大学物理 热力学基础 课件.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,P,V,图,“点”,平衡态,“曲线”,准静态过程,1,2,1,.,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.,P,V,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,C,m,与,T,关系不大,注,a.,过程量,b.,吸放热与,T,无必然关系,等体,C,m,=,C,V,m,等压,C,m,=,C,P,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,),T,1,高温热源,T,2,低温热源,25.,W,A,B,C,D,2.,卡诺致冷机,(,逆循环,),T,1,高温热源,T,2,低温热源,例,2,一电冰箱放在室温为,20,C,的房间里,冰箱储藏柜中的温度 维持在,5,C,.,现每天有,2.010,7,J,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,5,C,至,20,C,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？,注,指导意义,T,1,T,2,现代热机方向,27.,13,6,热力学第二定律 卡诺定理,问题,a.,提高,有无限制？,如,Q,2,=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,(,Q,2,=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,.,1,2,W,W,低温热源,高温热源,卡诺热机,W,A,B,C,D,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,W,A,B,C,D,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.,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,1,2,正,V,P,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.,(,可逆卡诺,),=,可逆机,E,P,水低,由卡诺定理,、,对可逆卡诺循环,即,(,Q,2,要取负值,),得,(,热温比之和为零,),推广,任意可逆循环,33,.,A,B,C,D,E,F,G,H,P,V,O,推广,任意可逆循环,A,B,C,1,C,2,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,:,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,Cp,4.18x103J/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,T,A,和,T,B,且,T,A,T,B,.,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,1,2,39,.,一,.,玻尔兹曼关系式,熵与热力学概率,13,8,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,),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,V,1,(,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,V,2,(,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,.,宏观状态,(,分配种类,),A,B,A,B,A,B,A,B,A,B,4,0,3,1,2,2,1,3,0,4,微观状态,(,粒子分布,),ab,cd,abc,bcd,cda,dab,d,a,b,c,ab,ac,ad,bc,bd,cd,cd,bd,bc,ad,ac,ab,a,b,c,d,bcd,cda,dab,abc,ab,cd,一个宏观状态对应的微观状态数,1,4,6,4,1,讨论,4,个全同粒子,(a,、,b,、,c,、,d),占据两个子空间,b,d,a,c,A,B,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,.,