1、 一一 掌握掌握功和熱量的概念；功和熱量的概念；掌握掌握熱力學第一定律。熱力學第一定律。 二二 理解理解準靜態過程和理想氣體的摩爾熱容。能準靜態過程和理想氣體的摩爾熱容。能熟練分析、計算理想氣體在各等值過程和絕熱過程中熟練分析、計算理想氣體在各等值過程和絕熱過程中功功、熱量、內能的改變量及卡諾循環的效率熱量、內能的改變量及卡諾循環的效率 。 三三 理解理解可逆過程和不可逆過程，可逆過程和不可逆過程，理解理解熱力學第熱力學第二定律的兩種敘述。二定律的兩種敘述。 四四 了解了解熵和焓的概念和計算，熵和焓的概念和計算，了解了解熵增加原理熵增加原理和焓的特性。和焓的特性。4.1 4.1 熱力學第一定律

2、熱力學第一定律4.2 4.2 熱力學第一定律的應用熱力學第一定律的應用4.3 4.3 熱力學循環與熱機效率熱力學循環與熱機效率4.4 4.4 熱力學第二定律熱力學第二定律4.5 4.5 熵與焓熵與焓引入：引入：熱力學熱力學是研究物質熱運動形式及熱運動規律是研究物質熱運動形式及熱運動規律的一門學科。它是從能量觀點出發，研究在物質狀態的一門學科。它是從能量觀點出發，研究在物質狀態變化過程中，宏觀物理量間的數量關系及過程中熱、變化過程中，宏觀物理量間的數量關系及過程中熱、功轉換的條件及方向等問題。功轉換的條件及方向等問題。 熱力學理論兩大基本定律是熱力學理論兩大基本定律是:熱力學第一定律熱力學第一定

3、律， 即能量守恒定律即能量守恒定律; 熱力學第二定律熱力學第二定律， 即熵增加定律。即熵增加定律。l 熱力學基本定律應用非常廣泛，例如，動物的熱力學基本定律應用非常廣泛，例如，動物的代謝活動滿足熱力學第一定律，藥物制劑的生產、代謝活動滿足熱力學第一定律，藥物制劑的生產、劑型配置及中藥成分的提取和分離過程，常常會遇到劑型配置及中藥成分的提取和分離過程，常常會遇到化學變化和相變問題，都需要用熱力學的理論并結合化學變化和相變問題，都需要用熱力學的理論并結合實踐才能解決。實踐才能解決。 對系統以外的物質對系統以外的物質 的稱為的稱為外界環境外界環境，簡稱環境。，簡稱環境。 在熱力學中，我們通常把所研究

4、的對象稱為在熱力學中，我們通常把所研究的對象稱為熱力熱力學系統學系統，簡稱系統。，簡稱系統。系統與環境根據相互關系程度不同可將系統分為三類：系統與環境根據相互關系程度不同可將系統分為三類：敞開系統敞開系統:系統與環境間有物質交換和能量交換。系統與環境間有物質交換和能量交換。封閉系統封閉系統:系統與環境間只有能量交換而無物質交換系統與環境間只有能量交換而無物質交換。孤立系統孤立系統:系統與環境間既無能量亦無物質交換。系統與環境間既無能量亦無物質交換。一、熱力學基本概念一、熱力學基本概念 為了描述系統所處的狀態，可以選擇一些物為了描述系統所處的狀態，可以選擇一些物理量來描述系統狀態的變化，這些物理

5、量統稱為理量來描述系統狀態的變化，這些物理量統稱為狀態參量狀態參量。 把系統開始時所處的狀態稱為把系統開始時所處的狀態稱為初狀態初狀態，把通，把通過變化以后系統所處的狀態稱為過變化以后系統所處的狀態稱為末狀態末狀態。 在系統中的不同部分任意一個狀態參量有不在系統中的不同部分任意一個狀態參量有不同的量值，即系統的任意一個狀態參量隨時間而同的量值，即系統的任意一個狀態參量隨時間而發生變化，則該系統處于發生變化，則該系統處于非平衡狀態非平衡狀態。TVp,TVp,真真 空空 膨膨 脹脹平衡態：平衡態：如果一個系統中所有的狀態參量都不隨如果一個系統中所有的狀態參量都不隨時間而發生變化時，也就是說系統中各

6、部分都具有各時間而發生變化時，也就是說系統中各部分都具有各自相同的量值。（理想狀態）自相同的量值。（理想狀態）pVo),(TVp),(TVp),(TVppV),(TVp*o1）單一性（單一性（ 處處相等）處處相等）;2）物態的物態的穩定性穩定性 與時間無關；與時間無關；3）自發過程的終點；自發過程的終點；4）熱動平衡（應區別于力平衡）。熱動平衡（應區別于力平衡）。Tp ,平衡態的特點平衡態的特點熱力學過程熱力學過程 熱力學系統從一個狀態向另一個過程熱力學系統從一個狀態向另一個過程過度，其間所經歷的過渡方式，稱為過度，其間所經歷的過渡方式，稱為熱力熱力學過程學過程。簡稱。簡稱過程。過程。 根據過

7、程所經歷的中間狀態的性質，根據過程所經歷的中間狀態的性質，可以把熱力學過程分為可以把熱力學過程分為準靜態過程準靜態過程和和非靜非靜態過程態過程。準靜態過程準靜態過程（理想化的過程）（理想化的過程） 準靜態過程：從一個平衡態到另一平衡態所經過準靜態過程：從一個平衡態到另一平衡態所經過的每一瞬間系統都處于平衡態的過程。的每一瞬間系統都處于平衡態的過程。氣體氣體活塞活塞砂子砂子),(111TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12 顯然作為準靜態過程中間狀態的平衡態，具有顯然作為準靜態過程中間狀態的平衡態，具有確定的狀態參量，對于一個簡單系統可用確定的狀態參量，對于一個簡單系統可用P- -V

8、圖上圖上的一點來表示這個平衡態。的一點來表示這個平衡態。系統的準靜態變化過程可用系統的準靜態變化過程可用P- -V圖上的一條曲線表示，稱之為圖上的一條曲線表示，稱之為過程曲線過程曲線。這條曲線的方程稱之。這條曲線的方程稱之為為過程方程過程方程。準靜態過程是一種準靜態過程是一種理想化的理想化的極限極限，但作為熱力學的基礎，我，但作為熱力學的基礎，我們首先要著重討論它。們首先要著重討論它。非靜態過程非靜態過程 一般過程的發生是系統中一個平衡狀態的一般過程的發生是系統中一個平衡狀態的平衡受到破壞，再到達另一個新的平衡態。系平衡受到破壞，再到達另一個新的平衡態。系統所經歷的過程中任何一個微小階段必定引

9、起統所經歷的過程中任何一個微小階段必定引起系統狀態的改變。實際發生的過程進行得較快，系統狀態的改變。實際發生的過程進行得較快，在新的平衡態建立之前系統又繼續下一步變化。在新的平衡態建立之前系統又繼續下一步變化。這樣在系統過程經歷了一系列非平衡態，這種這樣在系統過程經歷了一系列非平衡態，這種過程為過程為非靜態過程非靜態過程。 作為中間態的非平衡態通作為中間態的非平衡態通常不能用狀態參量來描述。常不能用狀態參量來描述。 系統內能的增量只與系統始末狀態有關，與系統系統內能的增量只與系統始末狀態有關，與系統所經歷的過程無關。所經歷的過程無關。RTiMmTEE2)( 理想氣體內能理想氣體內能 : 表征系

10、統狀態的單值函數表征系統狀態的單值函數 ，理，理想氣體的內能只是溫度的函數。想氣體的內能只是溫度的函數。二、內能、功和熱量二、內能、功和熱量1 內內 能能 ：熱力學系統所具有的、由系統內部狀態所熱力學系統所具有的、由系統內部狀態所決定的能量，稱為系統的決定的能量，稱為系統的內能內能。（狀態量）。（狀態量） 非理想氣體內能：非理想氣體內能：非理想氣體的內能是溫度和體非理想氣體的內能是溫度和體積的函數。積的函數。),(VTEE 實驗證明系統從狀態實驗證明系統從狀態A 變化到狀態變化到狀態B ，可以采，可以采用作功和傳熱的方式，不論經歷什么過程，只要始用作功和傳熱的方式，不論經歷什么過程，只要始末狀

11、態確定，作功和傳熱之和將保持不變。末狀態確定，作功和傳熱之和將保持不變。2AB1*pVo12120A BAA BAAQ1122A BA BA BA BAQAQ2AB1*pVoCEAB021ABAE 功是能量傳遞和轉換的一種方式，它引起系統熱功是能量傳遞和轉換的一種方式，它引起系統熱運動狀態的變化運動狀態的變化。準靜態過程功的計算準靜態過程功的計算lpSlFAdddVpAdd21dVVVpA注意：注意：作功與過程有關。作功與過程有關。宏觀運動能量宏觀運動能量熱運動能量熱運動能量2 功功（過程量）（過程量）3 傳熱傳熱（過程量）（過程量） 熱量是熱量是通過傳熱方式傳遞通過傳熱方式傳遞能量能量的，系

12、統和外界之的，系統和外界之間存在溫差而發生的能量傳遞。間存在溫差而發生的能量傳遞。1）過程量：與過程有關；）過程量：與過程有關；2）等效性：改變系統熱運動狀態的作用相同；）等效性：改變系統熱運動狀態的作用相同； 宏觀運動宏觀運動分子熱運動分子熱運動功功分子熱運動分子熱運動分子熱運動分子熱運動熱量熱量Q3）功與熱量的物理本質有區別。）功與熱量的物理本質有區別。1卡卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡卡功與熱量的異同功與熱量的異同1T2T21TT Q作機械功改變系統作機械功改變系統狀態的焦耳實驗狀態的焦耳實驗AV作電功改變系統作電功改變系統狀態的實驗狀態的實驗三三 熱力學第一定律熱力

13、學第一定律QEA 系統系統從外界獲取的從外界獲取的熱量熱量，一部分用來一部分用來增加增加系統的系統的內能內能， 另一部分用來對外界另一部分用來對外界作功作功。21dVVVpEQ準靜態過程準靜態過程VpEAEQddddd微小過程微小過程12*pVo1V2VAEAEEQ12 1）能量轉換和守恒定律。第一類永動機不可能量轉換和守恒定律。第一類永動機不可能實現。能實現。 2）實驗經驗總結，自然界的普遍規律。實驗經驗總結，自然界的普遍規律。AEAEEQ12+12EE 系統吸熱系統吸熱系統放熱系統放熱內能增加內能增加內能減少內能減少系統對外界作功系統對外界作功外界對系統作功外界對系統作功第一定律的符號規定

14、第一定律的符號規定QA物理意義物理意義 計算各等值過程的熱量、功和內能的理論基礎計算各等值過程的熱量、功和內能的理論基礎RTMmpV （1）（理想氣體的共性）（理想氣體的共性）21dVVVpEQVpEQddd（2）解決過程中能解決過程中能量轉換的問題量轉換的問題)(TEE （3）（理想氣體的狀態函數）（理想氣體的狀態函數） （4） 各等值過程的特性各等值過程的特性 。單位：單位：J/molK一一 等容過程、定容摩爾熱容等容過程、定容摩爾熱容d0,d0VA熱力學第一定律熱力學第一定律EQVddTQCVVddddVVQCT特性特性 常量常量V),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 定容摩

15、爾熱容定容摩爾熱容: 1mol理想氣體在等體過程中吸理想氣體在等體過程中吸收熱量收熱量dQV ,使溫度升高使溫度升高dT ,其定容摩爾熱容為其定容摩爾熱容為查理定律查理定律 常量常量pTTCMmEQVVddd1212)(EETTCMmQVV熱力學第一定律熱力學第一定律TQCVVdd1E2EVQ1EVQ2E),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等容等容升升壓壓 12),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等容等容降降壓壓 12)(1212TTCMmQEEVV由于由于RTiMmTEE2)(又因：又因：)(21212TTRiMmEERiCV2可得可得定容摩爾熱容定容摩爾熱容為：

16、為：2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12二二 等壓過程等壓過程熱力學熱力學第一定律第一定律dddpQEATQCppdd特特 性性 常量常量p1221d()VVAp Vp VV功功 定壓摩爾熱容定壓摩爾熱容: 理想氣體在等壓過程中吸理想氣體在等壓過程中吸收的熱量收的熱量 使溫度升高使溫度升高 ，其定壓摩爾熱容為，其定壓摩爾熱容為mol1pQdTdTCQppddA蓋蓋呂薩克定律呂薩克定律 = 常量常量VTddddppQCTEp V即 TRVpdd22pViCCRRTCEVdd 可得定壓摩爾熱容和定容摩爾熱容的關系，即可得定壓摩爾熱容和定容摩爾熱容的關系，即邁耶公式邁耶公式21()A

17、p VV)(12TTRMm)(12TTCMmEV),(12TTCMmQpp 摩爾熱容比摩爾熱容比 2pVCiCi比比 熱熱 容容TQCdd熱容熱容比熱容比熱容mCTmQcdd2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12A等等 壓壓 膨膨 脹脹2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12A等等 壓壓 壓壓 縮縮1E2EpQ1EpQ2E A A三三 等溫過程等溫過程熱力學第一定律熱力學第一定律0dE恒溫熱源恒溫熱源TVRTMmp 21dVTVQAp VdddTQAp V12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoVd特征特征 常量常量T玻玻馬定律馬定律pV常量常量EE

18、21dVTVm RTQAVM V12lnVVRTMm21lnppRTMm12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVo等溫等溫膨脹膨脹A12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoA等溫等溫壓縮壓縮TQTQ A A),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo四四 絕熱過程絕熱過程21()VmC TTMd0Q 特征特征21dTVTmCTM ddVmECTM21dVVAp VVd絕熱的汽缸壁和活塞絕熱的汽缸壁和活塞ddAE 熱力學第一定律熱力學第一定律dd0AE1、絕熱過程及熱力學特征、絕熱過程及熱力學特征1 122()VpVCApVpVCC11221p

19、Vp VA12()VmACTTM若已知若已知 及及2211,VpVp),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoAAE RTMmpV 1 122()VpVp VACRR從從 可得可得由熱力學第一定律有由熱力學第一定律有2、絕熱方程、絕熱方程d0,ddQAE ddVmp VCTM RTMmpV ddVm RTmVC TM VMTTVVd11dddVCVTVR T分離變量得分離變量得),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo0Q絕絕 熱熱 方方 程程pVTp1常量常量常量常量常量常量),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoA絕絕 熱熱 膨

20、膨 脹脹),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoA絕絕 熱熱 壓壓 縮縮1E2E1E2E A A 3、絕熱線與等溫線、絕熱線與等溫線絕熱絕熱過程曲線的斜率過程曲線的斜率等溫等溫過程曲線的斜率過程曲線的斜率0ddpVVp0dd1pVVpVAAaVpVp)dd(AATVpVp)dd( 絕熱線的斜率大于絕熱線的斜率大于等溫線的斜率。等溫線的斜率。pV常量常量ApBVAVApVoT0QVapTpBC常量常量常量常量pV 例例5- -1 將將20g的氦氣分別按下面的過程，從的氦氣分別按下面的過程，從17升升至至27，試分別求出在這些過程中氣體系統內能的變，試分別求出在這些過程中氣體

21、系統內能的變化、吸收的熱量和外界對系統作的功。（設氦氣可看化、吸收的熱量和外界對系統作的功。（設氦氣可看作理想氣體，且有作理想氣體，且有 ）（）（1）體積不變；）體積不變；（2）壓強不變）壓強不變 ； （3）不與外界交換熱量。）不與外界交換熱量。解解 （1）等容過程）等容過程 A=026.23 10 JVVmQECTM 32VCR2T121p2p1VpVo0A 1T（3）絕熱過程絕熱過程 Q=026.23 10 JVmECTM26.23 10 JAE （2）等壓過程）等壓過程 p3()1.04 10 JppVmmQCTCCTMM26.23 10 JVmECTM24.16 10 JpAQE1T2

22、T121p2p1V2VpVo0Q2T12p1VpVo1T2V上次課小結與復習1.熱力學第一定律熱力學第一定律系統從外界所獲取的熱量，一部分用來增加系統的內能，另一部分用系統從外界所獲取的熱量，一部分用來增加系統的內能，另一部分用來對外界作功。來對外界作功。AEQ積分形式：積分形式：dAdEdQ微分形式：微分形式：2.熱力學第一定律熱力學第一定律 對理想氣體的應用：對理想氣體的應用：2.1 等容過程等容過程 2.2 等壓過程等壓過程 2.3 等溫過程等溫過程 2.4 絕熱過程絕熱過程恒量恒量TP1、特點：、特點：dV=0。特征方程為：特征方程為：2.1 等容過程等容過程)(2)(1212VVTT

23、RiMmTTCMmQ)(12VTTCMmE0A恒量TV1、特點：、特點：dP=0。特征方程為：特征方程為：2.2 等壓過程等壓過程)(22)(1212ppTTRiMmTTCMmQ)(12VTTCMmE)()(1212TTRMmVVpA恒量pV1、特點：、特點：dT=0。特征方程為：特征方程為：2.3 等溫過程等溫過程2112lnlnppRTMmVVRTMmQT0E2112lnlnppRTMmVVRTMmA2.4 絕熱過程絕熱過程0Q)(12VTTCMmE)(112211VpVpA1、特點：、特點：dQ=0。特征方程為：特征方程為：恒恒量量pV恒恒量量TV1恒恒量量1Tp例例5-25-2 將將溫

24、度為溫度為300K300K，壓強為，壓強為10105 5 PaPa的氮氣絕熱壓縮，的氮氣絕熱壓縮， 使其容積為原來的使其容積為原來的1/51/5。試求壓縮后的壓強和溫度，并。試求壓縮后的壓強和溫度，并與等溫壓縮時的壓強比較。與等溫壓縮時的壓強比較。解：解：氮氣為雙原子氣體由表查得氮氣為雙原子氣體由表查得40. 110.41212()300 5571KVTTV51.451212()1059.5 10 PaVppV等溫壓縮時等溫壓縮時5512121055 10 PaVppV 2300KT 熱機發展簡介熱機發展簡介1698年薩維利與年薩維利與1705年紐可門先后發明了年紐可門先后發明了蒸汽機蒸汽機

25、，當時蒸汽機的效率很低，當時蒸汽機的效率很低 。1765年瓦特年瓦特進行了重大改革進行了重大改革 ，大大提高了，大大提高了蒸汽機的蒸汽機的效率效率 。人們一直在為提高熱機效率作努力，從理論上人們一直在為提高熱機效率作努力，從理論上研究熱機的效率，既指明了提高效率的方向，研究熱機的效率，既指明了提高效率的方向，又推動了熱學理論的發展又推動了熱學理論的發展 。部分熱機的效率部分熱機的效率液體燃料火箭液體燃料火箭柴油機柴油機汽油機汽油機蒸汽機蒸汽機%48%8%37%25 系統經過一系列狀態變化過程后，又回到初始狀系統經過一系列狀態變化過程后，又回到初始狀態，這樣周而復始的變化過程稱為熱力學循環過程態

26、，這樣周而復始的變化過程稱為熱力學循環過程 。一一 、循環過程、循環過程pVoAacAVBVbd沿順時針方向進行的循沿順時針方向進行的循環稱為環稱為正循環正循環或或熱循環熱循環。（abcda）沿逆時針方向進行的循沿逆時針方向進行的循環稱為環稱為逆循環逆循環或或制冷循環制冷循環。（adcba）u正循環正循環過程對應過程對應熱機熱機，逆循環逆循環過程過程對應對應致冷機致冷機。常把作循環的物質稱為工作物質。常把作循環的物質稱為工作物質。熱力學第一定律熱力學第一定律QA12AQQQ凈功凈功0E特征特征總吸熱總吸熱1Q總放熱總放熱（取絕對值）取絕對值）2Q凈功為循環過程曲線所包圍的面積。凈功為循環過程曲

27、線所包圍的面積。 由于內能是狀態的單值函數，則當工作物質由于內能是狀態的單值函數，則當工作物質經過一個循環后，它的內能不變。即經過一個循環后，它的內能不變。即一個循環過程后所作凈功：一個循環過程后所作凈功：A=Aac AcapVoAacAVBVbd熱機熱機 ：利用工作物質連續不斷地把熱量轉換為功的裝置利用工作物質連續不斷地把熱量轉換為功的裝置 。 工作物質工作物質（工質）：熱機中用來吸收熱量并對（工質）：熱機中用來吸收熱量并對外做功的物質外做功的物質 。 熱機效率熱機效率熱機效率熱機效率1221111AQQQQQQ 熱機（熱機（正正循環）循環）0AWpVoABAVBVcd熱機熱機高溫熱源高溫熱

28、源低溫熱源低溫熱源1Q2QA550C0過過熱熱器器鍋鍋爐爐給水泵給水泵冷凝器冷凝器冷冷卻卻水水氣氣輪輪機機發電機發電機Q QQ Q12A發電廠蒸汽動力循環示意圖發電廠蒸汽動力循環示意圖AQ QQ Q12高溫熱源高溫熱源低溫熱源低溫熱源熱機工作示意圖熱機工作示意圖20C0高溫高壓蒸汽高溫高壓蒸汽141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q 例例 ： 1 mol 氦氣經過如圖所示的循環過程，其氦氣經過如圖所示的循環過程，其中中 ， 。求求12、23、34、41各過程中氣體吸收的熱量和熱機的效率各過程中氣體吸收的熱量和熱機的效率 。122 pp412VV解解 由理想氣體物態方程得由理想氣體

29、物態方程得122TT 134TT 142TT12211()VVQC TTC T23321()2ppQC TTC T34431()2VVQCTTC T 1211QQAQQ%3.15pVCCR2141()()AppVV111pVRTQQQ2312141141()ppQC TTC T112VpC TC T141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q121VQC T2312pQC T3412VQC T 11(32)VRTTCR 卡諾卡諾循環經歷一個準靜態的循環過程，由兩個循環經歷一個準靜態的循環過程，由兩個等溫等溫過程和兩個過程和兩個絕熱絕熱過程構成過程構成 。二、二、卡諾循環卡諾循環及熱機

30、效率及熱機效率 Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 1824 1824 年法國工程師卡諾提出了一個工作在年法國工程師卡諾提出了一個工作在兩兩熱源之間的熱源之間的理想理想循環循環卡諾卡諾循環。給出了熱機效循環。給出了熱機效率的理論極限值率的理論極限值; ; 他還提出了著名的卡諾定理。他還提出了著名的卡諾定理。低溫熱源低溫熱源2T高溫熱源高溫熱源1T卡諾熱機卡諾熱機1Q2QAVop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V 理想氣體卡諾循環熱機效率的計算理想氣體卡諾循環熱機效率的計算 A B 等溫膨脹等溫膨脹 B C 絕熱膨脹絕熱膨脹 C D 等溫壓縮等溫壓縮

31、 D A 絕熱壓縮絕熱壓縮卡諾循環卡諾循環21TT abQcdQ1211lnVVRTMmQQabA B 等溫膨脹等溫膨脹吸吸熱熱4322lnVVRTMmQQcdC D 等溫壓縮放熱等溫壓縮放熱1211lnVVRTMmQ Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 絕熱壓縮過程絕熱壓縮過程214111TVTVB C 絕熱膨脹過程絕熱膨脹過程 213112TVTV4312VVVV121TT 卡諾熱機效率卡諾熱機效率Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212ln

32、ln11VVVVTTQQ 卡諾熱機的效率只決卡諾熱機的效率只決定于兩個熱源的溫度，高定于兩個熱源的溫度，高溫熱源的溫度越高，低溫溫熱源的溫度越高，低溫熱源的溫度越低，卡諾熱熱源的溫度越低，卡諾熱機的效率越高機的效率越高 。 卡諾熱機效率總小于卡諾熱機效率總小于1 1。Vop2TA1TABCD21TT 卡諾制冷機（卡諾逆循環）卡諾制冷機（卡諾逆循環）卡諾致冷機卡諾致冷機制冷制冷系數系數212212TTTQQQe2Q1Q高溫熱源高溫熱源1T低溫熱源低溫熱源2T卡諾制冷機卡諾制冷機1Q2QA 圖中兩卡諾循環圖中兩卡諾循環 嗎嗎 ？2121212T1T2A1A12AApoVpoV2T1T2A1A3T1

33、2AA討討 論論 例例5-35-3：1mol氦氣（理想氣體）經歷如圖所示氦氣（理想氣體）經歷如圖所示的循環過程。圖中的循環過程。圖中ab為為等溫線等溫線，bc為為等壓線等壓線，ca為為等容線等容線。Va4m3，Vb8m3，求循環效率。，求循環效率。13.4%abcabcabcaQQQQQ解：解：cbabpappVoaVbVab為為等溫過程：等溫過程：lnln2babaaaVQRTRTVbc為為等壓過程：等壓過程：()bcpbcQC TTca為為等容過程：等容過程：()caVacQCTTabTT又由又由，且，且cbcbVVTT1122cbaTTT，所以，所以 熱力學第一定律給出了各種形式的能量在

34、相互轉熱力學第一定律給出了各種形式的能量在相互轉換過程時必須遵循的規律，但沒有限定過程進行的方換過程時必須遵循的規律，但沒有限定過程進行的方向。觀察與實驗表明，自然界中一切與熱現象相關的向。觀察與實驗表明，自然界中一切與熱現象相關的宏觀過程都是不可逆的，或者是有方向性的。宏觀過程都是不可逆的，或者是有方向性的。 例：熱量可以從高溫物體自動地傳遞給低溫物體，例：熱量可以從高溫物體自動地傳遞給低溫物體，但卻不能從低溫物體傳到高溫物體。對這類問題的解但卻不能從低溫物體傳到高溫物體。對這類問題的解釋需要有一個獨立于熱力學第一定律的定律，即釋需要有一個獨立于熱力學第一定律的定律，即熱力熱力學第二定律學第

35、二定律。引言引言: : 1 開爾文表述：開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量并將不可能從單一熱源吸取熱量并將它完全轉變為功而不產生其他影響它完全轉變為功而不產生其他影響 。 第二定律的提出第二定律的提出1 功熱轉換的條件第一定律無法解釋。功熱轉換的條件第一定律無法解釋。 2 熱傳遞的方向性、氣體自由膨脹的不可熱傳遞的方向性、氣體自由膨脹的不可逆性等問題第一定律無法解釋。逆性等問題第一定律無法解釋。 一一 熱力學第二定律的兩種表述熱力學第二定律的兩種表述 等溫膨脹過程是從等溫膨脹過程是從單單一熱源吸熱作功，一熱源吸熱作功，而而不不放放出熱量給其它物體，出熱量給其它物體，但但它它非循環過程。非循環

36、過程。12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoAETQ A 卡諾卡諾循 環 是 循循 環 是 循環 過 程 ，環 過 程 ，但 需 兩 個但 需 兩 個熱 源 ， 且熱 源 ， 且使 外 界 發使 外 界 發生變化。生變化。低溫熱源低溫熱源2T高溫熱源高溫熱源1T卡諾熱機卡諾熱機1Q2QAVop2TA1TABCD21TT 永永 動動 機機 的的 設設 想想 圖圖 雖然卡諾制冷機能把熱量從低溫物體傳到高溫雖然卡諾制冷機能把熱量從低溫物體傳到高溫物體，但需外界作功且改變環境物體，但需外界作功且改變環境 。 2 克勞修斯說法：克勞修斯說法：不可能將熱量從低溫物體不可能將熱量從低溫物

37、體傳到高溫物體而傳到高溫物體而不產生不產生其他影響其他影響 。Vop2TA1TABCD21TT 2Q1Q高溫熱源高溫熱源1T低溫熱源低溫熱源2T卡諾制冷機卡諾制冷機1Q2QA注注 意意 1 熱力學第二定律是大量實驗和經驗的總結。熱力學第二定律是大量實驗和經驗的總結。 3 熱力學第二定律可有多種說法，每一種說熱力學第二定律可有多種說法，每一種說法都反映了自然界過程改變的方向性法都反映了自然界過程改變的方向性 。 2 熱力學第二定律開爾文說法與克勞修斯說熱力學第二定律開爾文說法與克勞修斯說法是等效的法是等效的 。 開爾文開爾文表述指出表述指出功變熱功變熱的過程是不可逆過程。的過程是不可逆過程。克勞

38、修斯克勞修斯表述指出表述指出熱傳遞熱傳遞的過程是不可逆過程。的過程是不可逆過程。準靜態無摩擦過程為可逆過程準靜態無摩擦過程為可逆過程 可逆過程可逆過程 : 在自然界中，如果系統逆過程能重在自然界中，如果系統逆過程能重復正過程的每一狀態，且不引起其他變化，則正復正過程的每一狀態，且不引起其他變化，則正過程稱為可逆過程過程稱為可逆過程 。二二 可逆過程與不可逆過程可逆過程與不可逆過程 非非準靜態過程為準靜態過程為不可逆過程不可逆過程 。 不可逆不可逆過程：在不引起其他變化的情況下，不能過程：在不引起其他變化的情況下，不能使逆過程重復正過程的每一個狀態，或雖能重復但使逆過程重復正過程的每一個狀態，或

39、雖能重復但必然會引起其他變化，這樣的過程稱為不可逆過程必然會引起其他變化，這樣的過程稱為不可逆過程。 準靜態過程（無限緩慢的過程），無摩擦力、粘準靜態過程（無限緩慢的過程），無摩擦力、粘滯力或其他耗散力作功的過程滯力或其他耗散力作功的過程 。 可逆過程的條件可逆過程的條件非非自發傳熱自發傳熱自發傳熱自發傳熱高溫物體高溫物體低溫物體低溫物體 熱傳導熱傳導 熱功轉換熱功轉換完全完全功功不不完全完全熱熱 自然界一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是自然界一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的不可逆的 。 熱力學第二定律的統計意義熱力學第二定律的統計意義無序無序有序有序自發自發非均勻、非平衡非均勻、非

40、平衡均勻、平衡均勻、平衡自發自發 1） 在在相同相同的高溫熱源和低溫熱源之間工作的的高溫熱源和低溫熱源之間工作的任意工作物質的任意工作物質的可逆熱機可逆熱機都具有都具有相同相同的效率的效率 。 三三 卡諾定理卡諾定理 2）在在相同相同的高溫熱源和低溫熱源之間的一切的高溫熱源和低溫熱源之間的一切不可逆熱機不可逆熱機的效率都的效率都不可能不可能大于可逆熱機的效率大于可逆熱機的效率 。121211QQTTQT( 不不可逆機可逆機 )（可逆可逆機機）以卡諾機為例，有以卡諾機為例，有 例例5-45-4：設一卡諾熱機工作于熱源與冷源之間，設一卡諾熱機工作于熱源與冷源之間，其工作物質為水，熱源的溫度為水的沸

41、點，冷源的溫其工作物質為水，熱源的溫度為水的沸點，冷源的溫度為水的冰點，工作物質從熱源吸收度為水的冰點，工作物質從熱源吸收1000J熱量。求熱量。求卡諾熱機向冷源放出的熱量、所作的功及卡諾熱機效卡諾熱機向冷源放出的熱量、所作的功及卡諾熱機效率。率。解：解：Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 卡諾熱機的效率為：卡諾熱機的效率為：2112731126.8%373TT 卡諾熱機所作的功為：卡諾熱機所作的功為：10.268 1000268JAQ卡諾熱機向冷源放出的熱量為：卡諾熱機向冷源放出的熱量為：211000268=732 JQQA例例5-55-5：工作物質為工作物質為

42、1mol理想氣體的熱機，其循環如理想氣體的熱機，其循環如圖圖5-7所示所示(其中其中AB為絕熱過程；為絕熱過程；BC為等壓過程，為等壓過程， CA為等容過程為等容過程)。試證明其效率為。試證明其效率為1)(1)(12121PPVV證明：證明： CA為等容過程，系統吸收熱量為等容過程，系統吸收熱量 Q1)(CAV1TTCQ21CAPPTT并并且且p1p2pOV2V1VABC75圖BC為等壓過程，系統釋放熱量為為等壓過程，系統釋放熱量為 Q2)(CBp2TTCQ21CBVVTT并并且且AB為絕熱過程，系統與外界無熱量交換。為絕熱過程，系統與外界無熱量交換。所以該熱機的效率為所以該熱機的效率為 1)

43、(1)(1)()(112121CAVCBP12PPVVTTCTTCQQ證畢。證畢。第五章作業 教材第113頁第6、7、8、9題 教材第114頁第10、11題 教材第114頁第13、14、15題本章結束2211TQTQ02211TQTQ 結論結論 ： 可逆卡諾循環中可逆卡諾循環中, 熱溫比熱溫比總和為零?？偤蜑榱?。TQ熱溫比熱溫比 等溫過程中吸收或放出的熱量等溫過程中吸收或放出的熱量與熱源溫度之比。與熱源溫度之比。121121TTTQQQ可逆卡諾機效率可逆卡諾機效率一一 熵的概念熵的概念如何判斷如何判斷孤立孤立系統中過程進行的系統中過程進行的方向方向？poV任一微小可逆卡諾循環任一微小可逆卡諾循

44、環011iiiiTQTQ對所有微小循環求和對所有微小循環求和0iiiTQd0QiT當當 時，則時，則任意的可逆循環可看成由大量微小可逆卡諾循環組成任意的可逆循環可看成由大量微小可逆卡諾循環組成。 結論結論 : 對任一可逆循環過程對任一可逆循環過程, 熱溫比之和為零。熱溫比之和為零。iQ1iQ克勞修斯等式克勞修斯等式0dddBDAACBTQTQTQ 在可逆過程中，系統從狀態在可逆過程中，系統從狀態A改變到狀態改變到狀態B ,其熱溫其熱溫比的積分只決定于始末狀態，而與過程無關。據此可比的積分只決定于始末狀態，而與過程無關。據此可知熱溫比的積分是一態函數的增量，此知熱溫比的積分是一態函數的增量，此態

45、函數態函數稱稱熵熵。 熵是態函數熵是態函數BAABTQSSd 可逆過程可逆過程 poV*ABCD可逆過程可逆過程ADBBDATQTQddADBACBTQTQdd無限小可逆過程無限小可逆過程TQSdd 熱力學系統從初態熱力學系統從初態 A 變化到末態變化到末態 B ，系統，系統熵熵的增量的增量等于初態等于初態 A 和末態和末態 B 之間任意一可逆過程之間任意一可逆過程熱溫比（熱溫比（ ）的積分。）的積分。TQ/d 熵的單位熵的單位J/KpoV*ABCDEBAABTQSSd 可逆過程可逆過程 物理意義物理意義二二 熵變的計算熵變的計算 1、理想氣體的熵變、理想氣體的熵變 熵函數完全由狀態所決定，當

46、始末兩個狀態確定后，熵函數完全由狀態所決定，當始末兩個狀態確定后， 系系統的熵變也是確定的統的熵變也是確定的, 與過程無關。與過程無關。 因此因此, 可在兩個狀態之間可在兩個狀態之間假設任一可逆過程，從而計算熵變假設任一可逆過程，從而計算熵變 。將熱力學第一定律代入將熱力學第一定律代入TQSdddPddEVSTT得得對對m/M摩爾的理想氣體摩爾的理想氣體00dddVmTmVSCRMTMV積分得積分得理想氣體的熵變理想氣體的熵變00lnlnVmTmVSCRMTMV 2、物體相變時的熵變、物體相變時的熵變 當系統分為幾個部分時，當系統分為幾個部分時， 各部分的熵變之和等各部分的熵變之和等于系統的熵

47、變于系統的熵變 。 設質量為設質量為m的物體在溫度為的物體在溫度為T時發生相變過程，時發生相變過程，則熵變為則熵變為dQmSTT式中式中為相變熱。為相變熱。 例：例：計算不同溫度液體混合后的熵變。質量為計算不同溫度液體混合后的熵變。質量為0.30 kg、溫度為、溫度為 的水的水, 與質量為與質量為 0.70 kg、 溫度溫度為為 的水混合后，最后達到平衡狀態。的水混合后，最后達到平衡狀態。 試求水的試求水的熵變。設整個系統與外界無能量傳遞。熵變。設整個系統與外界無能量傳遞。C90C20 解：解：系統為孤立系統系統為孤立系統 , 混合是不可逆的等壓過程。混合是不可逆的等壓過程。為計算熵變為計算熵變 , 可假設一可逆等壓混合過程?？杉僭O一可逆等壓混合過程。 設設 平衡時水溫為平衡時水溫為 , 水的定壓比熱容為水的定壓比熱容為T113KkgJ1018. 4pc由能量守恒得由能量守恒得)K293(70. 0)K363(30. 0T