(四)循环过程和卡诺循环

循环过程是系统(如热机中的工作物质)经一系列变化后又回到初态的整个过程叫循环过程。这里提到的循环过程都是平衡过程,在p-v图上循环过程对应一条带箭头的封闭曲线,如图11

  11

              

循环分为正循环与逆循环。正循环是顺时针绕向的封闭曲线,伴随着热量从高温源传向低温源,工作物质不断的把热转变成功的过程,。逆循环为逆时针绕向的封闭曲线,外界对系统作功,工作物质不断将热量从低温热源传向高温热源的过程。

1)特征:始末状态相同。可以得知完成一个循环,系统的内能不发生变化。

因此热力学第一定律形式:q=a

q表示循环过程中净吸收的热量,即每个阶段的吸热量的代数和。

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q=q=总吸热-总放热

a称为净功,表示循环过程中各分过程对外作功的代数和。p-v图上,其值等于循环曲线所围面积。

2)热机:属于正循环。

热机效率:

12

 
          (1.25)

式中q1为循环过程中吸收热量的总合;q2为循环过程中放出热量的总和(取绝对值)。

3)制冷机:属逆循环。外界对系统作的净功anet与系统从低温热源吸收的热量q2之和等于系统向高温热源放出的热量q1

制冷系数

             (1.26)

2.卡诺循环由两个绝热过程和两个等温过程组成,工作物质只与两个恒温热源交换热量,准静态、无摩擦的理想循环。

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诺热机循环的效率                    (1.27)

t1表示高温热源温度,t2表示低温热源温度。

(五) 热力学第二定律及其统计意义

1.开尔文表述:不可能找到将热量全部转变为功的循环过程

2.克劳修斯表述:热量不能自动地从低温物体传向高温物体。

热力学第二定律的统计意义:一个不受外界影响的孤立系统,其内部发生的过程,总是由概率小的状态向概率大的状态进行;由包含微观状态数少的宏观状态向包含微观状态数多的宏观状态进行。热力学第二定律的实质就是指出一切自发过程进行的不可逆性,即自发过程的单向性。

(六)可逆过程和不可逆过程

某过程使得物体(系统)从状态a变化到状态b,如果存在另一个过程,它不仅能使得物体(系统)进行反向变化,从状态b回复到状态a,而且当物体回复到状态a时,周围一切也都各自回复原状,则从状态a进行到状态b的过程是可逆过程(例如准静态、无摩擦的过程)。

不可逆过程是其结果不能完全被消除的过程。例如:摩擦生热,有限温差热传导,气体自由膨胀等。

注意:(1)自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

2)不平衡和耗散等因素的存在,是导致过程不可逆的原因。只有当过程中每一步,系统都无限接近于平衡态,且无摩擦等耗散因素时,过程才是可逆的。

3不可逆过程,并不是不能在反方向进行的过程,而是当逆过程完成后,对外界的影响不能消除。

4自然的宏观过程的不可逆性相互依存。一种实际过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性。反之,如果一种实际过程的不可逆性消失了,则其它实际过程的不可逆性也就随之消失了

(5) 功可以全部转化为热量,但热不能通过一个循环全部变为功。

(七)卡诺定理

1)在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机,其效率都相等,与工作物质无关;

2)在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机,其效率不可能大于可逆热机的效率。

小结:大体上概括起来包括热力学第一定律以及热力学第二定律两部分,对于热力学第一定律,主要是应用。例如四个典型热力学过程以及循环热力学过程中,利用热一律分析热量变化,做功,内能改变量等,并由此衍生出热容,热机,制冷机,制冷系数,热机效率等概念。热力学第二定律是描述过程变化方向性的,可逆与不可逆过程实质也是描述方向性的。

相关练习

(一)历年真题

d

 

a 看似符合热力学第二定律的开尔文描述,但要注意这里并没提及是循环过程,例如等温膨胀过程,可以将热量全部转换为功,

ba类似,有点儿像热力学第二定律的克劳修斯表述,但缺少了 自发 这两个字,通过外界做功,热量是可以从低温传到高温物体的,例如冰箱的制冷就是如此。

c不可逆是指 不可逆过程是其结果不能完全被消除,而不是不能反向进行。例如自由膨胀后总是可以再被压缩回去,只不过实现它需要一部分将一部分功转化为热量。

 

 

 

 

该题注意符合规定。

4. “理想气体和单一热源接触做等温膨胀时,吸收的热量全部用来对外做功。”对此说法,有如下几种讨论,哪种是正确的:

a)不违反热力学第一定律,但违反热力学第二定律

b)不违反热力学第二定律,但违反热力学第一定律

c)不违反热力学第一定律,也不违反热力学第二定律

d)违反热力学第一定律,也违反热力学第二定律

c,热力学第一定律是能量守恒定律,吸收热量全部用来做功是满足能量守恒的。等温膨胀时,气体内能不变,吸收的能量完全用来对外做功是完全可以实现的。热力学第二定律提到的热量不能完全转化为功的前提是针对循环过程。