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(四)循環過程和卡諾循環

循環過程是系統(如熱機中的工作物質)經一系列變化后又回到初態的整個過程叫循環過程。這里提到的循環過程都是平衡過程,在p-v圖上循環過程對應一條帶箭頭的封閉曲線,如圖11

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循環分為正循環與逆循環。正循環是順時針繞向的封閉曲線,伴隨著熱量從高溫源傳向低溫源,工作物質不斷的把熱轉變成功的過程,。逆循環為逆時針繞向的封閉曲線,外界對系統作功,工作物質不斷將熱量從低溫熱源傳向高溫熱源的過程。

1)特征:始末狀態相同。可以得知完成一個循環,系統的內能不發生變化。

因此熱力學第一定律形式:q=a

q表示循環過程中凈吸收的熱量,即每個階段的吸熱量的代數和。

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q=q=總吸熱-總放熱

a稱為凈功,表示循環過程中各分過程對外作功的代數和。p-v圖上,其值等于循環曲線所圍面積。

2)熱機:屬于正循環。

熱機效率:

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          (1.25)

式中q1為循環過程中吸收熱量的總合;q2為循環過程中放出熱量的總和(取絕對值)。

3)制冷機:屬逆循環。外界對系統作的凈功anet與系統從低溫熱源吸收的熱量q2之和等于系統向高溫熱源放出的熱量q1

制冷系數

             (1.26)

2.卡諾循環由兩個絕熱過程和兩個等溫過程組成,工作物質只與兩個恒溫熱源交換熱量,準靜態、無摩擦的理想循環。

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諾熱機循環的效率                    (1.27)

t1表示高溫熱源溫度,t2表示低溫熱源溫度。

(五) 熱力學第二定律及其統計意義

1.開爾文表述:不可能找到將熱量全部轉變為功的循環過程

2.克勞修斯表述:熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體。

熱力學第二定律的統計意義:一個不受外界影響的孤立系統,其內部發生的過程,總是由概率小的狀態向概率大的狀態進行;由包含微觀狀態數少的宏觀狀態向包含微觀狀態數多的宏觀狀態進行。熱力學第二定律的實質就是指出一切自發過程進行的不可逆性,即自發過程的單向性。

(六)可逆過程和不可逆過程

某過程使得物體(系統)從狀態a變化到狀態b,如果存在另一個過程,它不僅能使得物體(系統)進行反向變化,從狀態b回復到狀態a,而且當物體回復到狀態a時,周圍一切也都各自回復原狀,則從狀態a進行到狀態b的過程是可逆過程(例如準靜態、無摩擦的過程)。

不可逆過程是其結果不能完全被消除的過程。例如:摩擦生熱,有限溫差熱傳導,氣體自由膨脹等。

注意:(1)自然界一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。

2)不平衡和耗散等因素的存在,是導致過程不可逆的原因。只有當過程中每一步,系統都無限接近于平衡態,且無摩擦等耗散因素時,過程才是可逆的。

3不可逆過程,并不是不能在反方向進行的過程,而是當逆過程完成后,對外界的影響不能消除。

4自然的宏觀過程的不可逆性相互依存。一種實際過程的不可逆性保證了另一種過程的不可逆性。反之,如果一種實際過程的不可逆性消失了,則其它實際過程的不可逆性也就隨之消失了

(5) 功可以全部轉化為熱量,但熱不能通過一個循環全部變為功。

(七)卡諾定理

1)在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機,其效率都相等,與工作物質無關;

2)在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機,其效率不可能大于可逆熱機的效率。

小結:大體上概括起來包括熱力學第一定律以及熱力學第二定律兩部分,對于熱力學第一定律,主要是應用。例如四個典型熱力學過程以及循環熱力學過程中,利用熱一律分析熱量變化,做功,內能改變量等,并由此衍生出熱容,熱機,制冷機,制冷系數,熱機效率等概念。熱力學第二定律是描述過程變化方向性的,可逆與不可逆過程實質也是描述方向性的。

相關練習

(一)歷年真題

d

 

a 看似符合熱力學第二定律的開爾文描述,但要注意這里并沒提及是循環過程,例如等溫膨脹過程,可以將熱量全部轉換為功,

ba類似,有點兒像熱力學第二定律的克勞修斯表述,但缺少了 自發 這兩個字,通過外界做功,熱量是可以從低溫傳到高溫物體的,例如冰箱的制冷就是如此。

c不可逆是指 不可逆過程是其結果不能完全被消除,而不是不能反向進行。例如自由膨脹后總是可以再被壓縮回去,只不過實現它需要一部分將一部分功轉化為熱量。

 

 

 

 

該題注意符合規定。

4. “理想氣體和單一熱源接觸做等溫膨脹時,吸收的熱量全部用來對外做功。”對此說法,有如下幾種討論,哪種是正確的:

a)不違反熱力學第一定律,但違反熱力學第二定律

b)不違反熱力學第二定律,但違反熱力學第一定律

c)不違反熱力學第一定律,也不違反熱力學第二定律

d)違反熱力學第一定律,也違反熱力學第二定律

c,熱力學第一定律是能量守恒定律,吸收熱量全部用來做功是滿足能量守恒的。等溫膨脹時,氣體內能不變,吸收的能量完全用來對外做功是完全可以實現的。熱力學第二定律提到的熱量不能完全轉化為功的前提是針對循環過程。