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1、第6章热力学基础第1页，共68页，编辑于2022年，星期二6.1 热力学第一定律及其热力学第一定律及其应用应用 6.3 热力学第二定律热力学第二定律6.4 可逆过程与不可逆过程与不可逆过程可逆过程 卡诺定理卡诺定理6.2 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环第第6章章 热力学基础热力学基础 6.5 熵熵 玻耳兹曼关系玻耳兹曼关系 6.6 熵增加原理熵增加原理 热力学第二定律的统计意热力学第二定律的统计意义义2第2页，共68页，编辑于2022年，星期二6.1 热力学第一定律热力学第一定律及其应用及其应用一、热力学第零定律一、热力学第零定律 (热平衡定律热平衡定律)实验表明：若实验表明：若 A与与C
2、热平衡，热平衡，B与与C热平衡，热平衡，则则 A与与B热平衡。热平衡。第零定律第零定律 不仅给出了温度的概念，而且指出了不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法。判别温度是否相同的方法。意意 义：互为热平衡的物体必然存在一个义：互为热平衡的物体必然存在一个 相同的特征相同的特征-它们的温度相同。它们的温度相同。二、热力学过程二、热力学过程系统状态的变化就是系统状态的变化就是过程过程3第3页，共68页，编辑于2022年，星期二过程中的每一状态都是平衡态过程中的每一状态都是平衡态不受外界影响时系统的宏观性质不随时间改变不受外界影响时系统的宏观性质不随时间改变举例：举例：准静态传热过程
3、准静态传热过程非静态过程非静态过程热库热库热库热库热库热库准静态过程准静态过程每一微小过程均是平每一微小过程均是平衡过程衡过程4第4页，共68页，编辑于2022年，星期二 过程可以用系统的状态图如过程可以用系统的状态图如P-V图（或图（或P-T图，图，V-T图）中一条曲线表示，反之亦如此。图）中一条曲线表示，反之亦如此。VPo等温过程等温过程等容过程等容过程等压过程等压过程循环过程循环过程热力学过程状态图热力学过程状态图 状态图中任何一点状态图中任何一点都表示系统的一个平都表示系统的一个平衡态；衡态；5第5页，共68页，编辑于2022年，星期二三、功、热量、内能三、功、热量、内能功是过程量功是
4、过程量做功可以改变系统的状态做功可以改变系统的状态准静态过程气体对外界做功：准静态过程气体对外界做功：1.功功PV126第6页，共68页，编辑于2022年，星期二 系统和外界温度不同，就会传热，或称系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交换，能量交换，热量传递可以改变系统的状态。热量传递可以改变系统的状态。2.热量热量 dQ Q热量是过程量热量是过程量微小热量微小热量：0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热；正正PV27第27页，共68页，编辑于2022年，星期二2.制冷循环制冷循环目的：通过外界作功目的：通过外界作功 从低温热源吸热从低温热源吸热（1）PV 图图注意注意:52第52页，共
5、68页，编辑于2022年，星期二三、熵与热量三、熵与热量1.克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式由热力学温标由热力学温标卡诺循环卡诺循环可逆循环中有可逆循环中有53第53页，共68页，编辑于2022年，星期二任意可逆过程任意可逆过程(准静态、无摩擦准静态、无摩擦)Qi1Qi2Ti1Ti2卡诺循环卡诺循环PV54第54页，共68页，编辑于2022年，星期二克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式注意：注意：（1)1)积分路径的限制积分路径的限制-沿可逆过程！沿可逆过程！（2)2)沿可逆过程的积分与路径无关，反映沿可逆过程的积分与路径无关，反映 了始末的某个状态量的变化。了始末的某个状态量的变化。12PV可逆可逆(a
6、)可逆可逆(b)可逆循环可逆循环即即55第55页，共68页，编辑于2022年，星期二微小过程中的熵变微小过程中的熵变微小可逆过程中吸收的热微小可逆过程中吸收的热微小可逆过程中的温度微小可逆过程中的温度熵是状态参量熵是状态参量 与过程无关与过程无关克劳修斯熵的定义克劳修斯熵的定义 当系统由平衡态（当系统由平衡态（1 1）经历）经历“任意过程任意过程”变化到平衡态（变化到平衡态（2 2）时，）时，系统的熵的增量为系统的熵的增量为(1)(2)56第56页，共68页，编辑于2022年，星期二 1.克劳修斯熵公式可以对任意可逆过克劳修斯熵公式可以对任意可逆过程计算系统熵的变化，即，只可计算相对程计算系统
7、熵的变化，即，只可计算相对值；对非平衡态克劳修斯熵公式无能为力。值；对非平衡态克劳修斯熵公式无能为力。2.如果两个平衡态之间，不是由可逆如果两个平衡态之间，不是由可逆过程过渡的，要利用克劳修斯熵公式计算过程过渡的，要利用克劳修斯熵公式计算系统熵的变化，就要系统熵的变化，就要设计一个可逆过程设计一个可逆过程再再计算。计算。讨论讨论57第57页，共68页，编辑于2022年，星期二四、四、熵的计算熵的计算1.1.热力学基本方程热力学基本方程热一律热一律可逆过程热一律可逆过程热一律得得2.理想气体态函数熵的计算公式理想气体态函数熵的计算公式58第58页，共68页，编辑于2022年，星期二讨论讨论（3）
8、自由膨胀）自由膨胀（设计连接初、末态的可逆过程）（设计连接初、末态的可逆过程）设计等温可逆过程连接初末态设计等温可逆过程连接初末态（1）等温过程）等温过程（2）等容过程）等容过程 059第59页，共68页，编辑于2022年，星期二例题例题1 1kg 0 oC的冰与恒温热库（的冰与恒温热库（t=20 oC）接）接触，求冰和水微观触，求冰和水微观 状态数目比？最终熵变化状态数目比？最终熵变化多少？（熔解热多少？（熔解热=334J/g）解：冰融化成水（等温变化解：冰融化成水（等温变化 t=0 0C）由玻耳兹曼熵公式由玻耳兹曼熵公式60第60页，共68页，编辑于2022年，星期二 水升温，过程水升温，
9、过程设计设计成准静态可逆过程，成准静态可逆过程，即，与一系列热库接触即，与一系列热库接触.热库放热，设计等温放热过程（热库放热，设计等温放热过程（可逆可逆）61第61页，共68页，编辑于2022年，星期二总熵变化总熵变化例题例题2 1摩尔理想气体经图中所示的三个过程摩尔理想气体经图中所示的三个过程从初态从初态1变到末态变到末态2，分别求熵的变化。，分别求熵的变化。解解（a）1 2 等温过程：等温过程：PVV1V2abc123462第62页，共68页，编辑于2022年，星期二（b）13等压过程、等压过程、32等容过程等容过程.12是等温过程是等温过程PVV1V2abc123463第63页，共68
10、页，编辑于2022年，星期二（c）14绝热过程和绝热过程和42等压过程等压过程PVV1V2abc123464第64页，共68页，编辑于2022年，星期二例题例题3.可逆绝热过程的熵变可逆绝热过程的熵变解：考虑一个用（解：考虑一个用（P,V,T）描述的系统。设）描述的系统。设该系统从平衡态（该系统从平衡态（）经一可逆绝）经一可逆绝热过程变到平衡态（热过程变到平衡态（），则：），则：65第65页，共68页，编辑于2022年，星期二例题例题4.理想气体绝热理想气体绝热自由膨胀自由膨胀过程的熵变过程的熵变.解：一绝热容器被隔板分成容积相等的两部解：一绝热容器被隔板分成容积相等的两部 分。分。左边充满气
11、体，右边为真空。左边充满气体，右边为真空。当把隔板迅速抽掉后，左边气体向右边自当把隔板迅速抽掉后，左边气体向右边自由膨胀。最后均匀充满整个容器。此过程是不由膨胀。最后均匀充满整个容器。此过程是不可逆绝热过程。可逆绝热过程。66第66页，共68页，编辑于2022年，星期二设初态为设初态为（P,V,T）,则末态为（则末态为（P/2,2V,T）设计一可逆等温膨胀过程，连接此初态和设计一可逆等温膨胀过程，连接此初态和末态。末态。67第67页，共68页，编辑于2022年，星期二例题例题5：N个原子的单原子理想气体，装在体积个原子的单原子理想气体，装在体积V 内，温度为内，温度为 T 的微观状态数目的微观状态数目是多少？是多少？解：利用解：利用积分得积分得作业作业6.24 6.27 6.31 6.3268第68页，共68页，编辑于2022年，星期二