTQTT 放吸34例题例题2：PV0dT abcd1234( ) l(atm)12 如图，氧气经历abcd循环，求循环效率。 解：三个过程吸热，一个过程放热。()VbaQCTT吸()lndPcbccVCTTRTV57()()ln22dbbaaccbbcccVQPVPVPVPV
43、PVV吸52VCR72PCR1234JS：511.013 10atmPa33110lmPVRT1QQ 放吸PV0dT abcd1234( ) l(atm)1252VCR72PCR()7()10642padddaaQC TTQPVPVJ放放11.45%QQ 放吸180.2bccddaAAAAAJQ吸或5()27()ln2bbaadccbbcccQPVPVVPVPVPVV吸1234JPVRT止例题例题3：a300K(600K)bc20T(K)V(l) 如图，单原子分子经历循环abca（V-T图），求循环效率。解：32VCR画P-V图abc2040V( ) lP(600K)(600K)300Kbcc
44、aQQQ吸()lnaVcbccVCTTRTV()abPabQQC TT放113.4%QQ 放吸52PCR600caTTK300bTK3320 10cbVVm3340 10aVm逆循环？V12V1P12P1P123例题例题4： 单原子分子气体经历图示1231循环，求循环效率。解：1212121 1213()2VQQAEPVCTT吸32VCR面积1 1221 11 133()622QPVPVPVPV吸1 112APV循环面积()QA净热净功18.33%12AQ吸A12A1 11PVRT222PVRT1221=()?QQC TTC吸，23312331+()+()VPQQQCTTCTT放1QQ 放吸或
45、 2-6 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第一定律指出，任何热力学过程的进行必须遵守能量守恒定律， 的热机不存在。 那么， （能量守恒）的热机（第二类永动机）可能吗？事实证明，也不可能。 无数事实证明：凡是与热现象有关（或涉及内能与凡是与热现象有关（或涉及内能与其它能量转换）的过程都有方向、限度，反映了内能与其它能量转换）的过程都有方向、限度，反映了内能与其它能量的差别。其它能量的差别。100%100% 落叶永离，覆水难收，死灰不能复燃，破镜不会重圆，生米煮成熟饭，人生易老，返老还童只是幻想。这些成语说明，自然现象、历史、人文大多不可逆（有方自然现象、历史、人文大多不可逆（有方向）。向）。
46、一、自然过程的方向性一、自然过程的方向性现举例说明热力学过程的方向性：1、热传导、热传导 热量可以自动地从高温物体传向低温物体，相反过程不可能（并不违背热一定律）。（非平衡非平衡 平衡平衡）（非均匀到均匀非均匀到均匀）1T2T12TTT2、功热转换、功热转换 实质是机械能变成内能。摩擦生热。如转动的飞轮，因摩擦发热逐渐停下来，反方向不可能（不违背热一）。摩擦生热，渐停。反过程不可。摩擦生热，渐停。反过程不可。v 热可以变成功吗？能！但内能即热全变为功无其它影响，不可能（用热机，必然向低温处放热） 机械能可自动变为内能，相反不行。（耗散过程耗散过程）3、气体自由膨胀、气体自由膨胀气体不能自动收缩
47、气体不能自动收缩（非平衡非平衡 平衡平衡）（非均匀到均匀非均匀到均匀）4、扩散、扩散 两种流体混合后不会自动分离。炒菜盐扩散不会再聚集。（非平衡非平衡 平衡平衡） （非均匀到均匀非均匀到均匀） 以上例子说明，凡是与热现象有关的的过程都是有方向的。究竟向哪个方向进行，是热力学第二定律解决的问题。二、热力学第二定律表述二、热力学第二定律表述1、开尔文表述、开尔文表述基本表述两种基本表述两种：热力学第热力学第二定律创二定律创始人始人 不可能只从不可能只从单一热源单一热源吸热，使之完全变成有用功而吸热，使之完全变成有用功而不产生不产生其它影响其它影响。 不可能只从不可能只从单一热源单一热源吸热，使之完
48、全变成有用功而吸热，使之完全变成有用功而不产生不产生其它影响其它影响。“单一热源单一热源” 各部分温度相同的热源。如海水不是单一热源，表层与深层温度不同。“其它影响其它影响” 从单一热源吸热做功以外的所有其它变化，如P、T、V变化，或向低温热源放热等应用于循环过程：应用于循环过程： 系统变化后复原了，但除吸热做功以外，有其它影响或变化：向低温热源放热向低温热源放热。1,11T2T1Q2Q12AQQ应用于非循环过程：应用于非循环过程： 可以从单一热源吸热全变功，但有其它影响：系统系统状态不复原。状态不复原。 例如：等温膨胀QAQ恒温热源Q=A 体积增加，压强降低体积增加，压强降低。以至于不会：自
49、。以至于不会：自动收回而循环，再吸热做功。动收回而循环，再吸热做功。 如果能自动收回，体积复原不变，则可不断吸热全变功。 这就是第二类永动机这就是第二类永动机。100%第二类永动机第二类永动机开尔文表述另一说法：“第二类永动机不可制成第二类永动机不可制成”有人幻想制造第二类永动机其它影响其它影响 违反热力学第二定律（尽管不违反能量守恒定违反热力学第二定律（尽管不违反能量守恒定律），是不可能实现的。律），是不可能实现的。巨轮不断吸收海巨轮不断吸收海水，提取其内能，水，提取其内能，将其变成冰块，将其变成冰块，再抛入海中。就再抛入海中。就可以持续航行了。可以持续航行了。以海水为一个热源 当然，海水不
50、是单一热源，利用表层与深层温差作为高低温热源，原则上可以构成热机。不违背热力学第二定律。但技术上困难。如2、克劳修斯表述、克劳修斯表述 热量不能自动地从低温物体传向高温物体热量不能自动地从低温物体传向高温物体。 注意：不自动或产生其它影响是可以的不自动或产生其它影响是可以的。如冰箱、空调制冷并非自动。有影响外界做功。3、两种表述的等价性、两种表述的等价性（1）违背克劳修）违背克劳修斯表述斯表述 违背违背开尔文表述开尔文表述从单一热源吸热全变功无其它影响从单一热源吸热全变功无其它影响热量自动从低温物热量自动从低温物体传向高温物体体传向高温物体（2）违背开尔文表述）违背开尔文表述 违背克劳修斯表述