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1、气体活塞砂子一.准静态过程第 十三 章 热力学基础 13 1 准静态过程 功 热量无限缓慢中间状态 一系列平衡态 PV 图“点” 平衡态 “曲线” 准静态过程121 .二. 功 系统体积变化注b. 过程量不同过程P = f(V)形式不同a. PV 图 面积 功c. 功 系统与能量外界交换 的一种方式膨胀 对外作功 内外 内能机械能 压缩 外对内作功 外内 机械能内能2 .三. 热量讨论下列常见过程中功的计算a.等体 b.等压 c.等温 d.直线过程 功以外的能量交换方式一般(中学: )摩尔热容c : 比热如Cm 与T关系不大注a. 过程量b. 吸放热与T无必然关系等体 Cm = CV, m 等
2、压 Cm = CP, m 如 等体或等压 Q 0 T ， Q 0 (膨胀) ， Q 三. 卡诺循环 (1824 Carnot 理想循环)1.卡诺热机 ( 正循环 )4个准静态过程( 等温与绝热 )T1高温热源T2低温热源25.WABCD2. 卡诺致冷机 ( 逆循环 ) T1高温热源T2低温热源例2 一电冰箱放在室温为20C 的房间里,冰箱储藏柜中的温度 维持在5C . 现每天有2.0107J 的 热量自房间传入冰箱内, 若维 持 冰箱内温度不变, 外界每天需 作 多少功,其功率为多少? 设在 5C 至20C之间的冰箱的致冷系 数是 卡诺致冷系数的 55% .26.讨论 图中两卡诺循环效率相等吗
3、 ？注指导意义 T1T2 现代热机方向27.136 热力学第二定律 卡诺定理 问题 a. 提高 有无限制？ 如 Q2= 0 (单一热源热机) = 1 (第二类永动机)把吸热全部转化功输出 ( 指循环过程 )c. 混合气体能否自动分离？b. 高温物体低温物体 自发？自发归纳：自发过程的方向性问题？不满足热力学第一定律的过程绝不会发生反之 , 满足热力学第一定律的过程不一定能自动发生28.一. 热力学第二定律的两种表述 1. Kelvin表述不可能！循环热机 单一热源或不使外界发生变化 ( Q2= 0 )第二类永动机 ( =1)启示： 单一过程吸热可全部转化为机械功( 等温膨胀 )(热机)循环过程
4、吸热不可全部转化为机械功输出2. Clausius表述不可能！热量自动从低温到高温物体传递 而不引起外界变化 29.等温膨胀过程是从 单一热源吸热作功，而 不放出热量给其它物体 ，但它是非循环过程.12WW低温热源高温热源卡诺热机WABCD卡诺循环是循环过程，但需两个热 源，且使外界发生变化.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 .高温热源低温热源卡诺致冷机WABCD高温物体低温物体 不自发(外界干预)自发启示：注b. 热力学第一定律 所有过程必要条件a. 两种表述 等价( 可互相验证 )热力学第二定律 自发过程进行的方向性二. 可逆过程与不可逆过程 1
5、. 定义 可逆过程 反过程重复正过程每一状态 且不引起其它变化任何一项 不满足不可逆过程12正VP反30 .c。实验和经验的总结关键重复每一状态 不引起外界变化 反过程需消除正过程一切影响 ( 要求 W正+W反= 0 Q正+Q反= 0 )2. 条件 无限缓慢+ 无任何耗散 ( 如无摩擦 ) ( 准静态过程 ) 讨论 下列过程的可逆性气体正常膨胀与压缩、热功转换、热传导、纯力学过程 结论:自然界中一切与热有关的过程 不可逆过程可逆过程 理想过程 (有理论意义)注不可逆过程 正反过程条件不等价 并不是反过程不能进行31 .三. 卡诺定理1. 任意工作物质可逆机 相等相同高低温 热源热机2. (可逆
6、卡诺)= 可逆机EP水低由卡诺定理、对可逆卡诺循环即( Q2要取负值 )得( 热温比之和为零 )推广 任意可逆循环33 .A BCDEFGHPVO推广 任意可逆循环ABC1C2物理量 ( 热温比 )积分与路径无关 新的态函数定义元过程可逆过程34 .二. 熵变计算1. 熵S 态函数对于实际不可逆过程,可自行设计一可逆过程用 计算2. 可加性 只与始末状态有关,与过程无关35 .例1 计算不同温度液体混合后的熵变 . 质量为 0.30 kg、温度为90C 的水,与质量为 0.70 kg、 温度 为20C 的水混合后,最后达到平衡状态. 试求水的 熵变. 设整个系统与外界间无能量传递 . 分析 :
7、 a. 液体混合 设为可逆等压过程看成孤立系统 不可逆过程b.系统熵变 热水冷水 热平衡温度讨论 ？ 不可逆过程孤立系统36 .（已知水的定压比热容Cp4.18x103J/kg.K)例2 求热传导中的熵变.如图示,有一个容器是由绝热材料做成.容器内有 两个彼此相接触的物体A和B,它们的温度分别为 TA和TB , 且TATB .容器内A、B间有热量传递. 试求它们的熵变.绝热壁热传导无限缓慢进行可逆等温过程 元过程不可逆过程孤立系统判断过程可逆性？启示：37 .在微小时间内，AB间传递微小的热量Q三. 熵增加原理孤立系统 0 不可逆过程 = 0 可逆过程 注a.自然过程(不可逆) 方向b. 非孤
8、立系统 0 = 0 0三种可能四. 熵增加原理与热力学第二定律38 .热力学第二定律亦可表述为 ：一切自 发过程总是向着熵增加的方向进行 .孤立系统中的熵永不减少.例 证明理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆的 .分析 : 不可逆过程自由膨胀( 绝热 d Q = 0 )设计可逆过程 可逆等温过程( 保证初始态相同 )由1239 .一. 玻尔兹曼关系式 熵与热力学概率138 热力学第二定律的统计解释熵的微观本质？孤立系统(无外界影响)自发非平衡态平衡态 S小S大(最大) ？问题 S 无序度有无关系？ 之间如何度量？ Boltzmann (1877) (统计力学)W 宏观态所含微观态数目 (热力学概率
9、)40 .说明：玻尔兹曼关系式简单说明气体自由膨胀的情况原： N V1 (平衡态) 划分相等子空间( )数目为一个分子N个分子微观状态数(等概率原理)后： N V2 (平衡态)同理 42 .始末微观状态数比值两边取自然对数乘以k与前例结论比较得孤立系统熵增加的过程也是系统微观状态数增大的 过程（即热力学概率增大的过程），是系统从非平 衡态趋于平衡态的过程，是一个不可逆过程。43 .宏观观状态态 (分配种类类)ABABABABAB4031221304微观观状态态 (粒子分布)ab cdabc bcd cda da bd a b cab ac ad bc bd cdcd bd bc ad ac aba b c dbcd cda da b abcab cd一个宏观观状 态对应态对应 的微 观观状态态数14641讨论 4个全同粒子( a 、b 、c 、d )占据两个子空间b dac AB左2右2“均匀”“平衡”W最大无序 其它状态“不均匀”“非平衡”W 最小 较为有序启示：41.二. 无序度和热力学概率热力学概率W 是分子热运动系统无序度的量度1. 结论孤立热力学系统中自发过程都是W 较小状态 向W 较大状态方向发展2. 意义 广义熵概念 应用:自然科学(物理的、非物理的)、社会人文科学 、经济44 .
