1、 第二部分第二部分 热热 学学第第6章章 热力学基础知识热力学基础知识第第7章章 气体动理论气体动理论(气体分子运动论气体分子运动论)第第6章章 热力学基础知识热力学基础知识6.1 热学基础知识概述热学基础知识概述6.3 热力学第一定律热力学第一定律6.4 理想气体的内能理想气体的内能 摩尔定容热容和摩尔定压热容摩尔定容热容和摩尔定压热容6.5 理想气体典型准静态过程中功、热及内能之间的关系理想气体典型准静态过程中功、热及内能之间的关系 （即热力学第一定律的具体应用）（即热力学第一定律的具体应用）6.6 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环6.7 热力学第二定律（自学，不考）热力学第二定律（自学
2、，不考）6.2 理想气体的状态方程理想气体的状态方程6.1 热学基础知识概述热学基础知识概述热学：包括热力学（宏观）和统计物理（微观）热学：包括热力学（宏观）和统计物理（微观）一一.热现象热现象二二.热学的研究对象：热力学系统（简称系统）热学的研究对象：热力学系统（简称系统）开放系统（开系）：和外界既可交换物质又可交换能量；开放系统（开系）：和外界既可交换物质又可交换能量；封闭系统（闭系）封闭系统（闭系）：和外界只可交换能量，不可交换物质；：和外界只可交换能量，不可交换物质；孤立系统（孤立系）：和外界既无物质交换又无能量交换。孤立系统（孤立系）：和外界既无物质交换又无能量交换。三三.宏观量与微
3、观量宏观量与微观量四四.气体的状态参量气体的状态参量宏观量：压强、温度、体积、内能等；宏观量：压强、温度、体积、内能等；微观量：单个分子的质量、速度、能量等。微观量：单个分子的质量、速度、能量等。P、V、T等等五五.平衡态平衡态热动平衡热动平衡热的本质是热运动热的本质是热运动连接两个平衡态之间的过程称为弛豫过程连接两个平衡态之间的过程称为弛豫过程理想气体状态方程理想气体状态方程RTMmpV 理想气体的微观模型理想气体的微观模型分子本身的线度，比起分子之间的距离来说分子本身的线度，比起分子之间的距离来说可以忽略不计。可看作无体积大小的质点。可以忽略不计。可看作无体积大小的质点。除碰撞外，分子之间
4、以及分子与器壁之间除碰撞外，分子之间以及分子与器壁之间无相互作用。无相互作用。（忽略重力）（忽略重力）分子之间以及分子与器壁之间的碰撞是完全分子之间以及分子与器壁之间的碰撞是完全弹性的，即碰撞前后气体分子动能守恒。弹性的，即碰撞前后气体分子动能守恒。用来描述气体状态的参量：温度、体积、压强用来描述气体状态的参量：温度、体积、压强6.2 理想气体的状态方程理想气体的状态方程M是气体的摩尔质量，是气体的摩尔质量，m是气体的质量，是气体的质量，R为为普适气体常数普适气体常数molNKJNRkKmolJTVpRAAm/10023.6/1038.1/31.815.273104.2210013.12323
5、3500,0玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量阿伏伽德罗常量阿伏伽德罗常量nkTp n为单位体积内分子数目为单位体积内分子数目混合理想气体的状态方程混合理想气体的状态方程若体积若体积V内有内有n种理想气体，则其中第种理想气体，则其中第i 种气体单独存在种气体单独存在时的状态方程为：时的状态方程为：RTvRTMmVpiii其中，其中，为为n种理想气体的总质量种理想气体的总质量nimM1),2,1(niip为第为第i种理想气体单独存在时的压强种理想气体单独存在时的压强nipp1nivv1RTvvvVpppnn)()(2121vRTpV n个方程相加得：个方程相加得：令令道尔顿分压定理道尔顿分压定理形式不变形
6、式不变当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称个热力学过程，简称过程过程。u例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积、密度、温度、压强都气体的体积、密度、温度、压强都将变化，在过程中的将变化，在过程中的任意时刻任意时刻，气，气体体各部分各部分的密度、压强、温度都不的密度、压强、温度都不完全相同。因而，原则上讲，任意时刻，系统作为一个整体，完全相同。因而，原则上讲，任意时刻，系统作为一个整体，无法用统一的无法用统一的状态参量状态参量来描述其状态来描述其状态.一个过程，如果任意时刻的中间态都无限
7、接近于一个一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平衡态，则此过程为平衡态，则此过程为准静态过程准静态过程。显然，这种过程只。显然，这种过程只有在进行的有在进行的“无限缓慢无限缓慢”的条件下才可能实现的条件下才可能实现。一一.准静态过程准静态过程6.3 热力学第一定律热力学第一定律一个热力学系统处于一个热力学系统处于平衡态平衡态(即即静态静态)，可用状态参，可用状态参量量P、T、V来定量地加以描述。来定量地加以描述。对于实际过程则要求系统状态发生变化的时间对于实际过程则要求系统状态发生变化的时间t t 远远大于弛豫时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程才可近似看作准静态过程。举例举例
8、1：外界对系统做功：外界对系统做功u非平衡态到平衡态的过渡时间，非平衡态到平衡态的过渡时间，即即弛豫时间弛豫时间，约，约 10-3 秒秒，如，如果实际压缩一次所用时间为果实际压缩一次所用时间为 1 秒，就可以说秒，就可以说 是准静态过程。是准静态过程。外界压强总比系统压强大一小量外界压强总比系统压强大一小量 P，就可以就可以 缓慢压缩。缓慢压缩。因为状态图中任何一点都表示因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如过程可以用系统的状态图，如P-V图（或图（或P-T图，图，V-T图）中的图）中的一条曲线表示，反之亦如此。一条曲线表示，反
9、之亦如此。VPo等温过程等温过程等容过程等容过程等压过程等压过程循环过程循环过程准静态过程中的任意一个中间状态都可视为一个平衡态，准静态过程中的任意一个中间状态都可视为一个平衡态，故，每一个平衡态都可用状态参量故，每一个平衡态都可用状态参量P、T、V来定量地加来定量地加以描述。以描述。理想气体的准静态过程理想气体的准静态过程注注：能用：能用状态图状态图或或P、T、V的方程的方程 描述的过程肯定是准静态过程。描述的过程肯定是准静态过程。系统系统的内能是的内能是状态量状态量，可用状态可用状态参量参量P、V、T等等表示表示 例如例如理想气体的内能理想气体的内能：RTiE 2 12)2()1(12EE
10、dEE只与初、末态有关，与过程无关。只与初、末态有关，与过程无关。二二.内能内能物质的分子的热运动能量及原子核内部能量的总和在宏观上物质的分子的热运动能量及原子核内部能量的总和在宏观上即是物体的即是物体的内能内能。一个热力学系统的一个热力学系统的内能内能 等于其所有分子的热运动动能等于其所有分子的热运动动能 分分子间的相互作用势能子间的相互作用势能因为因为内能的增量内能的增量注意这种写法，并不注意这种写法，并不是说内能为一过程量是说内能为一过程量摩擦功：摩擦功：dlfdAr 电功：电功：UdqIUdtdA 无摩擦准静态过程无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过
11、程外界在准静态过程中对系统做的功中对系统做的功，可以用系统本身的状态参量来表示。，可以用系统本身的状态参量来表示。三三.(无摩擦无摩擦)准静态过程的功准静态过程的功做功可以改变一个热力学系统的状态做功可以改变一个热力学系统的状态摩擦升温（机械功）、电加热（电功）摩擦升温（机械功）、电加热（电功）外界在准静态过程中对系统做的功等于系统对外界做的功的负值外界在准静态过程中对系统做的功等于系统对外界做的功的负值V V是系统体积是系统体积系统体积由系统体积由V1变为变为V2，系统对外界作总功系统对外界作总功为：为：设气缸内的气体进行膨胀过程，当活塞移动微小位移设气缸内的气体进行膨胀过程，当活塞移动微小
12、位移dl 时，气时，气体对外界所作的元功为体对外界所作的元功为（系统对外作功为正系统对外作功为正）21VVpdVAb功的数值不仅与初态和末态有关，而且还功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。径有关。功是过程量功是过程量peppdVl dSpdA 形状不规则的容器（例如充气袋）中的气体作功呢？形状不规则的容器（例如充气袋）中的气体作功呢？体积功体积功pV0a12面积面积求准静态过程的功，即求准静态过程的功，即为求虚线部分的面积为求虚线部分的面积V1V2 21VVpdVAA等压等压 =p(V=p(V2 2-V-V1 1)
13、A等容等容 =0=0等容过程：等容过程：等压过程：等压过程：Vp2310理想气体等温过程：理想气体等温过程：31VVpdVA等温举例：几种特殊热力学过程的功的计算举例：几种特殊热力学过程的功的计算13lnVVRT31VVdVVRTRTpV 系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交换，系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交换，热量传递热量传递也可以改变系统的状态。也可以改变系统的状态。微小热量微小热量：0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热；0;系统从外界吸热则系统从外界吸热则 Q 0说明：说明：2.dE为全微分（为全微分（E为内能为内能,状态量状态量）;dQ与与dA仅表示元过程中的无限小
14、改变量仅表示元过程中的无限小改变量,不是全微分不是全微分（功，热均为在过程中传递的能量，即（功，热均为在过程中传递的能量，即过程量过程量）3.适用范围：与过程是否准静态无关。即准静态过程和非静态适用范围：与过程是否准静态无关。即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、终态为平衡态。过程均适用。但为便于实际计算，要求初、终态为平衡态。关于关于热功当量热功当量焦耳时代，热功当量现象对发现能量守恒与转换定律具有焦耳时代，热功当量现象对发现能量守恒与转换定律具有重要意义。而随着人类对能量守恒与转换定律的确认以及重要意义。而随着人类对能量守恒与转换定律的确认以及能量单位制的统一，热功当量
15、则仅仅具有不同单位制之间能量单位制的统一，热功当量则仅仅具有不同单位制之间换算的意义。换算的意义。4.18卡的热量相当于一焦耳的功卡的热量相当于一焦耳的功例例理想气体做准静态的等温变化，体积理想气体做准静态的等温变化，体积由由V1变到变到V2时，它吸收的热量是多少？时，它吸收的热量是多少？AEEQ1212lnVVRTAQ等温例例一系统如图所示，由一系统如图所示，由a状态沿状态沿acb到达到达b状态，有状态，有335 焦耳热量传焦耳热量传入系统而系统作功入系统而系统作功126焦耳。焦耳。（1）若沿若沿adb时，系统作功时，系统作功42焦耳，问有多少热量传入系统？焦耳，问有多少热量传入系统？（2）
16、当系统由当系统由b状态沿线状态沿线ba返回返回a状态时，外界对系统作功状态时，外界对系统作功84焦焦耳，试问系统是吸热还是放热？热量传递多少？耳，试问系统是吸热还是放热？热量传递多少？（3）若若Ed-Ea=40焦耳，试求沿焦耳，试求沿ad和和db各吸收热量多少？各吸收热量多少？PabcdO)(209126335JAQEacbacbab解：解：)(2514220942JAEQAadbabadbadb（1）V)(2938420984JJAEQAbabababa（2）)(16940209)(82424040JJJEEAEQAEQEadabdbdbdbadbadadad（3）PabcdO可设状态可设状
17、态a的内能为零（的内能为零（Why?）则则b状态的内能状态的内能 209J则则补充一个简单而不易出错的方法：补充一个简单而不易出错的方法：气体气体真空真空18451845年焦耳的气体绝热自由膨胀实验年焦耳的气体绝热自由膨胀实验：实验结果表明：实验结果表明：水温不变水温不变!气体的自由膨胀是绝热过程，即气体的自由膨胀是绝热过程，即Q=0。气体不对外界作功，即气体不对外界作功，即A=0。对于该过程，由热力学第一定律对于该过程，由热力学第一定律可知可知0AQE即即 气体绝热自由膨胀过程是一个等内能过程。气体绝热自由膨胀过程是一个等内能过程。体积改变，体积改变，内能不变内能不变体积改变，体积改变，温度
18、不变温度不变焦耳实焦耳实验结果验结果气体的内能只气体的内能只与温度有关，与温度有关，与体积无关。与体积无关。一一.理想气体内能理想气体内能 热力学第一定律在气体绝热自由膨胀过程中的应用热力学第一定律在气体绝热自由膨胀过程中的应用6.4 理想气体的内能理想气体的内能 摩尔定容热容和摩尔定压热容摩尔定容热容和摩尔定压热容气体气体真空真空Q=0，A=0，E=0气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程。气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程。说明：说明：焦耳的结果只适用于理想气体。只有在实际气体密度焦耳的结果只适用于理想气体。只有在实际气体密度趋于零的极限情形下，气体的内能才只是温度的函数而与体趋于零的极限情形
19、下，气体的内能才只是温度的函数而与体积无关。一般气体的内能与温度和体积都有关系。积无关。一般气体的内能与温度和体积都有关系。严格遵从气体状态方程严格遵从气体状态方程 pV=RT 和和 内能内能E=E(T)只是温度的只是温度的单值函数的气体，称为理想气体。单值函数的气体，称为理想气体。关于理想气体的再次说明关于理想气体的再次说明RTiE 2 注意注意：因热量是过程量，故同一系统，在不同过程中的热容有不：因热量是过程量，故同一系统，在不同过程中的热容有不同的值。同的值。二二.热容热容摩尔热容摩尔热容：一摩尔物质升高单位温度所需吸收的热量。一摩尔物质升高单位温度所需吸收的热量。定容摩尔热容定容摩尔热
20、容定压摩尔热容定压摩尔热容VmVdTdQC 1,pmpdTdQC 1,dTdQC CdTdQCm单位：单位：J/(mol K)单位：单位：J/K系统升高单位温度所需吸收的热量称为该系统的系统升高单位温度所需吸收的热量称为该系统的热容量热容量，简称为简称为热容热容因为是定容过程，因为是定容过程，故故dv=0RTiE 2 RidTdEdTdQCVmV211,pdTdVpdTdE1RRiCmp 2,RCCmVmp ,迈耶公式迈耶公式pdVdEdQ理想气体摩尔热容的推导理想气体摩尔热容的推导又又1.定容摩尔热容定容摩尔热容2.定压摩尔热容定压摩尔热容pmpdTdQC 1,dE pRTV 又又3.二种摩
21、尔热容的关系二种摩尔热容的关系定义定义热容比热容比：mVmpCC,多原子分子双原子分子单原子分子RCmV23,RCmV25,RCmV3,3/5 5/7 3/4 理想气体的热容理想气体的热容注：实际气体的热容以及热容比都是温度的函数。注：实际气体的热容以及热容比都是温度的函数。也称也称绝热指数绝热指数iiiRRiR22)2(dTdECmV1,4.用用 表示理想气体的内能的增量表示理想气体的内能的增量对理想气体，对理想气体，mVC,dTCdEmV,TCEmV,无限小过程无限小过程有限过程有限过程取密闭于汽缸中具有一定质量取密闭于汽缸中具有一定质量m的理想的理想气体作为热力学系统来进行研究。气体作为
22、热力学系统来进行研究。一一.等容等容(等体等体)过程过程气体的体积不变，所以系统对外做功气体的体积不变，所以系统对外做功A=0，由第一定律得，由第一定律得12EEQ气体吸收的热量全部用来增加气体的内能；反之，气体放出气体吸收的热量全部用来增加气体的内能；反之，气体放出热量必等于气体内能的减少。热量必等于气体内能的减少。由定容摩尔热容知由定容摩尔热容知)(12,12TTCEEQmV 6.5 理想气体典型准静态过程中功、热及内能之间的关系理想气体典型准静态过程中功、热及内能之间的关系 热力学第一定律在几种典型准静态过程中的具体应用热力学第一定律在几种典型准静态过程中的具体应用AEEQ122112V
23、VpdVEEdAdEdQ或或RTpV始终用到始终用到的关系式的关系式P1P2PV(P1,V1,T1)(P2,V2,T2)2211TpTp有有21VV RTpV二二.等压过程等压过程当缸内气体吸热温度逐渐升高当缸内气体吸热温度逐渐升高时，要保持压强不变，气体必时，要保持压强不变，气体必膨胀做功，其功为膨胀做功，其功为)(1221VVppdVAVV 由定压摩尔热容知，系统吸热为由定压摩尔热容知，系统吸热为)(12,TTCQmp 由热力学第一定律由热力学第一定律)()(1212,VVpTTCAQEmp )()(1212,TTRTTCmp)(12,TTCmV PVV1V2(P1,V1,T1)(P2,V
24、2,T2)2211TVTV21pp RTpV有有这二表达式与具体过程（如等温、等容、绝热等）无关，这二表达式与具体过程（如等温、等容、绝热等）无关，即对任何过程上述二式均成立即对任何过程上述二式均成立.dTCdEmV,TCEmV,无限小过程无限小过程有限过程有限过程对理想气体对理想气体注意：注意：三三.等温过程等温过程温度始终保持不变，所以内能温度始终保持不变，所以内能不变，不变，E2=E1由热力学第一定律知由热力学第一定律知AQ 气体做功为气体做功为12ln12121VVRTdVVRTpdVAVVVV21lnppRTPV(P1,V1,T1)(P2,V2,T2)2211VpVp21TT RTp
25、V有有RTpVRdTVdppdV0VdVPdP常数PV四四.绝热过程绝热过程在不与外界作热量交换的条件下，系统在不与外界作热量交换的条件下，系统的状态变化过程叫做绝热过程。特征：的状态变化过程叫做绝热过程。特征：02pdVRdTidAdEdQ有有0dQipViVdppdVi两边同除以0)2(ii/)2(常数常数TPTV11CVplnln:作不定积分得泊松公式泊松公式微分微分或或常数PV用用P-V图表示图表示绝热过程绝热过程求绝热过程的功，即为求虚线部分的面积求绝热过程的功，即为求虚线部分的面积PV(P1,V1,T1)(P2,V2,T2)例：一定质量的理想气体，从初态例：一定质量的理想气体，从初
26、态 开始，经过准静态绝开始，经过准静态绝热过程，体积膨胀到热过程，体积膨胀到 ，求在这一过程中气体对外做的功。，求在这一过程中气体对外做的功。设该气体的热容比为设该气体的热容比为 。Vp11,V2 解法解法1：由泊松公式得：由泊松公式得VVppVppV/,1111VVVpVVVpVVpVVdVVVpdVA211111111111211112121求得功为求得功为利用绝热条件及热力学第一定律得利用绝热条件及热力学第一定律得21EEA所以所以VpVpTTTTCRAmV22112121,111由泊松公式由泊松公式VVpp 2112 得得 VVVpA2111111 解法解法2：Vp0ABC)(pT)(
27、pQQT绝热线与等温线的比较绝热线与等温线的比较等温线的斜率等温线的斜率VpdVdpAAATVCVCp 2)(绝热线的斜率绝热线的斜率VpdVdpAAAQVCVCp 1)(所以在交点处，绝热线的斜率的绝对值较等温线的所以在交点处，绝热线的斜率的绝对值较等温线的绝对值大。即绝热线较等温线陡些。绝对值大。即绝热线较等温线陡些。1因为因为VV)(pT)(pQ相同，相同，或：或：T1 Q1T2 Q2泵A1气缸A2如热电厂中水的循环过程（示意如热电厂中水的循环过程（示意如图）。如图）。一系统（如热机中的工质），经历一系一系统（如热机中的工质），经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫列变化后又回到初始
28、状态的整个过程叫循环过程循环过程，简称，简称循环循环。历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的。展起来的。在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫工质工质。工质往。工质往往经历一系列过程又回到初始状态。往经历一系列过程又回到初始状态。6.6 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环一一.循环过程循环过程高温热源高温热源低温热源低温热源沿顺时针方向进行的循环称为沿顺时针方向进行的循环称为正循环或热循环正循环或热循环。沿反时针方向进行的循环称为沿反时针方向进行的循环称为逆循环或致冷循环逆循环或
29、致冷循环。V例，在例，在P-V图图P正循环正循环逆循环逆循环若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用P-V图上的图上的一条闭合曲线表示。一条闭合曲线表示。箭头表示过程进行的方向。箭头表示过程进行的方向。工质在整个循环过程中对外作的工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面积净功等于曲线所包围的面积。一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热源吸热一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热源吸热Q1，对外作，对外作净功净功A，又向低温热源放出热量，又向低温热源放出热量Q2。而工质回到初态，内能不变。而工质回到初态，内能不变。由热力学第一定律：由
30、热力学第一定律：A=Q1-Q2（Q1、Q2、A均表示数值大小。）均表示数值大小。）一般从高温热库吸热一般从高温热库吸热Q1，对外做净功，对外做净功A，向低温热库放热，向低温热库放热Q2，A=Q1-Q20则为则为正循环正循环；反之为反之为逆循环逆循环。高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2Q1Q2A高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T T2 2Q1Q2A A实用上，一般用效率表示热机的效能实用上，一般用效率表示热机的效能1211QQQA2122QQQAQw热机效率：热机效率：制冷机效率制冷机效率(致冷系数致冷系数)：正循环过程对应热机，逆循环过程正循环过程对应热机，逆循环过程 对应致
31、冷机。对应致冷机。二二.热机及其效率热机及其效率正循环等效图正循环等效图逆循环等效图逆循环等效图如如内燃机内燃机如如冰箱冰箱注意注意两种循环两种循环过程中过程中Q1、Q2是怎么定义的是怎么定义的例例 空气标准奥托循环，由下列四步组成空气标准奥托循环，由下列四步组成空气标准奥托循环图示空气标准奥托循环图示pVOabcdQ1Q2V2V1Why?p3p2p1p4ba),(11Vp),(22Vp（1）绝热压缩）绝热压缩 ，气体由，气体由 状态变化到状态变化到 状态；状态；),(23Vpcb（2）等体）等体吸热吸热 ，气体由，气体由 状态变化到状态变化到 状态；状态；),(22Vpdc（3）绝热膨胀）绝
32、热膨胀 ，气体由，气体由 状态变化到状态变化到 状态；状态；),(23Vp),(14Vpad（4）等体）等体放热放热 ，气体由，气体由 状态变化到状态变化到 状态。状态。),(14Vp),(11Vp求这个求这个理想循环理想循环的效率。的效率。解：解：TTCQmV23,1 过程中，气体吸收的热量为过程中，气体吸收的热量为cb ad 过程中，气体放出的热量为过程中，气体放出的热量为 TTCQmV14,2 循环效率为循环效率为TTTTQQ23141211ba 是绝热过程，是绝热过程，VVTT21112（理想气体）（理想气体）VVTT21143 同理同理TTTTTTTT14231243 所以所以代入上
33、面的效率公式，可得代入上面的效率公式，可得12112)(1111 VVTT定义压缩比为定义压缩比为rVV21r111则则由此可见空气标准奥托循环的效率决定于压缩比。由此可见空气标准奥托循环的效率决定于压缩比。以提高热机效率为目的，以提高热机效率为目的，18241824年法国工程师卡诺（年法国工程师卡诺（1796-18321796-1832）提出了一个能实体现热机循环基本特征的理想循环。后人称之为提出了一个能实体现热机循环基本特征的理想循环。后人称之为卡诺循环。卡诺循环。理想气体的卡诺循环：两个等温过程加上两个绝热过程。理想气体的卡诺循环：两个等温过程加上两个绝热过程。1211VVRTQln 1
34、 12 23 34 4P PV V0V1V4V2V3T T1 1T T2 21 12 2（等温膨胀）：与温度为（等温膨胀）：与温度为T T1 1的高温的高温恒温热源接触，恒温热源接触，T T1 1不变，体积由不变，体积由V V1 1膨胀膨胀到到V V2 2，从热源吸收热量为，从热源吸收热量为3 34 4（等温压缩）：（等温压缩）：体积由体积由V V3 3压缩压缩到到V V4 4，向低温恒温热源放热为，向低温恒温热源放热为4322VVRTQln 2 23 3（绝热膨胀）：体积由绝热膨胀）：体积由V V2 2变变到到V V3 3，吸热为零。，吸热为零。4 41 1（绝热压缩）：体积由绝热压缩）：体
35、积由V V4 4变到变到V V1 1，吸热为零。，吸热为零。三三.卡诺循环卡诺循环1.卡诺卡诺正正循环循环高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2Q1Q2A一次循环中，气体对外作净功为一次循环中，气体对外作净功为 43212121lnlnVVTVVTRAQQ 121432121lnln11VVTVVTAQQQC 效率效率121TT 1243142111132121VVVVVTVTVTVT 对两绝热过程对两绝热过程1 12 23 34 4P PV V0V1V4V2V3T T1 1T T2 2卡诺循环的逆向循环反映了制冷机的工作原理卡诺循环的逆向循环反映了制冷机的工作原理工质把从低温热源吸收的热量
36、和外界对它工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温热源的温度更低，达到制冷结果可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，外界作功越少，表明的目的。吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。制冷机效能越好。高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T T2 2Q1Q2A A2122122TTTQQQAQwc制冷系数制冷系数1 12 23 34 4P PV V0V1V4V2V3T T1 1T T2 22.卡诺卡诺逆逆循环循环注意：注意：理想气体的正、逆卡诺循环均包括理想气体的正、逆卡诺循环均包括两个等温过程
37、加上两个绝热过程。两个等温过程加上两个绝热过程。四四.热力学第三定律（即：绝对零度不能达到原理）热力学第三定律（即：绝对零度不能达到原理）2122122TTTQQQAQw 高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T T2 2Q1Q2A A对逆卡诺循环（致冷循环）有：对逆卡诺循环（致冷循环）有：若令若令T2=0，则只要，则只要Q2为一不为零的任意为一不为零的任意小量，小量，A就必须为无穷大。（就必须为无穷大。（T1=0）也就是说让致冷对象的温度达到绝对零度也就是说让致冷对象的温度达到绝对零度实际上是不可能的。实际上是不可能的。热力学第三定律热力学第三定律有的文献也称之为能斯特定理有的文献也称
38、之为能斯特定理一一.自然过程的方向性自然过程的方向性 自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行的，自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行的，反方向的逆过程不可能反方向的逆过程不可能自动自动地进行。地进行。1.功热转变功热转变功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其他影响是功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其他影响是不可能的。不可能的。利用热机时，实际热机的循环除了热变功外，还必定有一定利用热机时，实际热机的循环除了热变功外，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。的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。说明自然界里的功热转换具有说明自然界里的功
39、热转换具有方向性方向性。通过摩擦而使功变热通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的。的过程是不可逆的。6.7 热力学第二定律热力学第二定律不可逆热力学过程举例不可逆热力学过程举例3.气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀隔板隔板膨胀前膨胀前膨胀后膨胀后在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体半部，这是一种非平衡态，此后气体将将自动自动膨胀充满整个容器。最后达到膨胀充满整个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能衡态的过程不可能自动自动发生。发生。结论：以上三个典型的实际过程都是按一定的方向进行
40、的，是结论：以上三个典型的实际过程都是按一定的方向进行的，是不可逆的。不可逆的。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观过程都是不可逆的。即即气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。2.热传导热传导热量总是热量总是自动地自动地由高温物体传向低温物体，由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未发现其反过程（发现其反过程（i.e.i.e.两物体自动出现温差两物体自动出现温差)。即即热传导过程是不可逆的。热传导过程是不可逆的。二二.热力学第二定律热力学第二定律1.1.克
41、劳修斯表述：克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传到高温物体而热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起不引起其它变化其它变化。（即：。（即：热量不可能热量不可能自动地自动地从低温物体传到高温物体）从低温物体传到高温物体）2.2.开尔文表述：开尔文表述：其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能其唯一效果是热全部转变为功的过程是不可能的。的。(即即:不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功,而不引起其它变化而不引起其它变化)。或：。或：第二类永动机是不可能制成功的。第二类永动机是不可能制成功的。（一）（一）热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述高
42、温热源高温热源T1低温热源低温热源T2Q1Q2A高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T T2 2Q1Q2A A正循环等效图正循环等效图逆循环等效图逆循环等效图注意：正循环过程中，将注意：正循环过程中，将从高温热源吸收的热全部从高温热源吸收的热全部变为有用功，以及变为有用功，以及逆循环逆循环过程中，不作功而直接把过程中，不作功而直接把低温热源的热量传到高温低温热源的热量传到高温热源，这二种情况均热源，这二种情况均不违不违反热力学第一定律。反热力学第一定律。（二）（二）热力学第二定律的两种表述的等效性热力学第二定律的两种表述的等效性T1T2Q2Q2Q1Q2A T1Q2T2Q1-Q2A1.1
43、.若克劳修斯表述若克劳修斯表述(即即:热量不可能热量不可能自动地自动地从低温物体传到高温物从低温物体传到高温物体体)不成立不成立，则开尔文表述则开尔文表述(即即:不可能从单一热源吸取热量，使之不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功完全变成有用的功,而不引起其它变化而不引起其它变化)亦不成立亦不成立。高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺热机卡诺热机T1T2Q1Q1Q1Q2A T1Q2T2Q1-Q2A高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺热机卡诺热机或或2.2.若若开尔文表述开尔文表述(即即:不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功有用的功,而不引
44、起其它变化而不引起其它变化)不成立不成立，则克劳修斯表述则克劳修斯表述(即即:热量热量不可能不可能自动地自动地从低温物体传到高温物体从低温物体传到高温物体)亦不成立亦不成立。A=Q1A高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T T2 2A+Q2=Q1+Q2Q2A AQ1 T1T2Q2热力学第零定律（或热平衡定律）热力学第零定律（或热平衡定律）:热力学第一定律热力学第一定律:热力学第二定律热力学第二定律:热力学第三定律（或能斯特热力学第三定律（或能斯特(Nernst)定理）定理）:两个物体达到热平衡时具有相同的温度两个物体达到热平衡时具有相同的温度The Laws of Thermodynamics第一类永动机不可能制成功第一类永动机不可能制成功第二类永动机不可能制成功第二类永动机不可能制成功绝对零度不能达到绝对零度不能达到第一类永动机第一类永动机第二类永动机第二类永动机人类人类T T1 1海水海水T T2 2Q2Q2A AQ1
