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第6章 热力学基础 热学简介 一、热力学第二定律的表述 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。 第二类永动机不可能制成 功热转化的方向性 实质 克劳修斯表述 热量不能自动地从低温物体传向高温物体 理想制冷机不可能制成 热传递的方向性 实质 (1) 假设开尔文 表述不成立 克劳修斯表述不成立 高温热源 低温热源 (2) 假设克劳修斯 表述不成立 开尔文表述不成立 低温热源 高温热源 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 a b c 绝热线 等温线 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。在循环过程 abca 中 V p O 违背开尔文表述 这就构成了从单一热源吸收热量的热机。 任意两条绝热线不可能相交。 二、可逆过程和不可逆过程 热力学第二定律的实质 系统经历的热力学过程每一步都可沿相反的方向进行，使得系统和外界都完全恢复原状。那么这个过程就称为可逆过程。 如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程。 可逆过程 不可逆过程 可逆过程 无摩擦的准静态过程 不可逆过程 包含功热转换（如摩擦等） x m 未达到热平衡 T1 T2 T1 T2 未达到力平衡 例：气体绝热自由膨胀 包含自发过程 扩散过程 注：理想气体绝热自由膨胀， 理想气体温度不变 例 分析图示过程中 ΔE 、A 、Q 的正负： a b O V p 绝热过程 （1）a → C1 → b ； （2）a → C2 → b ； 解： （1）a → C1 → b ： 由热力学第一定律 a b O V p 绝热过程 （2）a → C2 → b ； 由热力学第一定律 III. Q 的正负的判定 O p V Ⅰ Ⅱ a ( p1, V1 ) 绝热线a 理想气体由 I → II ，在中间态a ( p1, V1 )时是吸热还是放热？ 在 V → V + dV 的微小过程中， V V + dV O p V Ⅰ Ⅱ b ( p2, V2 ) 绝热线b 同理可证，在中间态 b ( p2, V2 )， 如果理想气体由 II → I ，则结论正好相反 O p V Ⅰ Ⅱ b ( p2, V2 ) a ( p1, V1 ) 总结： 吸热 放热 吸热 放热 质量为2.8g，温度为300K，压强为1atm的氮气， 等压膨胀 到原来的2倍。 氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量 解 例 求 根据等压过程方程，有 因为是双原子气体 温度为25℃，压强为1atm 的1mol 刚性双原子分子理想气 体经等温过程体积膨胀至原来的3倍。 (1) 该过程中气体对外所作的功； (2) 若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3 倍，气体对外所 作的功。 解 例 求 (1) 由等温过程可得 (2) 根据绝热过程方程，有 将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有 §6.4 循环过程 一、循环过程及其意义 循环过程： 物质系统的状态经历一系列变化后，又回到原来状态。 p V O I II a b p V O I II a b 正循环 逆循环 经历一个循环后工作物质回到原来状态， 由热力学第一定律： p V O I II a 正循环 I → a → II 过程， c d II → b → I 过程， 经历一个循环所做净功： 从高温热源吸热 对外做功（同时向低温热源放热） 热机循环 b 热机： 通过某种工作物质不断地把吸收的热量转变为机械功的装置。 蒸气机、内燃机、汽油机等 汽油机 A→B：吸气 B→C：绝热压缩 C→D：点火燃烧 D→E：绝热膨胀 E→B→A：排气 柴油机 A→B：吸气 B→C：绝热压缩 C→D：点火燃烧 D→E：绝热膨胀 E→B→A：排气 p V O I II a c d 逆循环 I → b → II 过程， II → a → I 过程， 经历一个循环所做净功： 从低温热源吸热 做功 制冷循环 向高温热源放热 b 制冷机： 通过对某种工作物质做功，使之不断从低温热源吸热，并向高温热源放出热量的装置。 电冰箱 电冰箱 B（冷藏室）：等温膨胀 C（节流阀）：绝热膨胀 D（散热器）：等温压缩 E（压缩机）：绝热压缩 二、循环效率 p V O I II a b 正循环 热机 将热量尽可能多地转化为功 热机效率（循环效率）： 工作物质经历一个热机循环： 由热力学第一定律： A →对外所做净功； Q1 →从高温热源吸收的热量； Q2 →向低温热源放出的热量； 逆循环 制冷机 尽量少地对系统做功（同时系统尽量多地从低温热源吸热） 工作物质经历一个制冷循环：