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1、 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.4 9.4 绝热过程绝热过程9.4.1 9.4.1 绝热过程绝热过程绝热过程绝热过程在状态变化过程中，系统与外界不发生热量交在状态变化过程中，系统与外界不发生热量交换。其特征为换。其特征为dQ=0。9.4.2 9.4.2 绝热方程绝热方程绝热方程绝热方程 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解之可得：解之可得： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝
2、热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院这就是理想气体的这就是理想气体的绝热方程绝热方程。其中的常数由质。其中的常数由质量和初状态确定。量和初状态确定。 称为摩尔热容比。称为摩尔热容比。由此还可得：由此还可得： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.4.3 9.4.3 绝热曲线绝热曲线绝热曲线绝热曲线 如图，绝热线和等如图，绝热线和等温线有一个交点温线有一个交点A，在这，在这一点处两线的斜率为：一点处两线的斜率为： ，这就是说
3、，绝热线斜率的绝对值较大，这就是说，绝热线斜率的绝对值较大，压强变化较快。压强变化较快。ABC常量常量 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.4.4 9.4.4 绝热过程中功的计算绝热过程中功的计算绝热过程中功的计算绝热过程中功的计算 绝热过程内能的增量：绝热过程内能的增量： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院另：在准静态绝热过程中，系统所做的功为：另：在准静态绝热过程中，系统所做的功
4、为： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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等容等容备注备注QA E过程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 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.5 9.5 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环9.5.1 9.5.1 循环过程循环过程循环过程
5、循环过程1.1.热机热机 吸热吸热放热放热做功做功工作物质工作物质：热机中被用：热机中被用来吸收热量并对外做功的物来吸收热量并对外做功的物质叫做工作物质。质叫做工作物质。热机热机：利用热能做功的：利用热能做功的机器。机器。特点特点：都有工作物质；：都有工作物质；都吸收热量增加内能，其中都吸收热量增加内能，其中一部分对外做功，另一部分一部分对外做功，另一部分以热量的形式散发到温度较低的冷凝器中。以热量的形式散发到温度较低的冷凝器中。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院一个系统，从某一状态出发
6、，一个系统，从某一状态出发，经过任意的一系列过程，最后回到经过任意的一系列过程，最后回到初始状态，这样的过程称为循环过初始状态，这样的过程称为循环过程，简称循环。程，简称循环。如图，整个循环过程中系统对外做正功（其大如图，整个循环过程中系统对外做正功（其大小为闭合曲线面积）称为正（热）循环。循环方向小为闭合曲线面积）称为正（热）循环。循环方向相反，称为逆（冷）循环。相反，称为逆（冷）循环。都重复上述动作循环。都重复上述动作循环。oPV2.2.循环过程循环过程 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理
7、学院热机发展简介热机发展简介热机发展简介热机发展简介1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸汽蒸汽机机 ，但当时的效率极低。，但当时的效率极低。1765年，瓦特对蒸汽机进年，瓦特对蒸汽机进行了重大改进行了重大改进 ，大大提高了其效率。人们一直在为，大大提高了其效率。人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展。动了热学理论的发展。各种热机的效率各种热机的效率各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体
8、燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院热机热机：持续地将热量转变为功的机器。：持续地将热量转变为功的机器。 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质。并对外做功的物质。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院冰箱循环示意图冰箱循环示意图 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环
9、过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院3.3.循环效率循环效率热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源AB对正循环，工作物质从高温热源吸热对正循环，工作物质从高温热源吸热 ，又向低，又向低温热源放出热量温热源放出热量 。整个过程内能不变。对外做的。整个过程内能不变。对外做的净功为：净功为： 。在一次循环过程中工作物质对。在一次循环过程中工作物质对外做的净功占它从高温热源吸收的热量的比率称为该外做的净功占它从高温热源吸收的热量的比率称为该循环的循环的效率效率。有：。有： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二
10、定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源AB对逆循环，工作物质从低温热源吸热对逆循环，工作物质从低温热源吸热 ，又向，又向高温热源放出热量高温热源放出热量 。外界必须对工作物质做净功。外界必须对工作物质做净功 ，即：，即： 。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院逆循环的效率称为制冷系数，即：逆循环的效率称为制冷系数，即：卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两个准静态过程和两个准静态绝热绝热过程组成的。过程
11、组成的。9 9.5.2 .5.2 卡诺循环卡诺循环卡诺循环卡诺循环及其效率及其效率及其效率及其效率 1824 年法国的年轻工程师卡诺提出了一个工作在年法国的年轻工程师卡诺提出了一个工作在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环卡诺卡诺循环，给出了热机效循环，给出了热机效率的理论极限值。他还提出了著名的卡诺定理。率的理论极限值。他还提出了著名的卡诺定理。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院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 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循
12、环热机效率的计算AB 等温膨胀等温膨胀 BC 绝热膨胀绝热膨胀 CD 等温压缩等温压缩 DA 绝热压缩绝热压缩 卡诺循环卡诺循环 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院AABCDAB 等温膨胀等温膨胀吸吸热热CD 等温压缩放热等温压缩放热 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院BC 绝热过程绝热过程 DA 绝热过程绝热过程AABCD 卡诺热机效率卡诺热机效率 第第9章章 热力学基础热力学基础
13、绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关。两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高。有关。两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高。 AABCD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 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环） 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数 图中两卡诺循环图
14、中两卡诺循环 吗吗 ？讨讨 论论 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院1423解解：由理想气体过程方程得由理想气体过程方程得例例 1 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其氦气经过如图所示的循环过程，其中中 ， 。求：求：1-2，2-3，3-4，4-1各过程中气体吸收的热量和热机的效率。各过程中气体吸收的热量和热机的效率。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院1423 第第9章章 热力
15、学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院例例2 有有2.5mol的双原子理想气体，作如图所示的双原子理想气体，作如图所示的循环（的循环（ac为等温过程）。求为等温过程）。求各过程中的热量、内各过程中的热量、内能改变和所做的功以及循环的效率。已知：能改变和所做的功以及循环的效率。已知： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解解：双原子气体双原子气体 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循
16、环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院讨论：直线过程中温度转换点与吸放热转换点。讨论：直线过程中温度转换点与吸放热转换点。（1）无温度转换点与吸转）无温度转换点与吸转换点的直线过程。换点的直线过程。PV甲甲PV乙乙（2）无温度转换点而有吸）无温度转换点而有吸放热转换点的过程。放热转换点的过程。（3）有温度转换点）有温度转换点N与吸放热转换点与吸放热转换点M的的直线过程。直线过程。如图所示直线过程如图所示直线过程AB
17、，已知：已知：TA=TB 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院对于准静态直线过程对于准静态直线过程AB，每一状态满足：每一状态满足： 直线过程的过程方程：直线过程的过程方程： 消去消去P得得： 由由dT/dV=0 得：得： PVV12V12P1P1NM 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 设：该理想气体的分子是多原子分子，即设：该理想气体的分子是多原子分子，即CV=3R 由由dQ/dV=
18、0 得：得： 可见可见：温度转换点不是吸放热转换点。：温度转换点不是吸放热转换点。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院由于该过程系统对外做功，而内能无变化，所以整由于该过程系统对外做功，而内能无变化，所以整个过程总的来说是吸热的。个过程总的来说是吸热的。从图中可计算：从图中可计算： 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院例例3 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
19、，经如图所示的 循环，求：该循环的效率。循环，求：该循环的效率。 ABCp12p1V12V1V1VP 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院ABCp12p1V12V1V1VPMVM 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循
20、环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.6 9.6 热力学第二定律热力学第二定律不可能制造出这样一种不可能制造出这样一种循环循环工作的热机，它只使工作的热机，它只使单单一一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量给其它物体，或者说放出热量给其它物体，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
21、律无法说明。 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 1.1.热力学第二定律的开尔文表述热力学第二定律的开尔文表述 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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做功，单一热源吸热做功，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
22、使外界发使外界发生变化。生变化。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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物虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界做功且使环境发生变化。体，但需外界做功且使环境发生变化。不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自动自动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引
23、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WABCD2.2.热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院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）：设克劳修斯表述不正确，热量可证明（反证法）：设克劳修斯表述不正确，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是违反开尔文表述的。热机中是违反开尔文表述的。高温热源高
24、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| 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院证明（反证法）：设开尔文表述不对，证明克劳修证明（反证法）：设开尔文表述不对，证明克劳修斯表述也不对。斯表述也不对。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。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程
25、 热力学第二定律热力学第二定律 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热力学第二定律，开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性。说法具有等效性。 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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
26、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，如果逆过：在系统状态变化过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态，而不引起其它变程能重复正过程的每一状态，而不引起其它变化，这样的过程叫做可逆过程。化，这样的过程叫做可逆过程。9.7 9.7 可逆过程可逆过程 不可逆过程不可逆过程 卡诺定理卡诺定理 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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：在不引起其它变化的条件下，不能过程：在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正过
27、程的每一状态，或者虽能重复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它变化，这样的过程叫做不可逆但必然会引起其它变化，这样的过程叫做不可逆过程。过程。准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力做功，无能量耗散的过程。粘滞力或其它耗散力做功，无能量耗散的过程。 可逆过程的条件可逆过程的条件 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 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然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。可逆的。9.8 9.8 热力学第二定律的微观本质及统计意义热力学第二定律的微观本质及统计意义 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 第第9章章 热力学基础热力学基础 绝热过程绝热过程 循环过程循环过程 热力学第二定律热力学第二定律 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院9.9 9.9 熵熵 熵增加原理（略）熵增加原理（略） 9.10 9.10 能斯特定理与负温度（略）能斯特定理与负温度（略）
