卡诺定理熵增加原理.ppt

1,热力学基础,第六章,普通物理学上册,2,复习,1.热力学过程中的功,功的计算,在等体变化中：,在等压变化中：,在等温变化中：,3,在绝热变化中：,功的图示:,功的大小等于PV 图上过程曲线下的面积。,4,在等压变化中：,2.热力学过程中的内能变化,在等体变化中：,在等温变化中：,在绝热变化中：,5,3.热力学过程中的热量,在等体变化中：,在等压变化中：,在等温变化中：,在绝热变化中：,6,4.热力学过程中的效率:,在循环过程中,系统所作净功(总功)与吸收的总热量之比.,卡诺热机效率,7,卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成.,三 卡诺循环,1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环卡诺循环.给出了热机效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理.,8,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,A B 等温膨胀吸热,9,C D 等温压缩放热,D A 绝热过程,B C 绝热过程,10,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高.,11,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机致冷系数,12,图中两卡诺循环 吗？,13,例2 一台电冰箱放在室温为 的房间里，冰箱储藏柜中的温度维持在.现每天有 的热量自房间传入冰箱内,若要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 至 之间运转的致冷机(冰箱)的致冷系数,是卡诺致冷机致冷系数的 55%.,解,由致冷机致冷系数 得,房间传入冰箱的热量 热平衡时,14,房间传入冰箱的热量 热平衡时,保持冰箱在 至 之间运转,每天需作功,功率,15,一、热力学第二定律的两种宏观表述,6-7 热力学第二定律的表述 卡诺定理,1.开尔文表述（Kelvin，1851）,不可能从单一热源吸收热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。,说明：,“单一热源”：温度均匀且恒定不变的热源。,“其它影响”：指除了由单一热源吸收热量，把所吸收的热量全部用来作功以外的任何其它变化。,如理想气体的等温膨胀：,从单一热源吸热完全变为功外，但引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积膨胀了(“其它影响”)。,16,开尔文（Kelvin）表述的另一形式,第二类永动机：从单一热源吸收热量全部转化为机械功而不产生其它影响的一种循环动作的机器。,表述：第二类永动机是不可能制成的。,热机效率是不可能达到100%的。在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境。,热机,Q2,Q1,高温热源T1,低温热源T2,W,有人估算将海水降低 0.01K，所获得的能量可使全世界的工厂开动几个世纪。,17,2.克劳修斯(Clisuis)表述(1850),3.两种表述的等效性,反证法：违反了Kelvin 表述 也就违反了Clausius表述 反过来违反了Clausius 表述 也就违反了Kelvin表述。,借助致冷机，是可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其他变化。,Clausius表述：热传导的过程是不可逆的。,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,Kelvin表述：功热转换的过程是不可逆的。,18,如果第二类永动机可造出来,1)违反了Kelvin 表述也就违反了Clausius表述,令其推动卡诺致冷机,联合机的唯一效果：,即从单一热源吸热全部变成有用功而无其它影响,热机,高温热源（T1）,低温热源（T2）,致冷机,高温热源（T1）,低温热源（T2）,W,违反了Clausius表述,19,热机,热机,2)违反了Clausius 表述也就违反了Kelvin表述,即热量自动从低温物体传到高温物体,高温热源（T1）,低温热源（T2）,高温热源（T1）,令其推动卡诺热机,联合机的唯一效果：,违反了Kelvin表述,设有一违反Clausius 表述的致冷机存在,20,各种自发过程的不可逆性是相互关联的,任何一种不可逆过程的表述，都可作为热力学第二定律的表述！,热二律的实质：与热相联系的自然现象中 一切自发过程都是不可逆的。,功、热转换的不可逆性,热传导的不可逆性,开氏、克氏表述等效,21,热一律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?,热二律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。,问题:,1、热力学过程的方向性,二 自然过程的不可逆性,注意：方向性，指无条件的、自发的、勿须外界 干预而进行的方向。,22,功热转换,自由膨胀过程,热力学第二定律的任务就是要说明与热相联系的自发过程的方向性。,23,?,不可逆过程,24,一个系统由某一状态出发，经过某一过程达到另一状态，如果存在另外一过程，它能使系统和外界完全复原,则原过程为可逆程。,可逆过程,反之如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原，则原过程为不可逆过程。,不可逆过程,2、可逆过程(reversible process)与不可逆过程(irreversible process),一切与热现象有关的过程都有明显的方向性，这种有方向性的过程，就是不可逆过程。,自然界中:,25,热传导过程是不可逆过程,功热转换过程是不可逆过程,气体的自由膨胀过程是不可逆过程,非平衡态到平衡态的过程是 不可逆的,非平衡态到平衡态,26,生命过程就是不可逆的:,出生,“今天的你我 怎能重复 昨天的故事!”,童年,少年,青年,中年,老年,为什么一切自然过程(实际过程)都是不可逆过程？,(1)存在摩擦等耗散因素,(2)存在某些不平衡因素，故为非准静态过程。,27,只有无耗散的准静态 过程 才是可逆过程,宏观上与热相伴过程的不可逆性是相互关联的,28,1）在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率.,三 卡诺定理,2）工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率.,29,结论：可逆卡诺循环中,热温比总和为零.,可逆卡诺机,一 熵概念的引进,如何判断孤立系统中过程进行的方向？,30,任一微小可逆卡诺循环,对所有微小循环求和,任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成,结论:对任一可逆循环过程,热温比之和为零.,31,在可逆过程中，系统从状态A改变到状态B,其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无关.据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称熵.,二 熵是态函数,可逆过程,可逆过程,32,无限小可逆过程,热力学系统从初态 A 变化到末态 B，系统熵的增量等于初态 A 和末态 B 之间任意一可逆过程热温比（）的积分.,熵的单位,可逆过程,33,三 熵变的计算,1）熵是态函数，当始末两平衡态确定后，系统的熵变也是确定的,与过程无关.因此,可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变.,2）当系统分为几个部分时，各部分的熵变之和等于系统的熵变.,34,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 的水,与质量为 0.70 kg、温度为 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.,解 系统为孤立系统,混合是不可逆的等压过程.为计算熵变,可假设一可逆等压混合过程.,设 平衡时水温为,水的定压比热容为,由能量守恒得,35,各部分热水的熵变,显然孤立系统中不可逆过程熵是增加的.,36,例2 求热传导中的熵变,设在微小时间 内,从 A 传到 B 的热量为.,同样，此孤立系统中不可逆过程熵亦是增加的.,37,四 熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少.,孤立系统中的可逆过程，其熵不变；孤立系统中的不可逆过程，其熵要增加.,熵增加原理成立的条件:孤立系统或绝热过程.,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.,熵增加原理的应用：给出自发过程进行方向的判椐.,五 熵增加原理与热力学第二定律,39,证明 理想气体真空膨胀过程是不可逆的.,在态1和态2之间假设一可逆等温膨胀过程,不可逆,