热学第五章课件

普通物理学教程热学•焦耳实验•焦耳定律：气体的内能仅是温度的函数（仅适用于理想气体）复习§4.5-4.6（1）复习§4.5-4.6（2）•理想气体定体热容及内能：等体过程中气体吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度上升•理想气体定压热容及焓：在等压过程中理想气体吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能•理想气体等温过程•理想气体绝热过程•理想气体多方过程•迈耶公式：理想气体的摩尔定压热容与摩尔定容热容之差为常数•热机：热机循环（热机的工作物质从高温热源吸收热量，然后通过绝热膨胀对外作功，最后在低温热源处释出剩余热量而回到原初状态）；热机效率的定义（热机在一个循环过程中吸收的热量转化为机械能的百分比）；卡诺热机与卡诺循环（只与两个恒温热源交换热量的热机称为卡诺热机，其循环称卡诺循环，由两个绝热过程与两个等温过程组成）复习§4.5-4.6（3）第五章热力学第二定律与熵•第四章介绍热力学第一定律时说，一切热力学过程必须满足能量守恒定律。指出，能量守恒率是自然界普遍存在的规律，只是对不同对象有不同表述•本章要说明即便热力学过程满足能量守恒率，但它不一定能够发生。本章将给出热力学过程能够发生的条件和方向，这就是热力学第二定律•为了能定量描述热力学第二定律，引入了熵这个反映系统混乱程度的物理量•热力学第二定律是热力学的基本定律，它宣布第二类永动机是不可能制造出来的•热力学第一定律指出，自然界中任何热力学过程都一定而且必须满足能量守恒率•热力学过程还需要满足另外的规律，即过程进行的方向所遵从的规律，这就是热力学第二定律解决和回答的问题§5.1热力学第二定律的表述及其实质m功热转换过程具有方向性一、自然过程的方向•只满足能量守恒的过程一定能实现吗？•功热转换通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的；或，热不能自动转化为功；或，唯一效果是热全部变成功的过程是不可能发生的热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的；或，热量不能自动地由低温物体传向高温物体•气体的绝热自由膨胀（Freeexpansion）气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的。绝热自由膨胀后，充满两边的气体不能自动地回到原来的状态，要使它回到原状态，外界必须做功•热传导（Heatconduction）•非平衡态非平衡态到平衡态的过程是不可逆的不可逆的自动地•自然界一切实际热力学过程都是按一个方向进行，反方向逆过程不可能自动发生•又如，生命过程是不可逆的:出生童年少年青年中年老年与热现象有关的宏观过程的不可逆性宏观过程的方向性•各种自然的能实现的宏观过程的不可逆性是相互沟通的，即一种宏观过程的不可逆保证了另一种宏观过程的不可逆例1：功变热的不可逆保证了热传导的不可逆下面的实验说明，若热可以自动转变成功，这将导致热可以自动从低温物体传向高温物体二、不可逆性的相互依存TAT0TQTT0TQ等价假定热可以自动转变成功，此功可使转轴转动，使水温升高为T，导致热可以自动从低温物体传向高温物体反过来，假设热可以自动从低温物体传向高温物体，则我们可以设计一个过程使得热可以自动转变成功假设热可以自动转变成功，这将导致气体可以自动压缩WT0QT0QTT0TT0等价气体向真空中绝热自由膨胀的不可逆性功变热的不可逆性例2:•所有宏观过程的不可逆性都是等价的TTTW作功后自动被压缩，导致热可以自动转变成功TW反之，假设气体可以自动被压缩等价不可逆过程的相互依存性使我们可以任选一种实际过程的方向性作为第二定律的表述热力学研究起源于热机，故最早的第二定律的表述与热机有关三、热力学第二定律（Thesecondlawofthermodynamics）自然宏观过程按一定方向进行的规律就是热力学第二定律由热力学第一定律可知，热机效率不可能大于100%。那么热机效率能否等于100%（）呢？地球热机Q1W若热机效率能达到100%,则仅地球上的海水冷却1℃,所获得的功就相当于1014t煤燃烧后放出的热量热力学第二定律指出，单热源热机(第二类永动机)是不可能被制造出来的02Q••热源•热力学第二定律的开尔文表述：不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化(1)热力学第二定律开尔文表述的另一叙述形式:第二类永动机不可能制成(2)热力学第二定律的开尔文表述实际上表明了说明：11121QQQW•热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体WQw2(1)热力学第二定律克劳修斯表述的另一叙述形式:理想制冷机不可能制成(2)热力学第二定律的克劳修斯表述实际上表明了说明：•热力学第二定律的两种表述等价(1)假设开尔文表述不成立克劳修斯表述不成立W1QWQ2Q1T高温热源2T低温热源Q2Q12QQW(2)假设克劳修斯表述不成立开尔文表述不成立2Q2Q2T低温热源2Q1QW21QQW21QQ高温热源1T用热力学第二定律证明：在pV图上任意两条绝热线不可能相交反证法例证abc绝热线等温线WQab设两绝热线相交于c点，在两绝热线上寻找温度相同的两点a、b。在ab间作一条等温线，abca构成一循环过程。在此循环过程中VpO这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背热力学第二定律的开尔文表述的。因此任意两条绝热线不可能相交可逆过程(系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程，则原过程是可逆的)不可逆过程•不可逆过程实例•力学（无摩擦时）x过程可逆（有摩擦时）不可逆•热力学第二定律与可逆和不可逆过程•功向热转化的过程是不可逆的（有气体）不可逆•一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程（如功自发变成热的过程）•热量从高温自动传向低温物体的过程是不可逆的•自由膨胀的过程是不可逆的不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可逆的原因。无摩擦的准静态过程没有耗散没有不平衡，因而是可逆过程（理想过程）。但耗散和由不平衡向平衡的转换是自发的过程，自发过程并不自动满足准静态过程的条件，因而是不可逆的自发过程：自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程•热力学第二定律的实质：在一切与热相联系的自然现象中它们自发地实现的过程都是不可逆的（揭示了自然界的一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程）•四种过程不可逆因素：（1）耗散不可逆因素（存在功变热现象）（2）力学不可逆因素（存在压强差）（3）热学不可逆因素（存在温度差）（4）化学不可逆因素（存在成分密度差）可由是否存在以上四种不可逆因素之一来简单判断一个热力学过程是否可逆•热力学第一定律与热力学第二定律的区别与联系热力学第一定律讲能量的基本属性（能量不能产生也不能消灭；功和热量在数量上是可以等价的，可以相互转换的）。热力学第二定律讲能量转换的规律（指出功和热量在能量转换过程中存在本质区别），从而揭示自然界中普遍存在的一类不可逆过程•热力学第二定律与热力学第零定律的区别热力学第零定律关心的是不同系统的热力学状态是否相同的问题，而热力学第二定律则关心不同系统间能量转换的问题。它们是互为独立互为补充的（热力学第零定律不能判断两物体温度的高低，而热力学第二定律可通过热量自发流动的方向判别出物体温度的高低）第三章总结（1）•介绍了输运过程，包括黏性，扩散，传导等现象；指出输运过程是非平衡态热力学系统特有的现象，它是系统由不均匀向均匀发展时产生的•介绍了黏性现象遵从的宏观规律，牛顿黏性定律；扩散现象遵从的宏观规律，菲克定律；热传导现象遵从的的宏观规律，傅立叶定律AdzdfudzdnDJNAdzdTQ第三章总结（2）•引入碰撞截面（），平均碰撞频率（一个分子单位时间内和其它分子碰撞的平均次数），平均自由程（分子连续两次碰撞之间所经过的自由路程的平均值）概念，并给出它们的计算公式•导出了气体黏性系数，热传导系数，扩散系数与微观量的关系式。结果表明它们都与分子的平均速率和平均自由程成正比13vD=13v13Vvc2d第三章总结（3）•介绍稀薄气体的特征，如极稀薄气体为超高真空气体（λL），容器里气体的真空度由分子间的平均自由程与容器线度的关系决定•讨论稀薄气体的热传导规律，指出超高真空气体的分子主要与器壁发生碰撞，所以平均自由程仅由分子与器壁碰撞的平均自由程决定（而常压下气体的碰撞主要发生于分子之间，其平均自由程是分子之间的平均自由程）；结论：在温度一定时，压强越低热传导越差，即，真空度越高绝热性能越好•介绍了准静态过程，弛豫时间•给出可逆过程与不可逆过程的定义•指出功和热量都不是状态的函数，内能才是状态的函数•给出准静态过程中体积膨胀所做的功的一般表达式（外界对系统做的功）：第四章总结（1）21VVVpWd•讨论了准静态过程中理想气体等温过程做的功，等体过程做的功，等压过程做的功•给出能量守恒与转换定律：自然界一切物体都具有能量，能量具有各种不同形式，它可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化与传递中总能量既不增加也不减少•给出内能定理：在绝热过程中外界对系统做的功等于系统内能的增量第四章总结（2）•介绍热力学第一定律：系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和dW'dUdQWQWQUU'12对于准静态过程，热力学第一定律可写为：pdV-dQdU第四章总结（3）第四章总结（4）•讨论定体热容与内能，定压热容与焓定体热容和定压热容可分别由内能和焓偏微分求得：VmmVTUC)(,pmpTHC)(,•讨论第一定律对气体的应用，包括：（1）焦耳实验，焦耳定律（气体的内能仅是温度的函数）（2）理想气体定体热容及内能，理想气体定压热容及焓（3）迈耶公式（理想气体的摩尔定压热容与摩尔定体热容之差为常数）（4）讨论理想气体等温过程，绝热过程，多方过程中功，热量，内能之间的转换规律第四章总结（5）•给出热机循环概念及热机效率的定义：第四章总结（6）1211QQQQW•介绍卡诺热机(只与两个恒温热源交换热量的热机)，卡诺循环(卡诺热机的循环，由两个绝热过程与两个等温过程组成）•指出卡诺循环效率：121211TTQQC第三章习题讲解P162:3.3.5P269:5.1.15.1.2作业•自然过程的方向：自然界一切实际热力学过程都按一个方向进行，反方向逆过程不可能自动发生•不可逆性的相互依存：所有宏观过程的不可逆性都是等价的•热力学第二定律的开尔文表述：不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化•热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传向高温物体•热力学第二定律的两种表述是等价的复习§5.1（1）•四种过程不可逆因素：（1）耗散不可逆因素（存在功变热现象）（2）力学不可逆因素（存在压强差）（3）热学不可逆因素（存在温度差）（4）化学不可逆因素（存在成分密度差）复习§5.1（2）•卡诺定理总结可逆热机的固有性质，给出可逆热机与不可逆热机在效率上的关系•利用卡诺定理可以定义与测温物质无关的温标§5.2卡诺定理前面讲过，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，如功变热等。自然界中不存在可逆过程。尽管实际不存在，为了理论上分析的需要，引入理想化的可逆过程概念，正如同准静态过程一样气体膨胀和压缩u无摩擦的准静态过程：外界压强总比系统大一无限小量，缓缓压缩；外界压强总比系统小一无限小量，缓缓膨胀这种无摩擦的准静态过程即是一个可逆过程。这个过程正反方向进行时外界条件改变一无穷小量（其结果是系统和外界能同时回到初态）一、可逆过程实例系统T1+△TT1+2△TT1+3△TT2系统从T1到T2变化的准静态过程：在过程中的每一步系统和外界都只发生无穷小的变化这个过程每一步都接近等温热传导过程，由于发生的是无穷小的变化，它的一个来回（即正反方向过程）使得系统和外界都回到初始状态，因而是可逆过程热传递（1）在温度分别为T1与T2的两个给定热源之间工作的一切可逆热机，其效率相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即121TT（2）在相同