第23章--热力学第二定律熵课件.ppt
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1、1、热力学第二定律;,2、可逆过程和不可逆过程;,3、卡诺循环和卡诺定理;,4、熵的定义、计算和熵增加原理;,5、热力学第二定律的统计意义。,注:本章涉及的功W、热量Q、内能增量U均取正值(绝对值)。,23-1 热机、热力学第二定律,由热力学第一定律可知:功和热是可以相互转化的,但这种转化不是直接的,而是必须通过热力学系统(工作物质)的循环过程才可以实现。,如:瓦特的蒸汽机(热机)就是将热量转化为功的装置,其工作物质为水蒸汽。,1、循环过程:,系统由某一状态出发经历一系列变化后又回到初始状态的过程称为循环过程(循环)。,(1)系统经历一个循环后内能不变;,(2)循环过程的过程曲线为闭合曲线,其
2、所包围的面积为一个循环过程中系统对外界所作的净功(正循环)或外界对系统所作的净功(逆循环)。,2、热机(正循环)及其效率:,沿顺时针方向进行的循环称为正循环(热机循环),热机从外界吸热将其转化为对外界作的功(如蒸汽机)。,W=Qh Qc,系统净吸热=系统对外做的净功。,定义:热机的效率:,始终 1,(Qc:系统向外界放热的绝对值),3、致冷机(逆循环)及其致冷系数:,工作物质作逆循环的机器称为致冷机。致冷机通过外界作功使系统从低温热库吸热向高温热库放热(如电冰箱)。,外界对系统做的净功=系统净放热。,W=Qh Qc,(W:外界对系统作功的绝对值),定义:致冷系数:,可以 1,4、热力学第二定律
3、:,热力学第二定律指出:并不是所有满足热力学第一定律(能量守恒)的宏观过程都是可以自发实现的。,热机可以将热量转换为功,但从高温热库吸收的热量,只有部分用来对外作功,另一部分则向低温热库放出。即:将热全部转化为功的热机(=100%的热机)是不可能实现的。,如焦耳的功热转换实验:通过摩擦可以使功完全变为热量,但热量不可能完全变为功。即通过摩擦生热的过程是不可逆的。,热力学第二定律的开尔文表述:,不可能只从单一热库吸热,使之完全变为有用的功,而不产生其它影响。,工作在高温恒温热库和低温恒温热库间的卡诺热机的效率是最高的(见第3节),其效率可表示为:,由于T=0的绝对零度不可能达到,所以由开尔文表述
4、可见效率=100%的热机(第二类永动机)是不可能实现的。,热力学第二定律的克劳修斯表述:,热量不可能自动地从低温物体传向高温物体而不产生其它影响。,致冷机可以将热量由低温物体传向高温物体,但同时外界必须对系统作功,即产生了“其它影响”。,如热传导问题:热量可以自动地由高温物体传向低温物体,但不可能自动地由低温物体传向高温物体。即热量自动地由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的。,可以证明:热力学第二定律的两种表述是等效的。,证明:热力学第二定律的两种表述是等效的(反正法):,设克劳修斯表述不成立,即热量Qc自动由低温热库传向高温热库。则可用一热机从高温热库吸热 Qh,部分用于对外作功 W=Qh
5、 Qc,部分(Qc)放回低温热库。,若将上述两个过程看作一个复合热机,则它可以从单一热库吸热 Qh Qc,使之完全变为对外界的功,而热库 Tc 不发生任何变化。这显然也违反开尔文表述!,事实上,每一种不可逆过程都可以给出热力学第二定律的一种表述,但所有这些表述都是等效的。,由两个等容过程和两个绝热过程组成的循环称为奥托循环又称汽油机循环,求此循环的效率。,等容过程:,BC过程吸热:,DA过程放热:,所以循环的效率为:,例 1:例题23-1,引入压缩比:,绝热过程:,得:,由两个等容过程和两个绝热过程组成的循环称为奥托循环又称汽油机循环,求此循环的效率。,例 1:例题23-1,一定量理想气体经图
6、示循环,其中AB、CD为等压过程,BC、DA为绝热过程。已知TB=T2,TC=T3,求该循环的效率=?,AB吸热:,例 2:习题23-4,CD放热:,所以循环的效率为:,一定量理想气体经图示循环,其中AB、CD为等压过程,BC、DA为绝热过程。已知TB=T2,TC=T3,求该循环的效率=?,例 2:习题23-4,等压过程:,绝热过程:,(1)热机效率:,效率为25%的热机,输出功率为5kw。若在每一循环中排出8000J的热量,求:(1)每一循环中吸收的热量;(2)每一循环经历的时间。,例 2:习题23-1,每一循环吸收的热量:,(2)每一循环做功:,每一循环的时间:,1mol单原子理想气体经历
7、图示的循环,AB为等温过程,求:(1)气体所做净功;(2)气体吸收的热量;(3)气体放出的热量;(4)循环的效率。,例 3:习题23-6,(1),(2),1mol单原子理想气体经历图示的循环,AB为等温过程,求:(1)气体所做净功;(2)气体吸收的热量;(3)气体放出的热量;(4)循环的效率。,例 3:习题23-6,(3),(4),23-2 可逆过程和不可逆过程,一系统从 A 态出发,经过程 1到达 B态。若存在另一过程 2,使系统由B 回到 A,同时消除原过程对外界产生的一切影响,则过程 1 称为可逆过程,否则过程 1为不可逆过程。,一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的。,不可逆过程的
8、几个例子:,功热转换的不可逆性(焦耳实验):,重物自动下落,使叶片在水中转动,和水相互摩擦使水温上升的过程可以自发地进行,即功(机械能)可以自动地转变为热(热能)。,而与此相反的过程,即水温自动下降,产生水流带动叶片转动,使重物上升的过程,即热自动地转变为功的过程尽管不违反能量守恒定律,但却是不可能发生的。,通过摩擦使功变热的过程是不可逆的。,热传导过程的不可逆性:,两个温度不同的物体互相热接触(两者处于非平衡态),则有热量自动地从高温物体传向低温物体,最终使两者温度相同而达到平衡态。,而与此相反的过程,即热量自动地由低温物体传给高温物体,使两者的温度差越来越大的过程尽管不违反能量守恒定律,但
9、却是不可能发生的。,热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的。,气体绝热自由膨胀的不可逆性:,绝热容器左侧充满气体,当中间隔板抽去瞬间,两侧气体处于非平衡态。此后气体将自动地膨胀并充满整个容器,最后达到平衡态。,气体向真空的绝热自由膨胀过程是不可逆的。,而与此相反的过程,即所有气体分子自动地收缩到容器的左侧,而右侧为真空的过程是不可能实现的。,气体迅速膨胀过程的不可逆性:,绝热汽缸内充满高温、高压气体,气体迅速膨胀推动活塞对外界作功,同时气体温度下降。当汽缸内外压强相等时,达到一个新的平衡态。,气体的迅速膨胀过程是不可逆的。,而与此相反的过程,即活塞自动压缩气体到原来的体积,将膨胀时对外作的
10、功还给气体,同时气体温度完全复原的过程是不可能实现的。,气体迅速膨胀过程中,活塞附近压强P1小于其他部分的压强P,气体对外作功P1VPV。,可见,体积复原时,外界对气体多作了功,使气体内能(或温度)增大。,若要使气体温度也复原,则气体向外界放出多余的热量。根据热力学第二定律的开尔文表述,这部分热量不可能完全转化为外界多作的功而不产生其它影响(向低温热库放热)。,但如果过程进行得无限缓慢(准静态过程),则过程可逆!,等温膨胀的三种途径,其中可逆过程作功最大。,由前面的讨论可知:实际过程都是按一定的方向进行的,是不可逆的。相反方向的过程不能自动地发生,或者说,可以发生,但必然会产生其他后果。,由于
11、自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都涉及功热转换或热传导。特别是,都是由非平衡态向平衡态的转化,因此可以说,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,但是,当过程进行得无限缓慢时(准静态过程),则过程可逆。而只有准静态过程才可以用 PV 图上的一条曲线表示。所以,只有可以用 PV 图上的一条曲线表示的过程才是可逆的。,23-3 卡诺循环、卡诺定理,1824年法国工程师卡诺提出了一种理想的准静态循环过程(卡诺循环)。从理论上讲,按卡诺循环工作的热机其效率是最高的。,1、卡诺循环:,卡诺循环是在两个恒温热库(Th、Tc)之间进行的准静态循环过程。它以理想气体为工作物质,并忽略过程中的所有摩
12、擦和热量耗散。,因卡诺循环只能与两个恒温热库交换热量,所以它由两个等温过程和两个绝热过程组成。,AB过程:系统从高温热库吸热,CD过程:系统向低温热库放热,(绝对值),BC、DA过程:由绝热过程方程,得:,卡诺热机的效率为:,或:,仅有高温热库,循环无法进行(热力学第二定律);,讨论,提高高温热库的温度Th和降低低温热库的温度Tc(不实际)都可以提高卡诺热机的效率;,因为Th不可能等于,或Tc不可能等于0K(热力学第三定律),所以卡诺热机的效率 卡 1。,例:发电厂的气轮机:Th=800K,Tc=300K,得卡=62.5%。但实际的效率约为30%40%。,2、卡诺定理:,(1)在相同的高温热库
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