大学物理第8章 热力学基础.pptVIP

如图8-8（a）所示，与恒温箱接触的一个气缸，可用一活塞对其缓慢地压缩，所做的功表现为进入容器内使气体的温度保持不变的能量。 日常生活中，蓄电池在室温下缓慢充电和放电，也都可近似地看作是等温过程。 1．等温过程中的功 当气体的体积发生微量 变化时，气体做的元功为 图8-8 等温过程 2．等温过程中的内能变化 内能E是温度T的单值函数，有 在等温过程中，T＝恒量，故 即系统的内能也保持不变。 3．等温过程中的热量 根据热力学第一定律， ，得 8.4.2 绝热过程 用绝热材料包起来的容器内气体所经历的变化过程（见图8-9（a））、声波传播时所引起的空气的压缩和膨胀过程、内燃机气缸中燃料燃烧的过程等，都可看作是绝热过程。 这些过程的特点是：进行得较快，热量来不及与周围物质进行交换。 若在状态变化过程中，系统与外界无热量交换，则该过程称为绝热过程。但应当注意的是，自然界中完全绝热的系统是不存在的，实际接触的系统都是近似的绝热系统。 图8-9 绝热过程 8.4.3 绝热线和等温线 图8-10 绝热线和等温线的比较 8.5 循环过程 卡诺循环 8.5.1 循环过程 系统从某一初态出发，经历一系列的状态变化后，又回到原来状态的过程，称为热力学循环过程，简称循环。 循环工作的物质称为工作物质，简称工质。如内燃机、蒸汽机，它们的本质是通过循环来实现热功转换，在整个过程中的工作物质为气体。 常见的蒸汽机中的热力循环如图8-11所示，在水泵的作用下，水进入高温热源锅炉中，吸收热量后，变为高温高压蒸汽；随后高温高压蒸汽进入汽轮机，推动涡轮转动对外做功。 图8-11 蒸汽机的循环 在这一过程中，内能通过做功转化为机械能，蒸汽的内能减小。 最后，剩下的“废气”进入低温热源冷凝器，放出热量后凝结成水，再在水泵的作用下，重新回到水池，如此循环不息地进行。 总的结果就是：工质从高温热源吸收热量用以增加其内能，然后一部分内能通过做功转换为机械能，另一部分内能则在冷凝器处通过放热传到外界，最后工质又重新回到原来状态。 图8-12 正循环的p-V图 8.5.2 热机和制冷机 1．热机 常见的蒸汽机、内燃机、火箭发动机等都是利用工质的正循环，把吸收的热量连续不断地转换为对外做的功。类似这样的装置称为热机。 图8-13 热机的示意图 热机从外界吸收的热量有多少转化为对外做的功是热机效能的重要标志之一。 热机 蒸汽机 汽油机 柴油机 燃气轮机 液体燃料火箭 效率 约15% 约25% 约40% 约45% 约48% 表8-4　实际热机的效率 2．制冷机 冰箱、空调等装置利用工作物质连续不断地从某一低温热源吸收热量，传给高温热源，从来实现制冷的效果，这种装置叫做制冷机。从循环过程方向来看，制冷机与热机的循环方向相反。 图8-14 制冷机的示意图 图8-15 常见的压缩式制冷循环过程 8.5.3 卡诺循环 卡诺（S·Carnot 1796～1832年，见图8-16）。 卡诺的主要贡献在热力学方面，1824年卡诺出版了《关于火的动力及专门产生这种动力的机器的见解》一书，书中谈到了他在地球上观察到的许多现象都与热有关，而且提出了著名的卡诺定理。 从热质说的观点得到的卡诺定理为提高热机效率指出了方向，为热力学第二定律的建立打下了基础。 图8-16 卡诺 1．卡诺热机 设卡诺循环中的工质为理想气体，经过上述4个分过程，完成一个正向的卡诺循环。 为了求其效率，下面对整个循环中能量的转化情况进行分析，如图8-17所示。 图8-17　卡诺热机的p-V图 2．卡诺制冷机 如图8-18所示，理想气体做逆向的卡诺循环。类似于卡诺热机效率的计算，可得制冷系数为 图8-18 卡诺制冷机的p-V图 8.6 热力学第二定律 卡诺定理 8.6.1 热力学第二定律的两种表述 1．开尔文表述 1851年，英国物理学家开尔文（L·kelvin，1824～1907年）从热功转换的角度出发，首先 提出：不可能制造出这样一种循环工作的热机， 它只从一个热源吸取热量，使之全部变为有用 的功，而其他物体不发生任何变化。 对于开尔文表述可以从下面两点进行阐明。 （1）如果从单一热源吸热全部用来做功，必定会引起其他变化。 第8章 热力学基础 准静态过程 功 热量 内能 8.1 热力学第零定律和第一定律 8.2 8.1 准静态过程 功 热量 内能 热力学的研究对象是由大量分子和原子组成的系统，如气体、固体