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1、热热 力力学学作业题：作业题：2；5；6；8；10； 12；14；16；17Thermodynamics6.1 6.1 热力学的基本概念及理想气体状态方程热力学的基本概念及理想气体状态方程 一一 热力学系统及其分类热力学系统及其分类大量分子或原子组成的与温度有关的宏观系统。大量分子或原子组成的与温度有关的宏观系统。按系统与环境的关系可分为三类按系统与环境的关系可分为三类: :1.1.孤立系统孤立系统: : 与环境既没有物质交换与环境既没有物质交换, ,也没有能也没有能量交换的系统。量交换的系统。2.2.封闭系统封闭系统: : 与环境没有物质交换与环境没有物质交换, ,只有能量交只有能量交换的系
2、统。换的系统。3.3.开放系统开放系统: : 与环境既有物质交换与环境既有物质交换, ,也有能量交也有能量交换的系统。换的系统。二二. . 气体状态参量及理想气体状态方程气体状态参量及理想气体状态方程) ) 平平衡衡态态(equilibrium state):在在无无外外界界影影响响的的条条件件下下，系系统统所所有有可可观观察察的的宏宏观观性性质质不不随随时时间间改变的状态。改变的状态。 平衡态是一种理想概念平衡态是一种理想概念1 1 气体状态参量气体状态参量) ) 气体的状态参量气体的状态参量压强压强P、体积体积V、温度温度 T 压强压强-帕斯卡帕斯卡体积体积-立方米立方米 温度温度-开尔文
3、开尔文表征系统的状态参量表征系统的状态参量( (P，V，T) ) 具有具有确定的量值，且不随时间变化。确定的量值，且不随时间变化。热力系处于平衡态的标志是热力系处于平衡态的标志是热力系处于平衡态的标志是热力系处于平衡态的标志是气体气体质量质量摩尔摩尔质量质量普适气体常量普适气体常量理想气体理想气体当当系统处于平衡态时，三个状态参量存在一定的函系统处于平衡态时，三个状态参量存在一定的函数关系：数关系：状态方程状态方程2 2 理想气体状态方程理想气体状态方程遵循玻意尔定律、查理定律、盖遵循玻意尔定律、查理定律、盖吕萨克定律吕萨克定律三个状态参量有两个是独立的三个状态参量有两个是独立的非准静态过程非
4、准静态过程准静态过程准静态过程 准准静静态态过过程程: :一一个个过过程程，如如果果任任意意时时刻刻的的中中间间态态都都无无限限接接近近于于一一个个平平衡衡态态，则则此此过过程程为为准准静静态态过过程程。显显然然作作为为准准静静态态过过程程中中间间状状态态的的平平衡衡态态，具具有有确确定定的的状状态态参参量量值值，对对于于简简单单系系统统可可用用PV 图图上上的的一一点来表示这个平衡态。点来表示这个平衡态。三三 热力学过程热力学过程非准静态过程：实际的非准静态过程：实际的热力学过程热力学过程往往进行的较往往进行的较快，在新的平衡态达到之前系统又继续了下一步快，在新的平衡态达到之前系统又继续了下
5、一步变化。这意味着系统在过程中经历了一系列非平变化。这意味着系统在过程中经历了一系列非平衡态，这种过程为非准静态过程。衡态，这种过程为非准静态过程。作为中间态的作为中间态的非平衡态通常不能用状态参量来描述非平衡态通常不能用状态参量来描述。根据过程进行的快慢将热力学过程分为两类根据过程进行的快慢将热力学过程分为两类 系统的准静态变化过程可用系统的准静态变化过程可用PV图上的一条曲图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。这条曲线的方程称为过线表示，称之为过程曲线。这条曲线的方程称为过程方程。准静态过程是一种理想的极限，但作为热程方程。准静态过程是一种理想的极限，但作为热力学的基础，我们要首先着重讨论它
6、。力学的基础，我们要首先着重讨论它。VPo 例例 右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态压缩右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态压缩或膨胀时，外界的压强或膨胀时，外界的压强P Pe e必等于此时气体的压强必等于此时气体的压强P P，否则系统在有限压差作用否则系统在有限压差作用下，将失去平衡，为非准下，将失去平衡，为非准静态过程。若有摩擦力存静态过程。若有摩擦力存在，虽然也可使过程进行在，虽然也可使过程进行的的“无限缓慢无限缓慢”，但，但P Pe eP P 。PS 无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过程中对系统的作用力，可以用系统本界在准静态
7、过程中对系统的作用力，可以用系统本身的状态参量来表示。身的状态参量来表示。四四 准静态过程的功准静态过程的功为简化问题，只考虑无摩擦准静态过程的功。为简化问题，只考虑无摩擦准静态过程的功。当活塞移动微小位移当活塞移动微小位移dx 时时，外力所作的元功为：，外力所作的元功为：在无摩擦准静态过程中系统对在无摩擦准静态过程中系统对外界作功为外界作功为系统体积由系统体积由V1变为变为V2时时，系统对外界作总功为系统对外界作总功为讨讨讨讨 论论论论系统对外作正功；系统对外作正功；系统对外作负功；系统对外作负功；系统不作功。系统不作功。PS元功元功 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动功是能量传递和
8、转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化状态的变化 .注意：注意：作功与过程有关作功与过程有关 .由积分意义可知，用由积分意义可知，用求出功的大小等于求出功的大小等于PV 图图上过程曲线下的面积上过程曲线下的面积.功的图示：功的图示：五五 内能及改变系统内能的两种方式内能及改变系统内能的两种方式1.1.热力学系统的内能：热力学系统的内能：所有分子热运动的动能和所有分子热运动的动能和分子间势能的总和。分子间势能的总和。 系统系统的内能是状态量的内能是状态量, , 是热力学系统所处是热力学系统所处状态的函数。状态的函数。 即即 内能的改变只决定于初、末状态而与所经历内能的改变只决定于初、末状态而与
9、所经历的过程无关。的过程无关。从改变系统内能这个意义上说，传热和作功是等从改变系统内能这个意义上说，传热和作功是等效的。都是能量传递的一种形式，都是过程量。效的。都是能量传递的一种形式，都是过程量。2.2.改变系统内能两种方式改变系统内能两种方式( (做功和热传递做功和热传递) )当系统和外界温度不同时，就会发生传热现象。当系统和外界温度不同时，就会发生传热现象。热传递进行的方向是由高温物体到低温物体。热传递进行的方向是由高温物体到低温物体。热量是反应传热多少的物理量，是过程量，是系热量是反应传热多少的物理量，是过程量，是系统与外界内能转移的量度。统与外界内能转移的量度。作功可以改变系统的状态
10、作功可以改变系统的状态, ,使系统内能改变使系统内能改变如如: :摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等。摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等。作功是系统内能与外界其它形式能量转化的量度。作功是系统内能与外界其它形式能量转化的量度。热传递也可以改变系统的状态热传递也可以改变系统的状态, ,使系统内能改变使系统内能改变6.2 6.2 6.2 6.2 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律一一 热力学第一定律热力学第一定律1. 1. 只传热不做功只传热不做功 2. 2. 只做功不传热只做功不传热3. 3. 既传热又做功既传热又做功对对状态的微小变化过程：状态的微小变化过程：dQdQ
11、 = = dE+dWdE+dW = = dE+PdVdE+PdV热热力力学学第第一一定定律律其本质是能量转化和守恒定律。其本质是能量转化和守恒定律。系统吸热系统吸热Q 0，E 0 内能增加；内能增加；系统放热系统放热Q0，E0，E 0 内能减少；内能减少；外界对系统作功外界对系统作功W0内能内能增加增加。热力学第一定律的另一种表述热力学第一定律的另一种表述: : 第一类永动机第一类永动机无法实现无法实现 ( (造不成造不成) )。系统吸收热量系统吸收热量， Q 0；系统放出热量系统放出热量, , Q 0 ；系统对外作负功，系统对外作负功，W 0；系统内能减少，系统内能减少， E 0, ,符号规
12、定：符号规定：适用范围：适用范围： 热力学第一定律热力学第一定律与过程是否准静态过程无关。即与过程是否准静态过程无关。即准静态过程和非静态过程均适用。但为便于实际计准静态过程和非静态过程均适用。但为便于实际计算，要求初、终状态为平衡态。算，要求初、终状态为平衡态。不消耗任何能量，却能不断对外做功的机器不消耗任何能量，却能不断对外做功的机器. . 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图解：解：例例1: 某一定量气体，吸热某一定量气体，吸热800J ，对外作功对外作功500J ，由状态由状态A 经经变到状态变到状态B ，气体内能改气体内能改变了多少？若气体沿过程变了多少？若气体沿过程由状态由状态
13、B 回到状态回到状态A ，外界作功外界作功300J ，求热量？求热量？POVAB6.3 6.3 6.3 6.3 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用2. 2. 吸热和内能的改变吸热和内能的改变 PV1=V2 VT2T1P2P1一一 等容过程等容过程 (isochoric process) 1. 1. 做功做功V=const , dV=0 , 故故 dW=0 ,W=0dQV = dE + dW= dE1 1摩尔理想气体在保持体积不变时，温度升高摩尔理想气体在保持体积不变时，温度升高dTdT 吸收热量吸收热量为为dQdQ，则定体摩尔热容定义为：则定体摩尔
14、热容定义为：3. 3. 定体摩尔热容定体摩尔热容 物物理理意意义义:在在等等容容过过程程中中，1mol理理想想气气体体温温度度每每升升高高(降降低低)1K所吸收所吸收(放出放出)的热量。的热量。说明说明E只与温度有关，即内能是温度的单值函数。只与温度有关，即内能是温度的单值函数。既然既然E是状态的函数，对理想气体有是状态的函数，对理想气体有等容过程中热力学第一定律可表示为：等容过程中热力学第一定律可表示为：n摩尔理想气体在保持体积不变时，温度升高摩尔理想气体在保持体积不变时，温度升高dTdT 吸收热量为吸收热量为二二. 等压过程等压过程 (isobaric process)1. 1. 做功做功
15、P = const P = const dPdP = 0 = 0PV1 V2 VP1=P2O2. 2. 吸热量和内能的变化吸热量和内能的变化1 1摩尔理想气体保持压强不变，温度升高摩尔理想气体保持压强不变，温度升高dTdT 吸收热量为吸收热量为dQ，则定压摩尔热容定义为：则定压摩尔热容定义为：3. 3. 定定压压摩尔热容摩尔热容 物理意义物理意义:在等压过程中，在等压过程中，1mol理理想想气体温度每升高气体温度每升高(或降低或降低)1K所吸所吸收收(或放出或放出)的热量。的热量。n 摩尔理想气体在保持压强不变时，温度升高摩尔理想气体在保持压强不变时，温度升高dTdT 吸收热量为吸收热量为等压
16、过程中热力学第一定律可表示为：等压过程中热力学第一定律可表示为：引入引入 表示定压摩尔热容与定体摩尔热容的比值表示定压摩尔热容与定体摩尔热容的比值叫摩尔热容比，表示为叫摩尔热容比，表示为对对1mol1mol理想理想气体状态方程气体状态方程PV=RT 两边求导，两边求导，得得在等压过程中，有在等压过程中，有又又4. 4. 摩尔热容比摩尔热容比 三三. 等温过程等温过程 (isothermal process)2. 2. 吸热和做功吸热和做功 1. 1. 内能的变化内能的变化P1P2V1 V2 VP2.2. 5g 5g氢气氢气, , 温度为温度为300K300K，体积为体积为4.00104.001
17、0-2-2 m m3 3, ,先先使其等温膨胀到体积为使其等温膨胀到体积为8.00108.0010-2-2 m m3 3, ,再等压压缩再等压压缩到到4.00104.0010-2-2 m m3 3 , ,最后使之等容升温到原来状态，最后使之等容升温到原来状态，求各过程的功、热量和内能变化。求各过程的功、热量和内能变化。例例 题题解：解：(1) (1) ab, , 等温膨胀过程等温膨胀过程V1 V2 VPP1P2OabT1c(2) bc, 等压压缩过程等压压缩过程V1 V2 VPP1P2OabT1c(3) (3) ca , ,等容升温过程等容升温过程V1 V2 VPP1P2OabT1c四四 绝热
18、过程及绝热方程绝热过程及绝热方程(adiabatic process and adiabatic equation) 1. 1. 绝热过程：绝热过程：系统不与外界交换热量的过程。系统不与外界交换热量的过程。显然，在绝热过程中，系统只有消耗内能才能对显然，在绝热过程中，系统只有消耗内能才能对外作功，而外界对系统作功，使系统内能增加。外作功，而外界对系统作功，使系统内能增加。2. 2. 准静态绝热过程的过程方程准静态绝热过程的过程方程 泊松公式泊松公式由热力学第一定律，在绝热过程中由热力学第一定律，在绝热过程中对理想气体状态方程两边微分得对理想气体状态方程两边微分得联立上两式，消去联立上两式，消去
19、dT 得得: :两边同除以两边同除以CP P V 得得: :积分得积分得泊松公式泊松公式在在气体绝热过程中，气体绝热过程中，P、V、T三个状态参三个状态参量都发生改变，其中量都发生改变，其中任两个量的关系为：任两个量的关系为：绝热过程绝热过程方程方程绝热线和等温线绝热线和等温线根据泊松公式，在根据泊松公式，在P-V 图上可画出理想气体图上可画出理想气体绝热过程所对应的曲绝热过程所对应的曲线，称为绝热线。线，称为绝热线。poA等等温温绝热绝热V绝热线比等温线更陡绝热线比等温线更陡 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程状态的
20、过程叫热力学循环过程 .热力学第一定律热力学第一定律净功净功特征特征一一. 循环过程循环过程AB6.4 6.4 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环总吸热总吸热总放热总放热正循环正循环: :沿顺时针方向进行的循环称为正循环。沿顺时针方向进行的循环称为正循环。顺时针循环一周，系统对外界作功。顺时针循环一周，系统对外界作功。-热机热机逆循环逆循环: :沿反时针方向进行的循环称为逆循环。沿反时针方向进行的循环称为逆循环。逆时针循环一周，外界对系统作功。逆时针循环一周，外界对系统作功。-致冷机致冷机正循环正循环 逆循环逆循环PVO热机发展简介热机发展简介 1698年年萨萨维维利利、1705年年纽纽可可门
21、门先先后后发发明明了了蒸蒸汽汽机机 ，当当时时蒸蒸汽汽机机的的效效率率极极低低 . . 1765年年瓦瓦特特进进行行了了重重大大改改进进 ，大大大大提提高高了了效效率率 . . 人人们们一一直直在在为为提提高高热热机机的的效效率率而而努努力力，从从理理论论上上研研究究热热机机效效率率问问题题， 一一方方面面指指明明了了提提高高效效率率的的方方向向，另另一一方方面也推动了热学理论的发展面也推动了热学理论的发展 . .各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机二二. . 热机和热机效率热机和热机效率1. 热机热机 ：持续地将热量转变为功的机器：持续地将
22、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并（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质对外做功的物质 .热机的目的：热热机的目的：热 功（正循环）功（正循环）热转变为功最理想的过热转变为功最理想的过程是理想气体等温膨胀程是理想气体等温膨胀. .即内能不增加，吸收的即内能不增加，吸收的热量全部转变为功，但热量全部转变为功，但这是不可能的这是不可能的! !AB 蒸汽机循环示意图蒸汽机循环示意图 蒸汽机的循环过程蒸汽机的循环过程锅锅炉炉冷冷凝凝器器蒸汽蒸汽水水Heating 高温热源高温热源低温热源低温热源热热机机Q吸吸Q放放W2.2.热机的工作原理热机的工作原理2
23、)2)物理意义物理意义吸收的热量转化为功的比例，吸收的热量转化为功的比例，体现做功的目的和效率。体现做功的目的和效率。1) 1) 定义定义 3. 3. 热机效率热机效率(efficiency of heat engine) 高温热源高温热源低温热源低温热源热热机机Q吸吸Q放放W其中，其中，W表示工作物质表示工作物质对对外界外界所作的净功；所作的净功；Q吸吸 表示表示工作物工作物质从高温热源吸收的热量；质从高温热源吸收的热量；Q放放 表示表示工作物质向低温热源放出工作物质向低温热源放出的热量。的热量。 工作物质把从低温热源工作物质把从低温热源吸收的热量连同外界对它作吸收的热量连同外界对它作的功以
24、热量的形式传给高温的功以热量的形式传给高温热源，其结果使低温热源的热源，其结果使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。温度更低，达到制冷的目的。( (逆循环逆循环) )高温热源高温热源 低温热源低温热源致致冷冷机机Q吸吸=Q2Q放放=Q1W致冷机原理图致冷机原理图三三. . 致冷机和致冷系数致冷机和致冷系数逆循环逆循环PV外界作功越少，从高温外界作功越少，从高温热源热源吸热越多，表明制冷机吸热越多，表明制冷机性能越好。性能越好。冰箱循环示意图冰箱循环示意图致冷系数定义致冷系数定义其中其中W表示表示外界对工作物质外界对工作物质所作的净功所作的净功 Q2 表示表示工作物质从低温热工作物质从低温热源吸
25、收的热量源吸收的热量 Q1 表示表示工作物质向高温热工作物质向高温热源放出的热量源放出的热量高温热源高温热源低温热源低温热源致致冷冷机机Q吸吸=Q2Q放放=Q1W致冷机致冷机原理图原理图例例3 3：如图所示，如图所示，1 1摩尔氧气经等压、等容和等温过程由状态摩尔氧气经等压、等容和等温过程由状态1 1 出发又回到状态出发又回到状态1 1，完成一次正循环，已知，完成一次正循环，已知V2 =4=4V1， P1= 4P3，求循环效率。求循环效率。解：解：设设1 1状态的温度为状态的温度为T1 1，由理想气体由理想气体状态方程状态方程 PV=RT 得得 T2=4T1 ，T3=T1 V2V1PV132P
26、1P31)1) 1 1到到2 2是等压过程，气体对外作功是等压过程，气体对外作功由热力学第一定律得由热力学第一定律得2)2) 2 2到到3 3是等容过程，气体作功是等容过程，气体作功 W2 = 0= 0，Q2=CV(T3-T2)= -3CVT13)3) 3 3到到1 1是等温过程，是等温过程， 热机效率为热机效率为 法国物理学家，热力学的创始人法国物理学家，热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来之一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用的人。他出色地、创造性地用“理想实理想实验验”的思维方法，提出了最简单但有重的思维方法，提出了最简单但有重要理论意义的热机循环要理论意义
27、的热机循环卡诺循环，卡诺循环，创造了一部理想的热机创造了一部理想的热机( (卡诺热机卡诺热机) )。卡诺卡诺 ( (Sadi CarnotCarnot) 1796-1832) 1796-1832四四 卡诺循环卡诺循环( (CarnotCarnot cycle) cycle) 1. 1. 卡诺热机卡诺热机 18241824年卡诺提出了一个理想循环年卡诺提出了一个理想循环卡诺循环。卡诺循环。卡诺循环卡诺循环是由两个是由两个准静态等温过程准静态等温过程和两个和两个准静态绝热准静态绝热过程过程组成组成 . .有两个有两个恒温热源恒温热源。Q1Q2W高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2工工作作物物质
28、质AB ：与与温温度度为为T1 的的高高温温热热源源接接触触，T1不不变变，体体积积由由V1 膨膨胀胀到到V2 ，从从热热源源吸吸收热量为收热量为:WABCDBC ：将汽缸移至将汽缸移至绝热垫上，绝热膨绝热垫上，绝热膨胀，体积由胀，体积由V2 变到变到V3，吸热为零。吸热为零。CD：将汽缸移至温度为：将汽缸移至温度为T2 的低温热源上，的低温热源上，T2 不变，不变，体积由体积由V3 压缩到压缩到V4，向热向热源放热为源放热为:WABCDDA ：将汽缸移至将汽缸移至绝热垫上，气体绝热绝热垫上，气体绝热压缩，体积由压缩，体积由V4变到变到V1，吸热为零。内能吸热为零。内能增大，温度升高，由增大，
29、温度升高，由在一次循环中，气体对外作净功为在一次循环中，气体对外作净功为: W = Q1 - Q2 （ 参见能流图）参见能流图）Q1Q2W高高 温温 热热 库库T1低低 温温 热热 库库T2WABCD所以所以对绝热线对绝热线BC 和和DA 分别应用绝热方程：分别应用绝热方程：理想气体卡诺循环理想气体卡诺循环的效率只与两热的效率只与两热源的温度有关源的温度有关在一次循环中，热机效率为：在一次循环中，热机效率为： 讨讨 论论1. 卡诺循环必须有高温和低温两个热源；卡诺循环必须有高温和低温两个热源；2. 只与两个热源的温度有关，与工作物只与两个热源的温度有关，与工作物 质无关；质无关；3.由于由于
30、卡诺循环卡诺循环的效率的效率 总是小于总是小于1。2. 2. 卡诺致冷机的致冷系数卡诺致冷机的致冷系数高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2致致冷冷机机Q2Q1WWABCD6.5 6.5 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理一一. .问题的引出问题的引出自然现象的不可逆性自然现象的不可逆性 落落叶叶永永离离；覆覆水水难难收收；死死灰灰难难复复燃燃；破破镜镜难难重重圆；人生易老，岂可返老还童？圆；人生易老，岂可返老还童？ 热热力力学学第第一一定定律律给给出出了了各各种种形形式式的的能能量量在在相相互互转转化化过过程程中中必必须须遵遵循循的的规规律律，但但并并未未限限定定过过程程进进行
31、行的的方方向向。观观察察与与实实验验表表明明，自自然然界界中中一一切切与与热热现现象象有有关关的的宏宏观观过过程程都都是是不不可可逆逆的的，或或者者说说是是有有方方向向性性的的。例例如如，热热量量可可以以从从高高温温物物体体自自动动地地传传给给低低温温物物体体，但但是是却却不不能能从从低低温温传传到到高高温温。对对这这类类问问题题的的解解释释需需要要一一个个独独立立于于热热力力学学第第一一定定律律的的新新的的自自然然规规律律，即即热热力力学学第第二二定定律律。为为此此，首首先先介介绍绍可可逆逆过过程程和和不不可逆过程的概念。可逆过程的概念。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
32、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 .二二 . 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程 . 不可逆过程不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使：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，或者虽能重复但必然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
33、缓慢的过程），且无摩擦力、粘准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 . 可逆过程的条件可逆过程的条件 气体的自由膨胀是不可逆的气体的自由膨胀是不可逆的. 理理想想气气体体绝绝热热自自由由膨膨胀胀是是不不可可逆逆的的。在在隔隔板板被被抽抽去去的的瞬瞬间间，气气体体聚聚集集在在左左半半部部，这这是是一一种种非非平平衡衡态态，此此后后气气体体将将自自动动膨膨胀胀充充满满整整个个容容器器，最最后后达达到到平平衡衡态态。其其反反过过程程由由平平衡衡态态回回到到非非平平衡衡态态的的过过程程不不可能自动发生。可能自动发生。 热
34、传导过程不可逆热传导过程不可逆 热热传传导导过过程程是是不不可可逆逆的的。热热量量总总是是自自动动地地由由高高温温物物体体传传向向低低温温物物体体，从从而而使使两两物物体体温温度度相相同同，达达到到热热平平衡衡。从从未未发发现现其其反反过过程程自自发发进进行行，使两物体温差增大。使两物体温差增大。 功变热过程不可逆功变热过程不可逆 通通过过摩摩擦擦而而使使功功变变热热的的过过程程是是不不可可逆逆的的，或或: :热热不不能能自自动动转转化化为为功功；或或: :唯唯一一效效果果是是热热全全部变成功的过程是不可能的。部变成功的过程是不可能的。自然界自发进行的一切与热现自然界自发进行的一切与热现象有关
35、的过程都是不可逆的象有关的过程都是不可逆的 三、热力学第二定律的两种表述三、热力学第二定律的两种表述1.1.开尔文表述：开尔文表述：不可能从单一热不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。功而不产生其他影响。 事实是，功可以完全转变为热，但事实是，功可以完全转变为热，但要把要把热完全变为功而不产生其他影响是热完全变为功而不产生其他影响是不可能的不可能的。如实际中热机的循环除了热。如实际中热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。源传给低温热源，即产生了其它效果。热全部
36、变为功的过程也是有的，如理想气体等温膨胀。但在热全部变为功的过程也是有的，如理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了，开氏表述了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了，开氏表述指明指明功变热的过程是不可逆功变热的过程是不可逆的。的。 与之相应的经验事实是，当与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，两个不同温度的物体相互接触时，热量热量将由高温物体向低温物体传将由高温物体向低温物体传递，而递，而不可能自发地由低温物体不可能自发地由低温物体传到高温物体传到
37、高温物体。如果借助制冷机，。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其他变化。克氏表述指明就是引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是不可逆热传导过程是不可逆的。的。2.2.克劳修斯表述：克劳修斯表述：不可能把热不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。起其他变化。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一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的；一切与热现象有关的实际宏
38、观过程都是不可逆的；热力学第二定律是反映过程进行条件和方向的定律。热力学第二定律是反映过程进行条件和方向的定律。3. 热力学第二定律的实质热力学第二定律的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 四、卡诺定理四、卡诺定理内容：内容：1) 在相同的高温热源和低温热源之间工作的在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机，都具有相同的效率。任意工作物质的可逆机，都具有相同的效率。 2) 工作在相同的高温热源和低温热源之间工作的工作在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机
39、的效率。 在可逆机中取一个以理想气体为工作物质的卡诺在可逆机中取一个以理想气体为工作物质的卡诺机，由卡诺定理机，由卡诺定理1，有，有用用代表热机的效率，由卡诺定理代表热机的效率，由卡诺定理2，有，有“=” 适用于可逆机，适用于可逆机，“”适用于不可逆机适用于不可逆机.6.6 6.6 熵熵 熵增加原理熵增加原理由卡诺循环效率由卡诺循环效率 因为因为 Q2 为循环中的放热，根据热力学第一定为循环中的放热，根据热力学第一定律中的符号规定律中的符号规定Q2 ”号。号。这就是热力学第二定定律的数学形式这就是热力学第二定定律的数学形式 熵增加原理给出了判断自然界中一切自发过程熵增加原理给出了判断自然界中一
40、切自发过程进行的方向和限度，其限度是熵函数达到极大值。进行的方向和限度，其限度是熵函数达到极大值。讨论：讨论：1.1.孤立系统孤立系统: : 既系统的熵增加，直至熵达最大值，系统达平衡态，既系统的熵增加，直至熵达最大值，系统达平衡态，生命死亡。生命死亡。 2.2.开放系统开放系统: : 若要若要 则必须从外界输入负熵则必须从外界输入负熵, ,来补偿系统内部熵的增加，形来补偿系统内部熵的增加，形成负熵流，维持生命的有序性成负熵流，维持生命的有序性. .生物系统的熵变包括两部分：生物系统的熵变包括两部分：dSo 表示生物与外界交换能量和物质引起的熵变，称为熵流项；表示生物与外界交换能量和物质引起的
41、熵变，称为熵流项；dSi 表示表示生物体内部新陈代谢引起的熵变，称为熵产生项。生物体内部新陈代谢引起的熵变，称为熵产生项。三三 生物系统的熵变生物系统的熵变生物系统的总熵变为生物系统的总熵变为: : 若要若要 则必须从外界输入的负熵大于系统内部熵的增量。系统则必须从外界输入的负熵大于系统内部熵的增量。系统的熵不断减少，即的熵不断减少，即“负熵负熵”不断增加，系统向更有序的不断增加，系统向更有序的方向发展，这就是生命的进化过程。方向发展，这就是生命的进化过程。一一 热力学的基本概念及理想气体状态方程热力学的基本概念及理想气体状态方程 1 1 热力学系统热力学系统: :孤立系统、封闭系统、开放系统
42、孤立系统、封闭系统、开放系统 2 2 热力学过程：准静态过程、非准静态过程热力学过程：准静态过程、非准静态过程 3 3 平衡态：平衡态：P、V、T 不随时间变化的状态不随时间变化的状态 4 4 理想气体状态方程：理想气体状态方程：小小 结结二二 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用 1 1 准静态过程的体积功准静态过程的体积功2 2 热量：热量：3 3 内能内能: :决定内能的因素决定内能的因素4 4 热力学第一定律热力学第一定律 内容：内容： 表达式表达式: : 符号法则：符号法则： 实质：是能的转化和守恒定律的具体表达形式实质：是能的转化和守恒定律的具体表达形式5 5 热力学第一定
43、律在四个特殊过程的应用热力学第一定律在四个特殊过程的应用 (1)(1)等容过程等容过程 定体摩尔热容定体摩尔热容(2)(2)等压过程等压过程 定压摩尔热容定压摩尔热容W、Q、E 计算计算W、Q、E 计算计算(4)(4)绝热过程绝热过程 摩尔比热容：摩尔比热容：绝热过程方程绝热过程方程(3)(3)等温过程等温过程W、Q、E 计算计算W、Q、E 计算计算三三 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 1 1 正循环正循环 逆循环逆循环 卡诺循环卡诺循环 2 2 热机效率热机效率3 3 致冷系数致冷系数四四 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理 1 1 可逆过程可逆过程 不可逆过程不可逆过程 2
44、 2 热力学第二定律热力学第二定律 两种表述：两种表述： 宏观实质：宏观实质：是反映过程进行条件和方向的定律。是反映过程进行条件和方向的定律。 3 3 卡诺定理卡诺定理 内容：内容：1 1 在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工 a a 作物质的可逆机，都具有相同的效率。作物质的可逆机，都具有相同的效率。 2 2 工作在相同的高温热源和低温热源之间工作的一工作在相同的高温热源和低温热源之间工作的一a a 切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率。四四 熵熵 熵增加原理熵增加原理 1 1 熵熵 意义：是系统状态的单值函数。意义：是系统状态的单值函数。 熵变的计算：可逆过程熵变的计算：可逆过程 4 4 生物系统的熵变化生物系统的熵变化2 2 熵增加原理熵增加原理 内容：内容： 绝热或孤立系统的熵永不减少。绝热或孤立系统的熵永不减少。 3 3 热力学第二定律的表达式热力学第二定律的表达式
