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1、第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 一、一、开尔文说法：不可能制造出这样一种开尔文说法：不可能制造出这样一种循环循环工工作的热机，它只使作的热机，它只使单一单一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量放出热量给其他物体，或者说给其他物体，或者说不不使使外外界发生任何变化界发生任何变化.第二定律的提出第二定律的提出1 功热转换的条件第一定律无法说明功热转换的条件第一定律无法说明.2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明逆性问题第一定律无法说明.9.
2、6.1 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 9.6 热力学第二定律热力学第二定律第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，单一热源吸热作功，而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但它非循环过程但它非循环过程.12W A低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机AABCD 卡诺卡诺循环是循循环是循环过程，环过程，但需两个但需两个热源，且热源，且使外界发使外界发生变化生变化.第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习
3、题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化物体，但需外界作功且使环境发生变化.二、二、克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机WABCD第九章第九章 热力学基
4、础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.6.2 热力学第二定律两种表述的等价性热力学第二定律两种表述的等价性证明（反证法）：设克劳修斯表述不对，热量可以自动证明（反证法）：设克劳修斯表述不对，热量可以自动地由低温热源传递到高温热源，在下面设计卡诺热机中地由低温热源传递到高温热源，在下面设计卡诺热机中是违反开尔文表述的是违反开尔文表述的.高温热源高温热源低温热源低温热源高温热源高温热源低温热源低温热源A=Q1-|Q2|Q1Q2|Q2|第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈
5、尔滨工程大学理学院证明（反证法）：设开尔文表述不对，证明克劳修斯证明（反证法）：设开尔文表述不对，证明克劳修斯表述也不对。表述也不对。高温热源高温热源低温热源低温热源高温热源高温热源低温热源低温热源A=Q1Q1Q2Q2+A=Q2+Q1 Q2总之，热力学第二定律的两种表述是等效。总之，热力学第二定律的两种表述是等效。第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结热力学第二定律是大量实验和经验的总结.3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说热力学第二定律可有多种说法，每一种
6、说法都反映了自然界过程进行的方向性法都反映了自然界过程进行的方向性.2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性法具有等效性.第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程 可逆过程可逆过程:在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过如果逆过程能重复正过程的每一状态程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化而不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程.9.7 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程第
7、九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程.不可逆不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不过程：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必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程程.可
8、逆过程的条件可逆过程的条件第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的不可逆的.热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨
9、工程大学理学院一一.气体分子动理论气体分子动理论1.基本概念基本概念(1)平衡态和平衡过程平衡态和平衡过程平衡态：若系统与外界无能量交换，则系统的宏性质不平衡态：若系统与外界无能量交换，则系统的宏性质不 随时间改变，这样的状态称为平衡态。随时间改变，这样的状态称为平衡态。平衡过程：系统从一个状态不断地变化到另一个状态，平衡过程：系统从一个状态不断地变化到另一个状态，我们称系统经历了一个过程。若其间所经历我们称系统经历了一个过程。若其间所经历 的所有中间状态都无限地接近平衡态，这个的所有中间状态都无限地接近平衡态，这个 过程称为平衡过程。过程称为平衡过程。第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力
10、学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院(2)理想气体压强和温度的微观实质理想气体压强和温度的微观实质压强：所有分子每秒钟施于单位面积器壁的冲量。压强：所有分子每秒钟施于单位面积器壁的冲量。温度：标志物体内分子无规则运动的剧烈程度。温度：标志物体内分子无规则运动的剧烈程度。内能：在一个系统内，所有分子的动能和分子间内能：在一个系统内，所有分子的动能和分子间 相互作用势能的总和称为内能。相互作用势能的总和称为内能。第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院理想气体的内能：所有分子
11、的动能总和。理想气体的内能：所有分子的动能总和。2.统计规律统计规律(1)麦克斯韦速率分布率：在平衡态下，理想气体分子分麦克斯韦速率分布率：在平衡态下，理想气体分子分布在任一速率区间布在任一速率区间vv+dv内的分子数占总分子数的比率为：内的分子数占总分子数的比率为：第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院分布函数分布函数三种速率三种速率第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院(2)能量均分定理：在温度为能量均分定理：在温度为T 的平衡
12、态下，气体分子每的平衡态下，气体分子每个自由度的平均动能都相等，其大小等于个自由度的平均动能都相等，其大小等于 。二二.热力学热力学1.热力学第一定律：热力学第一定律：理想气体的平衡过程理想气体的平衡过程:第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院0绝热绝热0等温等温等压等压0等容等容备注QAE过程热力学第一定律对理想气体四个过程的应用热力学第一定律对理想气体四个过程的应用第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院2.循环过程：循环过程：致
13、冷系数：致冷系数：热机效率：热机效率：3.热力学第二定律：热力学第二定律：开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其它影响。成有用功而不产生其它影响。克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物体传向高温克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。物体。第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院1.如果一定量的理想气体，其体积和压强依照如果一定量的理想气体，其体积和压强依照 2.的的规规律律变变化化，其其中中a 为为已已知知常常数数.试试求：
14、求：(1)气体从体积气体从体积V1膨胀到膨胀到V2所作的功；所作的功；(2)体积为体积为V1时的温度时的温度T1与体积为与体积为V2 时的温度时的温度T2之比之比.第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解：对平衡过程：解：对平衡过程：由由第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院2、1mol双原子分子理想气体，经如图双原子分子理想气体，经如图A B过程。其摩过程。其摩尔热容为尔热容为CAB=CV-R.求：该过程的过程方程。求：该过程的过
15、程方程。pVV1V2AB第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解：由摩尔热容的定义：解：由摩尔热容的定义：由热力学第一定律：由热力学第一定律：再由再由：积分得：积分得：第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院3.1mol双双原原子子分分子子理理想想气气体体作作如如图图的的可可逆逆循循环环过过程程，其其中中12为为直直线线，23为为绝绝热热线线，31为为等等温温线线.已已知知 =45,T2=2T1,V3=8V1 试求：试求：（1）各过程
16、的功，内能增量和传递的热量；各过程的功，内能增量和传递的热量；（用（用T1 和已知常数表示）和已知常数表示）（2）此循环的效率此循环的效率.PV123P1P2V1V2V3 第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解：对双原子分子，解：对双原子分子，PV123P1P2V1V2V3 第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院PV123P1P2V1V2V3 第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工
17、程大学理学院哈尔滨工程大学理学院4.一一定定量量的的理理想想气气体体经经历历如如图图所所示示的的循循环环过过程程，AB和和CD示示等等压压过过程程，BC和和DA是是绝绝热热过过程程.已已知知：Tc=300K,Tb=400K.试求：此循环的效率试求：此循环的效率.pVABCDo第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解：解：pVABCDo第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院pVABCDo第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定
18、律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院5.1mol多原子分子的理想气体，经如图所示的多原子分子的理想气体，经如图所示的 循环，循环，求：该循环的效率。求：该循环的效率。ABCp12p1V12V1V1VP第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解：解：A AB BC Cp p1 12p2p1 1V V1 12V2V1 1V V1 1V VP PM MV VM M第九章第九章 热力学基础热力学基础 热力学第二定律热力学第二定律+习题课习题课 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院ABCp12p1V12V1V1VPMVM