熱力學(xué)基本定律

第六章熱力學(xué)根本定律1．熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用2．卡諾循環(huán)熱機(jī)效率3．熱力學(xué)第二定律本章要點(diǎn)物理教研室陳亮6.1熱力學(xué)第一定律幾個(gè)根本概念〔熱力學(xué)〕系統(tǒng)：熱力學(xué)研究對(duì)象環(huán)境〔外界〕：系統(tǒng)以外的局部狀態(tài)：系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)的集合狀態(tài)參量：描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量平衡態(tài)〔熱平衡〕：系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化〔熱力學(xué)〕過程：系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一狀態(tài)的經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)〔平衡〕過程：過程中的每一狀態(tài)都無限接近平衡態(tài)〔例：觀察太陽運(yùn)動(dòng)〕物理教研室陳亮PdlS功、熱量和內(nèi)能的計(jì)算系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做負(fù)功或環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功P1V1P2V2P0VA過程量!物理教研室陳亮C:摩爾熱容(與過程有關(guān)〕系統(tǒng)從環(huán)境吸熱系統(tǒng)向環(huán)境放熱系統(tǒng)從環(huán)境吸熱內(nèi)能的增量對(duì)理想氣體過程量!狀態(tài)量!物理教研室陳亮熱力學(xué)第一定律微分形式第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)!物理教研室陳亮6.2熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用等容過程特征：定容摩爾熱容對(duì)任意一個(gè)過程，物理教研室陳亮12等壓過程特征：定壓摩爾熱容物理教研室陳亮12等溫過程特征：物理教研室陳亮12絕熱過程特征：兩邊微分得：

兩式聯(lián)立，消去得：物理教研室陳亮氣體摩爾熱容比〔比熱比〕絕熱過程方程物理教研室陳亮理想氣體各等值過程的重要公式過程特征過程方程吸收熱量對(duì)外做功內(nèi)能增量等體V=C0等壓P=C等溫T=C0絕熱Q=00物理教研室陳亮例1：一壓強(qiáng)為1.0×105Pa，體積為1.0×10-3m3的氧氣自0℃加熱到100℃。問：〔1〕當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，需要多少熱量？當(dāng)體積不變時(shí)，需要多少熱量？〔2〕在等壓或等容過程中各作了多少功？解：根據(jù)題目所給條件得物理教研室陳亮

體積不變時(shí)(2)壓強(qiáng)不變時(shí)體積不變時(shí)(1)壓強(qiáng)不變時(shí)物理教研室陳亮6.3卡諾循環(huán)熱機(jī)效率

熱力學(xué)循環(huán)

循環(huán)過程：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到初始狀態(tài)的整個(gè)過程?？赡嫜h(huán)：經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)過程VP正循環(huán)逆循環(huán)A熱機(jī)：順時(shí)針、正循環(huán)、系統(tǒng)吸熱對(duì)外做正功。制冷機(jī)：逆時(shí)針、逆循環(huán)、外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)降溫。物理教研室陳亮

卡諾循環(huán)AABCDQ1Q2A高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2工質(zhì)由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成。物理教研室陳亮AB：等溫膨脹、吸熱BC：絕熱膨脹CD：

等溫壓縮、放熱DA：絕熱壓縮熱機(jī)效率物理教研室陳亮對(duì)卡諾熱機(jī)致冷系數(shù)熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為功！實(shí)物理教研室陳亮等溫吸熱例2：習(xí)題6-13解：設(shè)對(duì)等壓過程bc，有：等壓放熱等容吸熱物理教研室陳亮整個(gè)循環(huán)過程總吸熱量和總放熱量為：物理教研室陳亮例3：一卡諾熱機(jī)當(dāng)熱源溫度為100℃，冷卻器溫度為0℃時(shí)，所作凈功為800J?，F(xiàn)要維持冷卻器的溫度不變，并提高熱源的溫度使凈功增為1.60×103J，求：〔1〕熱源的溫度提高到多少？〔2〕效率增大到多少？〔假定系統(tǒng)放出熱量不變〕解：由熱機(jī)效率定義和卡諾熱機(jī)效率及解出、、物理教研室陳亮由公式解得：物理教研室陳亮6.4熱力學(xué)第二定律并非所有能量守恒的過程都能實(shí)現(xiàn)！開爾文表述：不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，只從單一熱源吸取熱量，使之全部變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響。克勞修斯表述：熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體而不產(chǎn)生其它影響。第二類永動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸熱并對(duì)外做功而不產(chǎn)生其它變化。熱傳導(dǎo)的不可逆性功熱轉(zhuǎn)換的不可逆性不可能實(shí)現(xiàn)！物理教研室陳亮可逆過程

:如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài),回到原來的狀態(tài)而不引起任何其它變化。不可逆過程：如果逆過程不能重復(fù)正過程的每一狀態(tài)回到原來的狀態(tài)，或者雖能重復(fù)但必然會(huì)引起其它變化。物理教研室陳亮自然界一切自發(fā)的過程都是不可逆的！熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義:理想氣體絕熱自由膨脹4個(gè)分子全部退回左邊的概率是N個(gè)分子全部退回左邊的概率是熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì):在一個(gè)不受外界影響的孤立系統(tǒng)中發(fā)生的一切實(shí)際過程，都是從概率小〔微觀態(tài)數(shù)少〕的宏觀狀態(tài)向概率大〔微觀態(tài)數(shù)多〕的宏觀狀態(tài)進(jìn)行。物理教研室陳亮6.5熵任意一個(gè)可逆循環(huán)可視為由無窮多個(gè)卡諾循環(huán)所組成。對(duì)任一微小卡諾循環(huán)：∴對(duì)任一可逆循環(huán)過程：物理教研室陳亮**ABCDE對(duì)可逆過程可見，積分與過程無關(guān)，只與始末狀態(tài)有關(guān)，說明系統(tǒng)確實(shí)存在一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，定義該狀態(tài)函數(shù)S為：“熵〞物理教研室陳亮熱力學(xué)第二定律亦可表述為：自然界中一切自發(fā)過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行。

孤立系統(tǒng)不可逆過程孤立系統(tǒng)可逆過程熵增加原理：

孤立系統(tǒng)的熵永不會(huì)減少:△S≥0

。熵變的計(jì)算當(dāng)始末兩平衡態(tài)確定后，系統(tǒng)的熵變也是確定的,與過程無關(guān)。因此,可在兩平衡態(tài)之間假設(shè)任一可逆過程計(jì)算熵變。物理教研室陳亮

熱力學(xué)第一定律吸熱、做功、內(nèi)能增量的計(jì)算在各等值過程中的應(yīng)用

卡諾循環(huán)熱機(jī)效率

熱機(jī)效率的計(jì)算

熱力學(xué)第二定律

表述、實(shí)質(zhì)及統(tǒng)計(jì)意義

熵熵的計(jì)算、熵增加原理本章小結(jié)

物理教研室陳亮6-11、6-12

作業(yè)物理教研室陳亮在歐洲，早期最著名的一個(gè)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案是十三世紀(jì)時(shí)一個(gè)叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如下圖：輪子中央有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，輪子邊緣安裝著12個(gè)可活動(dòng)的短桿，每個(gè)短桿的一端裝有一個(gè)鐵球。方案的設(shè)計(jì)者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大。這樣輪子就會(huì)永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動(dòng)下去，并且?guī)?dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實(shí)現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動(dòng)。仔細(xì)分析一下就會(huì)發(fā)生，雖然右邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個(gè)數(shù)少，左邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個(gè)數(shù)多。