大学物理简明教程第六章

三、卡诺循环
图6-14 卡诺正循环——热机 a)p������ -V图 b)工作示意图
三、卡诺循环
图6-1来自百度文库 卡诺逆循环——制冷机 a)p������ -V图 b)工作示意图
第五节 热力学第二定律
一、可逆过程与不可逆过程 二、热力学第二定律 三、卡诺定理
一、可逆过程与不可逆过程
1.自然过程的方向性 2.可逆过程与不可逆过程
1.内能
在上一章当中，我们从微观角度定义了系统的内 能。系统的内能是系统内分子无规则运动所具有 的动能和分子之间相互作用的势能的总和。对于 理想气体，分子间相互作用力可以忽略，理想气 体的内能仅是温度的单值函数。对于实际气体， 当实际气体的压强较大时，气体的内能还包括分 子间的势能，该势能与气体的体积有关，所以一 般地讲，实际气体的内能是状态的单值函数。
一、循环过程
图6-9 循环过程 a)正循环 b)逆循环
一、循环过程
图6-11 热机循环的示意图
二、循环效率
在热机循环中，工作物质对外所做的功A与它吸 收的热量Q的比值，称为热机效率或循环效率
三、卡诺循环
19世纪初，蒸汽机在工业上的应用越来越广泛，但当时蒸汽机的 效率很低，只有3%～5%左右。因此,如何提高热机的效率，成为 当时科学家和工程师的重要课题。那时人们已经认识到，要使热 机有效地工作，必须具备至少两个温度不同的热源，那么，在两 个温度一定的热源之间工作的热机所能达到的最大效率是多少呢？ 1824年，年仅28岁的法国青年工程师卡诺发表了《关于火力动力 的见解》这篇著名的论文，从理论上回答了上述问题。他提出一 种理想的热机循环，证明了它的效率最大，从而指出了提高热机 效率的途径。这种热机的工作物质只与两个恒温热源接触(即温 度恒定的高温热源和温度恒定的低温热源)并交换能量，不存在 散热、漏气等因素，人们把这种理想热机称为卡诺热机，其循环 过程为卡诺循环。卡诺的研究工作不仅指明了提高热机效率的途 径，还为热力学第二定律的建立奠定了基础。
1.自然过程的方向性
1)热传导过程的方向性。 2)功热转换过程的方向性。 3)气体自由膨胀过程的方向性。
图6-16 气体向真空自由膨胀
2.可逆过程与不可逆过程
•从前面的讨论可知，自然界与热现象有关的所 有宏观自然过程都具有方向性，为了进一步说明 方向性的问题，我们引入可逆过程与不可逆过程 的概念。
•在系统状态变化的过程中，如果逆过程能重复 正过程的每一状态，而且不引起其他变化，这样 的过程称为可逆过程；反之，在不引起其他变化 的情况下，不能使逆过程重复正过程的每一状态， 或者虽然重复但必然会引起其他变化，这样的过 程称为不可逆过程。
1.开尔文表述 2.克劳修斯表述 3.两种表述的等效性
二、热力学第二定律
一、等体过程
图6-4 等体过程
二、等压过程
设想装有一定质量的理想气体的封闭气缸，与一 系列有微小温差的恒温热源连续接触。接触过程 中活塞上所加外力保持不变，接触结果，将有微 小的热量传给气体，使气体温度升高，压强也随 之较外界所施压强增加以微小量，于是推动活塞 对外做功，体积随之膨胀。体积膨胀反过来使气 体压强降低，从而保证气缸内外压强随时保持不 变，系统经历一准静态等压过程。
二、等压过程
图6-5 等压过程
二、等压过程
表6-1 几种气体摩尔热容的理论值和实验值
三、等温过程
设想一气缸，其四壁和活塞是绝对不导热的，而 底部绝对导热。今将汽缸底部与一恒温热源相接 触，当活塞上的外界压强无限缓慢地降低时，缸 内气体随之逐渐膨胀，对外做功，气体内能缓慢 减少，温度随之微微降低。此时，由于缸底部与 恒温热源相接触，当气体温度比热源温度稍低时， 就有微小的热量传给气体，使气体的温度维持原 值不变，气体经历一个准静态等温过程。
三、等温过程
图6-6 等温过程
第三节 绝 热 过 程
一、绝热过程 二、绝热线与等温线
1.绝热过程方程 2.绝热过程的功和内能
一、绝热过程
一、绝热过程
图6-7 理想气体的绝热过程
1.绝热过程方程
2.绝热过程的功和内能
二、绝热线与等温线
图6-8 绝热线与等温线
第四节 循环过程 卡诺循环
一、循环过程 二、循环效率 三、卡诺循环
2.功 热量
实验证明，要改变一个热力学系统的状态，也即 改变其内能，有两种方式：做功和热传递。例如 一杯水，可以通过加热，即热传递的方法，从某 一温度升高到另一温度；也可通过搅拌做功的方 法，使该杯水的温度升高。两者虽然方式不同， 但都能导致内能增加，这表明做功和热传递是等 效的，因此，做功和热传递均可作为内能变化的 量度。
1.开尔文表述
在开尔文叙述中，“循环动作”、“单一热源”、 “不引起其他变化”是三个关键条件。应当指出， 在等温膨胀过程中，系统从单一热源吸收热量全 部用于对外做功，但在该过程中，体积膨胀了， 即引起了其他变化，而且它不是循环动作的热机。 而要使系统压缩回到原来的状态，必然要释放一 部分热量给其他物体，故这一循环对外界产生了 其他影响，与开尔文表述相矛盾。
第六章 热力学基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
热力学第一定律 理想气体的等值过程 绝热过程 循环过程 卡诺循环 热力学第二定律 熵
第一节 热力学第一定律
一、热力学过程 二、内能 功 热量 三、热力学第一定律
一、热力学过程
图6-1 准静态过程
1.内能 2.功 热量
二、内能 功 热量
三、热力学第一定律
根据能量转换与守恒定律，在系统状态发生变化的过程中， 做功和热传递往往是同时存在的。假定系统从内能E1的状态 变化到内能为E2的状态的某一过程中，外界对系统热传递的 热量为Q，同时系统对外做功为A，根据能量转换守衡定律有 Q=(E2－E1)+A 即系统从外界吸收的热量一部分使系统内能 增加，另一部分用于对外做功。这就是热力学第一定律。显 然，热力学第一定律是包含热现象在内的能量守恒与转换定 律。
三、热力学第一定律
图6-2 气缸中气体膨胀时对外做功
第二节 理想气体的等值过程
一、等体过程 二、等压过程 三、等温过程
一、等体过程
等体过程可以这样实现：设封闭气缸内有一定质量的理 想气体，活塞保持固定不动，把气缸连续地与一系列有 微小温差的恒温热源相接触，让缸中气体经历一个准静 态升温过程，同时压强增大，且体积不变。