第3章 热二律优秀课件.ppt
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1、第3章 热二律第1页,本讲稿共101页 3-1 3-1 第二定律的表述及其实质第二定律的表述及其实质 3-2 3-2 卡诺定理卡诺定理 3-3 3-3 熵与熵增加原理熵与熵增加原理 3-4 3-4 熵增加原理从有序到无序熵增加原理从有序到无序 3-5 3-5 热力学定律热力学定律的的微观诠释微观诠释目录 热一律热一律一切热力学过程都应满足能量守恒。一切热力学过程都应满足能量守恒。但满足能量守恒的过程是否一定都能进行但满足能量守恒的过程是否一定都能进行?热二律热二律满足能量守恒的过程不一定都能进行满足能量守恒的过程不一定都能进行!过程的进行还有个方向性的问题。过程的进行还有个方向性的问题。第2页
2、,本讲稿共101页?自然过程的方向性自然过程的方向性 如:气体自动膨胀是可以进行的如:气体自动膨胀是可以进行的,但自动收缩但自动收缩 的过程是不可能的的过程是不可能的.实际上实际上,“一切与热现象有关的自然过程(不受外界一切与热现象有关的自然过程(不受外界干预的过程,例如孤立系统内部的过程)都是不可干预的过程,例如孤立系统内部的过程)都是不可逆的,都存在一定的方向性逆的,都存在一定的方向性-存在着时间箭头存在着时间箭头”.又如,生命过程是不可逆的又如,生命过程是不可逆的:出生出生童年童年少年少年青年青年中年中年 老年老年八宝山八宝山 不可逆不可逆!“今天的你我今天的你我 怎能重复怎能重复 过去
3、的故事过去的故事!”!”第3页,本讲稿共101页一、热力学第二定律的两种表述一、热力学第二定律的两种表述 第一定律指出不可能制造成功效率大于第一定律指出不可能制造成功效率大于一的热机。一的热机。?问题:?问题:能否制造成功效率等于一的热机能否制造成功效率等于一的热机?(也就是热将全部变功的热机也就是热将全部变功的热机 )3-1 3-1 第二定律的表述及其实质第二定律的表述及其实质 第一定律说明在任何过程中第一定律说明在任何过程中能量必须守恒能量必须守恒;第二定律却说明并非所有能量守恒的过程均能第二定律却说明并非所有能量守恒的过程均能实现。实现。自然界一切自发过程进行的方向和条件自然界一切自发过
4、程进行的方向和条件(可逆与不可逆)是第二定律研究的内容。(可逆与不可逆)是第二定律研究的内容。第4页,本讲稿共101页功是否可以全部变为热?功是否可以全部变为热?热是否可以全部变为功?热是否可以全部变为功?可以可以 有条件有条件1 1、第二定律的开尔文、第二定律的开尔文 (Kelven)表述:表述:不可能制造成功一种循环动作的机器,不可能制造成功一种循环动作的机器,它只从它只从单一热源单一热源吸热使之全部变为有用功而吸热使之全部变为有用功而对外界不产生对外界不产生其它影响其它影响。即即第二类永动机是不可能造成的。第二类永动机是不可能造成的。?单一热源:?单一热源:指温度处处相同且恒定不变热源。
5、指温度处处相同且恒定不变热源。?其它影响:?其它影响:指除了从单一热源吸收热量全指除了从单一热源吸收热量全部转化为功以外的任何其它变化。部转化为功以外的任何其它变化。第5页,本讲稿共101页3 3、两种表述的等效性、两种表述的等效性 两种表述分别揭示了功转变为热及热传递两种表述分别揭示了功转变为热及热传递的的不可逆性不可逆性,它们是两类不同的现象,两种表,它们是两类不同的现象,两种表述的等效性说明一切不可逆过程间存在着述的等效性说明一切不可逆过程间存在着内在内在的联系的联系(?)(?)。热量不可能热量不可能自发自发地从低温热源传给高地从低温热源传给高温热源。温热源。?自发?自发:指无条件地直接
6、传热,而对外界:指无条件地直接传热,而对外界不产生其它影响。不产生其它影响。2 2、第二定律的克劳修斯、第二定律的克劳修斯(Clausius Clausius)表述表述第6页,本讲稿共101页TT12QQ22E违背了克劳修斯表述违背了克劳修斯表述也就是违背了开尔文表述也就是违背了开尔文表述第7页,本讲稿共101页TT122QQQQ11222A=QQEB违背了克劳修斯表述也就是违背了开尔文表述第8页,本讲稿共101页违背了开尔文表述违背了开尔文表述也就是违背了克劳修斯表述也就是违背了克劳修斯表述TT112QQ1122QQA=QCD+第9页,本讲稿共101页 4 4、利用四种不可逆因素判别可逆与不
7、可逆、利用四种不可逆因素判别可逆与不可逆 任何一不可逆过程中必包含有四种不可逆因素任何一不可逆过程中必包含有四种不可逆因素中的某一个或几个。这四种不可逆因素是:中的某一个或几个。这四种不可逆因素是:耗散不可逆因素、力学不可逆因素、热学不可逆因耗散不可逆因素、力学不可逆因素、热学不可逆因素、化学不可逆因素。素、化学不可逆因素。5 5、第二定律实质、第二定律实质 在一切与热相联系的自然现象中它们在一切与热相联系的自然现象中它们自发地实现自发地实现的过程都是不可逆的的过程都是不可逆的。如热传导扩散、黏性以及大多数。如热传导扩散、黏性以及大多数化学反应过程。化学反应过程。第10页,本讲稿共101页 6
8、 6、第二定律与第一定律的联系第二定律与第一定律的联系(2 2)第一定律主要从数量上说明第一定律主要从数量上说明功与热量的功与热量的等价性等价性;第二定律却从转换能量的质的方面;第二定律却从转换能量的质的方面来说明来说明功与热量的本质区别功与热量的本质区别,从而揭示自然,从而揭示自然界中普遍存在的一类不可逆过程界中普遍存在的一类不可逆过程;(3 3)任何不可逆过程的出现,总伴随有任何不可逆过程的出现,总伴随有可用可用(作有用功)能量被贬值(作有用功)能量被贬值为不可用能量的现象为不可用能量的现象发生。发生。(1 1)第一定律否定了创造能量或消灭能量的第一定律否定了创造能量或消灭能量的可能性;第
9、二定律否定了以某种特定方式利可能性;第二定律否定了以某种特定方式利用能量的可能性用能量的可能性;第11页,本讲稿共101页(2 2)热力学中把功和热量传递方式加以区别)热力学中把功和热量传递方式加以区别就是因为热量具有只能就是因为热量具有只能自动从高温物体传向低自动从高温物体传向低温物体的方向性温物体的方向性。(3 3)任何一种不可逆过程的说法,都可作为)任何一种不可逆过程的说法,都可作为热力学第二定律的一种表述,它们热力学第二定律的一种表述,它们都是等价。都是等价。(1 1)第零定律不能比较尚未达热平衡的两物第零定律不能比较尚未达热平衡的两物体间温度的高低;而第二定律却能体间温度的高低;而第
10、二定律却能从热量自发从热量自发流动的方向流动的方向判别出物体温度的高低。判别出物体温度的高低。7 7、第二定律与第零定律的区别、第二定律与第零定律的区别第12页,本讲稿共101页 1.工作于相同高温热源工作于相同高温热源 T1 及相同低温热及相同低温热源源 T2 之间的一切可逆热机的效率都相等,与之间的一切可逆热机的效率都相等,与工作物质无关,都为:工作物质无关,都为:3-2 卡诺定理卡诺定理 2.工作于相同高温热源工作于相同高温热源 T1 及相同低温及相同低温热源热源 T2 之间的一切不可逆热机的效率都不之间的一切不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。可能大于可逆热机的效率。对于一切不
11、可逆机(实际热机)有:对于一切不可逆机(实际热机)有:TT12可逆=卡诺1不可逆T21可逆=1T第13页,本讲稿共101页TT12QQ1BQQ2Q2Q1baAAA用热力学定律证明卡诺定理:用热力学定律证明卡诺定理:设有两部热机,一部可逆机设有两部热机,一部可逆机 a,另一部任何热机,另一部任何热机 b,它们,它们都工作于相同的高温热源及低温热源之间都工作于相同的高温热源及低温热源之间 。用反证法证明:用反证法证明:假定假定a的效率小于的效率小于b的效率的效率第14页,本讲稿共101页热机热机 a:从高温热源吸热从高温热源吸热 Q1,向外输出功向外输出功A A后后,再向低温热源放再向低温热源放热
12、热 Q2;热机热机b:从高温热源吸热从高温热源吸热Q1,有有 A的功输出的功输出,另有另有Q2,的热量的热量释放给低温热源释放给低温热源,使两部热机在每一循环中输出相同的功。使两部热机在每一循环中输出相同的功。TT12Q1BQ2Q2Q1baAA第15页,本讲稿共101页由假定由假定 TT12Q1BQ2Q2Q1baAA第16页,本讲稿共101页TT12Q1BQ2Q2Q1ba 把可逆机把可逆机 a 逆向运转作制冷机,再把两机联合运转,这逆向运转作制冷机,再把两机联合运转,这时热机时热机 b 的输出功用来驱动制冷机的输出功用来驱动制冷机 a。当联合机进行一次联合循环时,虽然外界没有对它作功,而联合热
13、机却把热量 从低温热源传到高温热源,违反了克劳修斯的表述。第17页,本讲稿共101页 (1)使不可逆机尽量接近可逆机;使不可逆机尽量接近可逆机;(2)提高高温热源的温度(用降低低温热提高高温热源的温度(用降低低温热 源的温度的方法来提高效率是不经济的)源的温度的方法来提高效率是不经济的)1、卡诺定理的意义:、卡诺定理的意义:它指出了提高热机效率的方向:它指出了提高热机效率的方向:二、卡诺定理的应用二、卡诺定理的应用2、内能和状态方程的关系、内能和状态方程的关系假定的 是错误的。即即同理同理第18页,本讲稿共101页 例:已知光子气体的状态方程,求内能密度例:已知光子气体的状态方程,求内能密度?
14、例:已知范德瓦耳斯气体的状态方程,求内能例:已知范德瓦耳斯气体的状态方程,求内能?第19页,本讲稿共101页 例例1 1:一个平均输入功率为:一个平均输入功率为50MW 的发电厂,的发电厂,在在1000K和和 300K两热源间工作。两热源间工作。问:问:(1 1)理论上最高效率是多少?)理论上最高效率是多少?(2 2)如果这个工厂只能达到这一效率)如果这个工厂只能达到这一效率70%,有多少输入热量转化为电能?有多少输入热量转化为电能?(3 3)为了生产)为了生产50MW的电功率,每秒需提供多的电功率,每秒需提供多少焦尔热量?少焦尔热量?(4 4)如果低温热源由一条河流来承担,其流量)如果低温热
15、源由一条河流来承担,其流量为为10m3/s,则由电厂释放的热量引起的温升是则由电厂释放的热量引起的温升是多少?多少?第20页,本讲稿共101页(1)=1T2T1=13001000=70%(2)=0.7 理=49%(3)Q1=A实P t实=501060.49=1.02108(J)(4)Q2 =Q1 A =Q1(1 实)=c m t t =Q1(1 实)c m=1.02108 50106 10 (1 106)=1.23(C)第21页,本讲稿共101页 3 3 3 3、热力学温标热力学温标 工作于两个温度不同的恒温热源间的一切可逆卡诺热工作于两个温度不同的恒温热源间的一切可逆卡诺热机的效率与工作物质
16、无关,仅与两个热源的温度有关。该机的效率与工作物质无关,仅与两个热源的温度有关。该热机的效率是这两个温度的一个普适函数热机的效率是这两个温度的一个普适函数。设两个热源的温度分别为设两个热源的温度分别为1,2 这种温标为热力学温标,也称为开尔这种温标为热力学温标,也称为开尔文温标。文温标。热力学温标是绝对温标热力学温标是绝对温标。第22页,本讲稿共101页 热力学温标及用理想气体温标表示的热力学温标及用理想气体温标表示的任何温度的数值之比是一常数。任何温度的数值之比是一常数。所有的可逆热机效率公式中的温度都所有的可逆热机效率公式中的温度都是用理想气体温标表示是用理想气体温标表示 A=1,在理想气
17、体温标可适用的范围,在理想气体温标可适用的范围,热力学温标与理想气体温标完全一致。热力学温标与理想气体温标完全一致。第23页,本讲稿共101页 根据热力学第二定律,一切与热现象有根据热力学第二定律,一切与热现象有 关的实际过程都是不可逆的。关的实际过程都是不可逆的。(1 1)高温物体能自动将热量传给低温物体,)高温物体能自动将热量传给低温物体,但低温物体不能自动地将热量传给高温物体但低温物体不能自动地将热量传给高温物体;(2 2)气体能自动地向真空膨胀,但气体不能)气体能自动地向真空膨胀,但气体不能 自动收缩。自动收缩。以上事实表明:以上事实表明:热力学过程进行具有方向性。热力学过程进行具有方
18、向性。一、克劳修斯等式克劳修斯等式3-3 熵与熵增加原理熵与熵增加原理第24页,本讲稿共101页热力学过程的初态和终态之间存在重大的差异热力学过程的初态和终态之间存在重大的差异性。性。系统的这种性质决定了过程的方向,由此系统的这种性质决定了过程的方向,由此可以预期,可确定一个新态函数可以预期,可确定一个新态函数熵熵来描写。来描写。卡诺热机的效率为:卡诺热机的效率为:=T1T2T1|Q1|Q2|Q1|熵可作为过程进行方向的数学判据。熵可作为过程进行方向的数学判据。0|Q1|=T1|Q2|T2第25页,本讲稿共101页如果热量仍用代数量来表示,则上式可写为:如果热量仍用代数量来表示,则上式可写为:
19、上式的意义是:上式的意义是:在整个卡诺循环中在整个卡诺循环中QT的总和等的总和等于零。于零。0Q=1T1Q2T2+在可逆卡诺循环中,两个绝热过程无在可逆卡诺循环中,两个绝热过程无热量传递即热温比为零。热量传递即热温比为零。0|Q1|=T1|Q2|T2第26页,本讲稿共101页 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。PVO第27页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第28页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第29页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第30
20、页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第31页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第32页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第33页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第34页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第35页,本讲稿共101页PVO 对于任意一个可逆循环可以看作为由无数个卡诺循环组成。第36页,本讲稿共101页PV绝热线绝热线等温线等温线O 对于任意一个可逆循环可以看作为由
21、无数个卡诺循环组成。相邻两个卡诺循环的绝热过程曲线重合相邻两个卡诺循环的绝热过程曲线重合方向相反,互相抵消。方向相反,互相抵消。第37页,本讲稿共101页 当卡诺循环数无限增加时,锯齿形过程当卡诺循环数无限增加时,锯齿形过程曲线无限接近于用曲线无限接近于用红色线红色线表示表示的可逆循环。的可逆循环。PV绝热线绝热线等温线等温线O克劳修斯等式克劳修斯等式第38页,本讲稿共101页 对于每一个卡诺循环有:对于每一个卡诺循环有:对于整个卡诺循环有:对于整个卡诺循环有:PVab12O1ab12设系统经历的可逆循环:因为过程是可逆的,所以因为过程是可逆的,所以QTd2b1=QTd1b2QdT0=QdQd
22、QdTTT+1a22b1=0=可逆 2d Q Q d 0=1T1 2 T+第39页,本讲稿共101页QdQdQdTTT+1a22b1=0=QTd2b1=QTd1b2此式表明,此式表明,对于一个可逆过程对于一个可逆过程只决定于系统的始末状态,而与过程无关。只决定于系统的始末状态,而与过程无关。与势函数类似,引入一个只决定于系统状态的态函数与势函数类似,引入一个只决定于系统状态的态函数熵熵熵熵S S 。dTQ(1)(2)(1)(2)代入得:QTd1a2=QTd1b2第40页,本讲稿共101页对于无限小的可逆过程对于无限小的可逆过程QddST=AU=dd+Qd根据热力学第一定律根据热力学第一定律P
23、V=dUd+T dS的单位SK1J 这是综合了热力学第一、第二定律的这是综合了热力学第一、第二定律的热力学基本关系式。热力学基本关系式。SQdT1 S2=21可逆 二、熵(二、熵(entropy)第41页,本讲稿共101页 若系统的状态经历一可逆微小变化,它若系统的状态经历一可逆微小变化,它与恒温热源与恒温热源 T 交换的热量为交换的热量为 dQ,则系统的,则系统的熵改变了熵改变了?熵的定义:?熵的定义:由于温度是恒大于零,所以系统可逆由于温度是恒大于零,所以系统可逆吸热时,熵是增加的;系统可逆放热时,熵吸热时,熵是增加的;系统可逆放热时,熵是减少的。是减少的。可逆绝热过程是等熵过程。可逆绝热
24、过程是等熵过程。QddS/T=A A A A、熵与内能等一样,是系统状态函数,与过程无关;、熵与内能等一样,是系统状态函数,与过程无关;、熵与内能等一样,是系统状态函数,与过程无关;、熵与内能等一样,是系统状态函数,与过程无关;B B、热力学中均匀系的参量和函数分为两类:一是与总、热力学中均匀系的参量和函数分为两类:一是与总质量成正比的广延量;二是与总质量无关的强度量。质量成正比的广延量;二是与总质量无关的强度量。第42页,本讲稿共101页1.熵是系统状态的单值函数;熵是系统状态的单值函数;2.应用克劳修斯熵公式,对任可逆过程计算熵变:应用克劳修斯熵公式,对任可逆过程计算熵变:3.如果过程是不
25、可逆的不能直接应用上式。如果过程是不可逆的不能直接应用上式。由于熵是一个态函数,熵变和过程无关,可以由于熵是一个态函数,熵变和过程无关,可以设计一个始末状态相同的可逆过程来代替,然设计一个始末状态相同的可逆过程来代替,然后再应用上式进行熵变的计算。后再应用上式进行熵变的计算。SQdT1 S2=21可逆 4.热力学无法说明熵的微观意义,热力学无法说明熵的微观意义,只有平衡态才有意义,当只有平衡态才有意义,当始末状态为非平衡时,该熵公式无能为力。始末状态为非平衡时,该熵公式无能为力。三、熵的计算三、熵的计算第43页,本讲稿共101页5.在在不可逆过程熵的计算不可逆过程熵的计算中,可计算出熵作中,可
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