2022-2023学年高二物理竞赛课件：热力学第二定律

热力学第二定律 开尔文表述：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸收热对外作功而不产生其它影响。 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物传到高温物体而不引起外界的变化。 热力学第二定律是研究热机系数和制冷系数时提出的。对热机，不可能吸收的热量全部用来对外作功；对制冷机，若无外界作功，热量不可能从低温物体传到高温物体。热力学第二定律的两种表述形式，解决了物理过程进行的方向问题。 热力学第二定律 一、 热力学第二定律 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 卡诺循环：由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成的循环。 1-2：等温过程 2-3：绝热过程 3-4：等温过程 4-5：绝热过程 卡诺循环是准静态循环，只和两个恒温热源交换热量 低温热源T2 高温热源T1 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 外界的功 致冷系数：从低温热源吸收的热量Q2与外界作的功A之比 对卡诺致冷机： 致冷系数 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 高温热库T1 低温热库T2 Q1 Q2 A=Q1-Q2 Q2 Q2 高温热库T1 低温热库T2 A=Q1-Q2 1.违背了热力学第二定律的克劳修斯叙述，也就违背了开尔文叙述。 热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述实质上是等效的。 两种表述的等价性 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 高温热库T1 低温热库T2 A Q1 2.违背了热力学第二定律的开尔文叙述，也就违背了克劳修叙述。 Q2 Q1＋Q2 高温热库T1 低温热库T2 Q2 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 解：假设两条绝热线I与II在p-V图上相交于一点A，如图所示。现在在图上画一等温线II，使它与两条绝热线组成一个循环。这个循环只有一个单热源，它把吸收的热量全部转变为功即＝100％，并使周围没有变化。显然这是违反热力学第二定律的，因此两条绝热线不能相交。 例题 试证在p-V 图上两条绝热线不能相交。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ p V A 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 可逆过程：系统状态变化过程中,逆过程能重复正过程的每一个状态,且不引起其他变化的过程。 在热力学中，过程可逆与否与系统所经历的中间状态是否为平衡状态有关。 实现的条件：过程无限缓慢，没有耗散力作功。 不可逆过程：在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一个状态的过程。 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 b.不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可 逆的原因，只有当过程中的每一步，系统都无 限接近平衡态，而且没有摩擦等耗散因素时， 过程才是可逆的。 c.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。 a.自然界中一切自发过程都是不可逆过程。 讨论： 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 (1) 在温度为 的高温热源和温度为 的低温热源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作物质无关，其效率为: (2) 在温度为 的高温热源和温度为 的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆热机的效率。 卡诺定理指出了提高热机效率的途径： a. 使热机尽量接近可逆机； b. 尽量提高两热源的温度差。 卡 诺 卡诺定理 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 （1）在温度为 的高温热源和温度为 的低温热源之间工作的一切可逆热机，效率都相等，而与工作物质无关，其效率为： 可逆热机E’ 卡诺热机E 工作在相同的高低温热源 T1、T2 间的卡诺热机E与可逆热机E’ , 设法使之做相等的功 A 而连接起来。它们的效率分别为： 卡诺定理的证明 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 用反证法，假设 得到 两部热机一起工作，成为一部复合机，结果外界不对复合机作功，而复合机却将热量 从低温热源送到高温热源，违反热力学第二定律。 所以 不可能，即 反之可证 不可能，即 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 $