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1、8B.5 8B.5 热力学第二定律热力学第二定律问题的提出？问题的提出？热机效率的研究热机效率的研究一、热机效率一、热机效率违背热力学第一定律违背热力学第一定律 第二类永动机第二类永动机二、自然过程的方向二、自然过程的方向1. 功热转换功热转换2. 热传导热传导3. 气体绝热自由膨胀气体绝热自由膨胀结论结论: 自然界中与热现象相关的一切自然过程都是沿一定方向自然界中与热现象相关的一切自然过程都是沿一定方向 进行的。进行的。三、热力学第二定律三、热力学第二定律1. 热力学第二定律的热力学第二定律的开尔文开尔文表述表述不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引不可能只从单一热源吸收热量，使
2、之完全转化为功而不引起其它变化起其它变化。 (1) “不引起其它变化不引起其它变化”指系统和指系统和外界都无其它变化外界都无其它变化. .说明说明(2) 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 实际上表明了实际上表明了而实质上而实质上说明了自发过程中说明了自发过程中功热转换过程具有一定的方向性功热转换过程具有一定的方向性 第二类永动机不可能制成第二类永动机不可能制成2. 热力学第二定律的热力学第二定律的克劳修斯克劳修斯表述表述热量不能自动地从低温物体传向高温物体而不引起其它热量不能自动地从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。变化。实质上实质上说明了说明了自发过程中自发过程中热传
3、导过程具有方向性热传导过程具有方向性 (1)热力学第二定律克劳修斯表述的热力学第二定律克劳修斯表述的另一另一 叙述形式叙述形式: :理想制冷机不可能制成理想制冷机不可能制成说明说明(2)热力学第二定律的克劳热力学第二定律的克劳 修斯表述修斯表述 实际上表明了实际上表明了3. 热机、制冷机的能流图示方法热机、制冷机的能流图示方法热热机机的的能能流流图图致致冷冷机机的的能能流流图图高温热源高温热源低温热源低温热源低温热源低温热源高温热源高温热源4. 热力学第二定律的两种表述等价热力学第二定律的两种表述等价 (1) 假设开尔文假设开尔文 表述不成立表述不成立 克劳修斯表克劳修斯表述不成立述不成立高温
4、热源高温热源低温热源低温热源(2) 假设克劳修斯假设克劳修斯 表述不成立表述不成立 开尔文表开尔文表述不成立述不成立低温热源低温热源高温热源高温热源用热力学第二定律证明：在用热力学第二定律证明：在p V 图上任意两条绝热线不图上任意两条绝热线不可能相交可能相交反证法反证法例例证证abc绝热线绝热线等温线等温线设两设两绝热线绝热线相交于相交于c 点，点，在在两绝热线上寻找温度相同两绝热线上寻找温度相同的两点的两点a、b。在在ab间作一条间作一条等温线，等温线， abca构成一循环过构成一循环过程。程。在此在此循环过程循环过程该中该中VpO这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背这就构成了从单
5、一热源吸收热量的热机。这是违背热力热力学第二定律的开尔文表述的学第二定律的开尔文表述的。因此任意两条绝热线不可。因此任意两条绝热线不可能相交。能相交。5.5.2 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程若系统经历了一个过程，而过程的若系统经历了一个过程，而过程的每一步每一步都都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个过程就称为何变化，那么这个过程就称为可逆过程可逆过程。一一. 概念概念如对于某一过程，用任何方法都不能使如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和系统和外界外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程 可逆过
6、程可逆过程不可逆过程不可逆过程自发过程自发过程自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。1 1. 不可逆过程的实例不可逆过程的实例力学（无摩擦时）力学（无摩擦时）xm过程可逆过程可逆（有摩擦时）（有摩擦时） 不可逆不可逆二二. .不可逆过程不可逆过程（真空真空） 可逆可逆（有气体）（有气体）不可逆不可逆功向热转化的过功向热转化的过程是不可逆的程是不可逆的。墨水在水中的扩散墨水在水中的扩散一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。热量从高温自动热量从高温自动传向低温物体的传向低温物体的过程是不可逆的过程是不可逆的自由
7、膨胀的过程是自由膨胀的过程是不可逆的不可逆的。一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际过程一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际过程都是不可逆过程。都是不可逆过程。不平衡和耗散等不平衡和耗散等因素的存在，是因素的存在，是导致致过程不可逆的原因。程不可逆的原因。2. 过程不可逆的因素过程不可逆的因素无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）三三. 热力学第二定律的力学第二定律的实质，就是揭示了自然界的一切自，就是揭示了自然界的一切自发 过程都是程都是单方向方向进行的不可逆行的不可逆过程。程。6.4 卡诺循环卡诺循环 卡诺定理卡诺定理一一.
8、卡诺循环卡诺循环卡诺循环卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成是由两个等温过程和两个绝热过程组成1. 卡诺热机的效率卡诺热机的效率 abcdQ1Q2pVOV1p1V2p2V3p3V4p4气体从高温热源吸收气体从高温热源吸收的热量为的热量为气体向低温热源放出气体向低温热源放出的热量为的热量为对对bc da应用绝热过程方程，则有应用绝热过程方程，则有 理想气体可逆卡诺循环理想气体可逆卡诺循环热机效率只与热机效率只与 T1，T2 有关有关, ,温差温差 越大，效率越高。提高热机高温热源的温度越大，效率越高。提高热机高温热源的温度T1 ，降低低，降低低 温热源的温度温热源的温度T2 都可都可以提高
9、热机的效率。以提高热机的效率。 讨论讨论卡诺循环热机的效率为卡诺循环热机的效率为2. 卡诺致冷机的致冷系数卡诺致冷机的致冷系数abcd卡诺致冷循环的致冷系数为卡诺致冷循环的致冷系数为当高温热源的温度当高温热源的温度T1一定时，理想气体卡诺循环的一定时，理想气体卡诺循环的致冷系致冷系数数只取决于只取决于T2 。 T2 越低，则致冷系数越小。越低，则致冷系数越小。说明说明pVOV1p1V4p4V3p3V2p2Q2Q1由由bc da绝热过程方程绝热过程方程，有，有1. 在温度分别为在温度分别为T1 与与T2 的两个给定热源之间工作的一切可的两个给定热源之间工作的一切可 逆热机，其效率逆热机，其效率
10、相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的 效率，即效率，即二二. 卡卡诺定理诺定理 2. 在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其 效率都效率都不可能大于不可能大于可逆热机的效率可逆热机的效率。 说明说明(1) 卡诺定理给出了热机效率的卡诺定理给出了热机效率的极限。极限。 (2)卡卡诺定理指出了提高热机效率的方向诺定理指出了提高热机效率的方向增大高低温热源的温度差增大高低温热源的温度差减小热机循环的不可逆性减小热机循环的不可逆性(3 3)建立了热力学温标建立了热力学温标 可逆卡诺循环热机的效率与工作物质无关可逆
11、卡诺循环热机的效率与工作物质无关热力学习题课热力学习题课1. 准静态过程的功、内能、热量准静态过程的功、内能、热量 2. 摩尔热容摩尔热容3. 热力学第一定律热力学第一定律4. 几个典型过程几个典型过程等体等体等压等压等温等温绝热绝热多方多方5. 循环过程循环过程热机效率热机效率致冷机效率致冷机效率卡诺循环效率卡诺循环效率6. 热力学第二定律热力学第二定律两种表述及其关系两种表述及其关系可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程例例有人说：有人说：“温度升高的过程一定吸热，对吗？温度升高的过程一定吸热，对吗？” 分析图分析图中过程的吸放热。中过程的吸放热。解解pT123p1T1T2p2吸热吸热放热放热放
12、热放热例例解解如图，如图，abcd为为1mol单原子理想气体的循环过程单原子理想气体的循环过程求求 （1）气体循环一次从外界吸收的热量）气体循环一次从外界吸收的热量（2）系统对外作的功）系统对外作的功（3）循环效率）循环效率（4）证明）证明(1)pV1d322cab吸热吸热吸热吸热放热放热(2)(3)pV1d322cab(4)例例解解一容器装有一容器装有 1mol 单原子理想气体单原子理想气体, 温度为温度为 T1=546K , 一循一循环热机从容器内的气体中吸热作功环热机从容器内的气体中吸热作功, 并向温度为并向温度为 T2=273K 的低温热源放热的低温热源放热(低温热源温度可近似看作不变低温热源温度可近似看作不变), 求该热求该热机最多能作多少功机最多能作多少功?设某一循环中高温热源温度为设某一循环中高温热源温度为T, 则则
