第10章-热力学基础优秀PPT.ppt

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1、 三、循环过程和热机效率三、循环过程和热机效率致冷系数:致冷系数:热机效率:热机效率:preview二、热力学第确定律对志向气体等值过程、绝热过程的二、热力学第确定律对志向气体等值过程、绝热过程的 应用应用一、热力学第确定律一、热力学第确定律卡诺热机的效率:卡诺热机的效率:为提高效率指明方向为提高效率指明方向卡诺致冷机的致冷系数:卡诺致冷机的致冷系数:热力学第确定律说明热力学第确定律说明:任何热力学过程能量必定守恒。任何热力学过程能量必定守恒。然而满足能量守恒的过程是否都能发生呢?然而满足能量守恒的过程是否都能发生呢?自然界发生的自然界发生的实际实际热力学过程都是热力学过程都是具有方向性具有方

2、向性的的!热力学其次定律反映了自然界实际热力学过程的方向性热力学其次定律反映了自然界实际热力学过程的方向性否!否!1.可逆过程可逆过程 在某过程中系统由态在某过程中系统由态a 态态b 如能使系统由如能使系统由b态回到态回到a态,且外界一态,且外界一 切也各自复原原状,那么该过程称为可逆过程切也各自复原原状,那么该过程称为可逆过程留意:无耗散效应的准静态过程都是可逆的留意:无耗散效应的准静态过程都是可逆的The Second Law of Thermodynamics第第5节节 热力学其次定律热力学其次定律一、可逆过程与不行逆过程一、可逆过程与不行逆过程 可逆过程是一种志向状况,事实上散热、可逆

3、过程是一种志向状况,事实上散热、摩擦等耗散因素总是存在的,并且实际过程也摩擦等耗散因素总是存在的,并且实际过程也不行能不行能“无限缓慢地进行无限缓慢地进行”。2.不行逆过程不行逆过程 若若在在某某过过程程中中系系统统由由a态态变变更更到到b态态:假假如如系系统统复复原原不不了了原原态态,ab就就是是不不行行逆逆的的;若若系系统统复复原原了了原原态态却却引引起起了了外外界界的的变变更更,ab也也是不行逆的。是不行逆的。比如:比如:(2)热量自动从高温物体传到低温物体的过程)热量自动从高温物体传到低温物体的过程(3)气体的自由膨胀过程)气体的自由膨胀过程(1)功变热的过程)功变热的过程二、自然过程

4、的方向二、自然过程的方向1、功、功 热热转换转换例:摩擦生热例:摩擦生热事实表明功可以事实表明功可以自动自动地地全部全部转换为热转换为热热热功?功?又如:志向气体的等温膨胀又如:志向气体的等温膨胀 Q=A 但也产生了但也产生了“其他变更其他变更”体积增加体积增加即:唯一效果是确定量热全变成功的过程不行能发生即:唯一效果是确定量热全变成功的过程不行能发生结论:自然界里功热转换过程具有方向性(是不行逆的)结论:自然界里功热转换过程具有方向性(是不行逆的)如:热机如:热机功功 热热自动地自动地热热功功唯一效果唯一效果Q2热转换为功以外的热转换为功以外的“其他变更其他变更”2、热传导、热传导两物体达热

5、平衡过程,是热从高温物体两物体达热平衡过程,是热从高温物体 低温物体低温物体自动地自动地 结论:自然界里热传导过程具有方向性(是不行逆的)结论:自然界里热传导过程具有方向性(是不行逆的)3、气体的自由膨胀、气体的自由膨胀明显气体的自由膨胀明显气体的自由膨胀过程具有方向性过程具有方向性真空真空水自动地从水自动地从高处向低处流高处向低处流红墨水扩散红墨水扩散 蒲公英生长蒲公英生长结论:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不行逆的结论:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不行逆的?4、不行逆性的相互依存、不行逆性的相互依存各种实际宏观过程不行逆性的一条重要规律:相互依存各种实际宏观过程不行逆性的一条重要

6、规律:相互依存一种实际宏观过程的不行逆性保证了另一种实际宏一种实际宏观过程的不行逆性保证了另一种实际宏观过程的不行逆性观过程的不行逆性一种实际宏观过程的不行逆性消逝了,其它的实际一种实际宏观过程的不行逆性消逝了,其它的实际宏观过程的不行逆性也就随之消逝宏观过程的不行逆性也就随之消逝例例1:假设热传导的不行逆性消逝:假设热传导的不行逆性消逝 即热量可自动地从低温传向高温。即热量可自动地从低温传向高温。T2T1Q设计一部卡诺热机:设计一部卡诺热机:从从T1吸热吸热Q1,对外做功对外做功A,向低温向低温T2放热放热Q2 Q2=Q1-AQ2而而Q2将自动地传给将自动地传给T1T2复原原状复原原状功变热

7、的不行逆性消逝功变热的不行逆性消逝例例2:设志向气体自由膨胀的不行逆性消逝:设志向气体自由膨胀的不行逆性消逝TAQ即气体可自动收缩。即气体可自动收缩。设气缸与恒温热源设气缸与恒温热源T热接触热接触气体从气体从T吸热吸热Q,作等温膨胀,作等温膨胀做功:做功:A=Q唯一效果唯一效果功变热的不行逆性消逝功变热的不行逆性消逝说明:说明:各种宏观自然过程的不行逆性都是相互联系在一起或者各种宏观自然过程的不行逆性都是相互联系在一起或者说是相互依存的。只需承认其中之一的不行逆性,便可说是相互依存的。只需承认其中之一的不行逆性,便可以论证其它过程的不行逆性。以论证其它过程的不行逆性。结论:结论:1、自然宏观过

8、程是不行逆的,而且都是按确定的方向进、自然宏观过程是不行逆的,而且都是按确定的方向进 行的。行的。2、说明自然宏观过程进行的方向的规律叫做热力学其次、说明自然宏观过程进行的方向的规律叫做热力学其次 定律定律3、任何一个实际过程进行的方向的说明都可以作为热力、任何一个实际过程进行的方向的说明都可以作为热力 学其次定律的表述。学其次定律的表述。三、热力学其次定律三、热力学其次定律(2)开尔文表述)开尔文表述不行能制成一种循环动作的热机,只从不行能制成一种循环动作的热机,只从单一热源吸取热量,使之完全变为有用单一热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其它任何变更。的功而不产生其它任何变更。其次类

9、永动机是不行能制成的!其次类永动机是不行能制成的!1.定律的两种表述定律的两种表述(1)克劳修斯表述)克劳修斯表述热量不行能自动地从低温物体传向高温物体。热量不行能自动地从低温物体传向高温物体。等价说法:等价说法:其次类永动机:效率为其次类永动机:效率为100%多数试验证明:效率为多数试验证明:效率为100%的循环动作的热机是的循环动作的热机是 不行能制成的。不行能制成的。(它并不违反热力学第确它并不违反热力学第确定律定律)KelvinClausius(两种表述是等价的两种表述是等价的)留意:留意:1 若不是若不是“循环动作循环动作”的热机,只从单一热源吸热,的热机,只从单一热源吸热,使之完全

10、变为有用的功而不放热,是可以实现的。使之完全变为有用的功而不放热,是可以实现的。2 2 热力学其次定律的深刻含意在于它事实上说明白热热力学其次定律的深刻含意在于它事实上说明白热 力学过程的方向性或单向性。力学过程的方向性或单向性。开尔文表述:开尔文表述:不可能制成一种不可能制成一种循环动作循环动作的热机,只从单一的热机,只从单一热源吸取热量热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生使之完全变为有用的功而不产生其它任何变化其它任何变化(唯一效果唯一效果是热全变成功的过程不可能)是热全变成功的过程不可能)克劳修斯表述:克劳修斯表述:热量不可能热量不可能自动地自动地从低温物体传向高温物体从低温物体传

11、向高温物体2.热力学其次定律的微观说明热力学其次定律的微观说明 从微观上看,任何热力学过程总包含大从微观上看,任何热力学过程总包含大量分子的无序运动状态的变更。热力学其次量分子的无序运动状态的变更。热力学其次定律给出了变更的规律。定律给出了变更的规律。(1)功热转换)功热转换功功热热机械能机械能内能内能自动地进行自动地进行结论:结论:功热转换的自动过程总是使大量分子的功热转换的自动过程总是使大量分子的 运动从有序状态向无序状态转化。运动从有序状态向无序状态转化。大量分子大量分子有序运动有序运动大量分子大量分子无序运动无序运动(2)热传导:热传导:高温高温低温低温自动地自动地传递传递Q初态:两系

12、统初态:两系统 T不同不同、k不同不同末态:两系统末态:两系统 T相同相同、k相相同同两系统可区分两系统可区分两系统不行区分两系统不行区分热传导使系统的无序性增大热传导使系统的无序性增大高温高温低温低温自动地自动地传递传递Q反之:反之:较为较为有序有序更加更加有序有序不行能不行能结论:结论:热传导的自然过程总是沿着使大量分子的运动热传导的自然过程总是沿着使大量分子的运动 (在动能分布上)向(在动能分布上)向更加无序的方向更加无序的方向进行进行(3)气体自由膨胀:气体自由膨胀:综上所述:综上所述:一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增 大的方向进行大的方

13、向进行沿着分子运动(指分子的位置分布)向沿着分子运动(指分子的位置分布)向更加无序的方向更加无序的方向进行的过程进行的过程 总之,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不行逆总之,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不行逆的:总是由初态自动地向末态过渡,而相反的过渡却不能的:总是由初态自动地向末态过渡,而相反的过渡却不能自动地进行自动地进行对于一个没有外来影响的热力学系统而言:对于一个没有外来影响的热力学系统而言:在其中所进行的不行逆过程的结果,不行能藉着系统内部在其中所进行的不行逆过程的结果,不行能藉着系统内部的任何其他过程而自动复原。的任何其他过程而自动复原。这种自动过程的不行逆性说明系统的初态

14、和末态之间存在这种自动过程的不行逆性说明系统的初态和末态之间存在实质上的差异!实质上的差异!这种差异性确定了过程进行的方向这种差异性确定了过程进行的方向可以预期:可能找到一个新的态函数,用这态函数在初、可以预期:可能找到一个新的态函数,用这态函数在初、末两态的差异来对过程进行的方向作出数学分析。末两态的差异来对过程进行的方向作出数学分析。态函数态函数“熵熵”一、卡诺定理一、卡诺定理工作在两确定的热源之间的一工作在两确定的热源之间的一切可逆卡诺热机的效率都相等:切可逆卡诺热机的效率都相等:一切不行逆卡诺热机的效率一切不行逆卡诺热机的效率都小于可逆热机的效率:都小于可逆热机的效率:对可逆卡诺循环:

15、对可逆卡诺循环:或:或:Entropy第第6节节 熵熵pV任一可逆循环,用一系列任一可逆循环,用一系列微小可逆卡诺循环代替。微小可逆卡诺循环代替。推广推广:随意一个可逆循环,可以近似看成由多数(随意一个可逆循环,可以近似看成由多数(N)个)个 可逆卡诺循环组成可逆卡诺循环组成假如使每个微小卡诺循环无限小,假如使每个微小卡诺循环无限小,从而使卡诺循环的数目从而使卡诺循环的数目则这锯齿形所表示的循环过程则这锯齿形所表示的循环过程就将无限趋近于原来考虑的随就将无限趋近于原来考虑的随意可逆循环过程意可逆循环过程对其中第对其中第 i 个循环有个循环有:对对N个卡诺循环:个卡诺循环:或或若若 N 即:即:

16、对不行逆循环对不行逆循环等号对应可逆过程等号对应可逆过程 不等号对应不行逆过程不等号对应不行逆过程克克劳劳修修斯斯不不等等式式其中其中T为热源的温度为热源的温度注注二、熵的定义二、熵的定义即即或或 确定存在一个态函数确定存在一个态函数,它的增量只与状态有关,它的增量只与状态有关,而与变更的路径无关。而与变更的路径无关。“熵熵”的定义式的定义式(对对可逆过程可逆过程 )SA:初态的熵初态的熵SB:末态的熵末态的熵对无限小的可逆过程对无限小的可逆过程态函数态函数“熵熵”记为记为“S”可见可见 积分值(可逆过程)只由初末态决定积分值(可逆过程)只由初末态决定,与积分与积分路径无关路径无关!(1)熵是

17、系统的状态参量的函数,是相对量。熵是系统的状态参量的函数,是相对量。系统每个状态的熵值:系统每个状态的熵值:(2)令参考态)令参考态 x0 的熵的熵S0=0,则随意平衡态的熵,则随意平衡态的熵 值值S都是相对于都是相对于S0=0的参考态而言的的参考态而言的(3)“S”的单位:的单位:J/K(4)S 与内能与内能 E 一样是客观存在的物理量,一样是客观存在的物理量,但是但是S不能干脆测量,只能计算。不能干脆测量,只能计算。说明说明:对不行逆过程对不行逆过程,此积分是多少?此积分是多少?可构造一循环可构造一循环不行逆过程不行逆过程可逆过程可逆过程依据卡诺定理依据卡诺定理,对不行逆循环过程有对不行逆

18、循环过程有:不可逆不可逆可逆可逆即即不可逆不可逆可逆可逆=S2 S1注:注:此积分不是熵此积分不是熵可逆可逆不可逆不可逆可逆可逆三、熵增加原理三、熵增加原理在绝热(或孤立)系统中:在绝热(或孤立)系统中:可逆过程可逆过程不行逆过程不行逆过程熵增加原理:在孤立(或绝热)系统中熵增加原理:在孤立(或绝热)系统中,可逆过程可逆过程 系统的熵变为零系统的熵变为零,不行逆过程系统的不行逆过程系统的 熵值向着熵增加的方向进行。熵值向着熵增加的方向进行。即:孤立系统的熵永不削减即:孤立系统的熵永不削减S 0热力学其次定律热力学其次定律的数学表述的数学表述可逆过程:可逆过程:不可逆过程:不可逆过程:四、四、熵

19、的计算熵的计算基本公式:基本公式:留意:在计算熵变时,积分路径必需是连接初末留意:在计算熵变时,积分路径必需是连接初末 两态的可逆过程。两态的可逆过程。由于熵是与过程无关的态函数,所以若实由于熵是与过程无关的态函数,所以若实际过程是不行逆过程,一般可利用有相同际过程是不行逆过程,一般可利用有相同初末态的可逆过程来计算熵变。初末态的可逆过程来计算熵变。1、对可逆过程:、对可逆过程:例例1.使志向气体经可逆定压加热过程,从使志向气体经可逆定压加热过程,从(T1,p)变更到变更到(T2,p),求,求S.解:解:例例2.将将 mol的志向气体从的志向气体从(T1,V1)到到(T2,V2)经过经过(1)

20、可逆定容加热到可逆定容加热到(T2,V1),然后经可逆等温到然后经可逆等温到(T2,V2);(2)可逆等温膨胀到可逆等温膨胀到(T1,V2),然后经可逆定容到然后经可逆定容到(T2,V2)。求熵增量求熵增量S.12pV解解:(1)等容等容等温等温等容等容等温等温12pV解解:(2)例例3.对随意可逆的绝热过程对随意可逆的绝热过程 S=?熵熵不变不变即:可逆的绝热过程即:可逆的绝热过程等熵过程等熵过程2、对随意不行逆过程、对随意不行逆过程例例4.计算计算 mol志向气体绝热自由膨胀的熵变志向气体绝热自由膨胀的熵变(设设V 2V)可设计一个可逆等温膨胀过程连接初末态可设计一个可逆等温膨胀过程连接初

21、末态,志向气体绝热自由膨胀过程的熵增加志向气体绝热自由膨胀过程的熵增加此等温过程的熵变此等温过程的熵变:解:解:对该过程有对该过程有例例5.将将1kg 20oC的水放到的水放到100oC的炉上加热后达的炉上加热后达100oC,水的比热水的比热C=4.18 103J/kg k.求水和炉子的熵变。求水和炉子的熵变。解:解:加热中炉温可视为不变加热中炉温可视为不变,设炉子经验一个可设炉子经验一个可逆等温放热过程:逆等温放热过程:0系统总熵变:系统总熵变:设水依次与一系列温度逐渐升高彼此相差无限设水依次与一系列温度逐渐升高彼此相差无限小小dT的热源接触的热源接触,从而逐个吸热从而逐个吸热 dQ达到热平

22、衡达到热平衡,进行可逆加热过程进行可逆加热过程,最后达最后达100o oC C炉炉例例6.500的钢片放入绝热油槽中冷却。油的初的钢片放入绝热油槽中冷却。油的初 温为温为20,钢片的质量为钢片的质量为m1=1.30210-1kg,比热容为比热容为c=4.61102J/(kgK),油的热容量为油的热容量为 C=2000J/K。求钢片与油组成的系统的熵变。求钢片与油组成的系统的熵变。解:解:设达到热平衡时的温度为设达到热平衡时的温度为T钢片放出的热量等于油吸取的热量,所以钢片放出的热量等于油吸取的热量,所以钢片和油的熵变分别为钢片和油的熵变分别为系统总熵变为:系统总熵变为:问题:问题:若油槽很大,油量很多,结果又如何?若油槽很大,油量很多,结果又如何?此时,可将油槽和油视为一个很大的恒温热源,此时,可将油槽和油视为一个很大的恒温热源,钢片的放入对油温的变更可忽视。钢片的放入对油温的变更可忽视。热平衡时的温度热平衡时的温度T 就是油的温度,即就是油的温度,即对钢片:对钢片:对油:对油:系统总熵变为:系统总熵变为:结果不同结果不同

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