1、一、绝热过程,系统不与外界交换热量的过程。,绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。,绝热方程,气体绝热自由膨胀,Q=0， W=0，E=0,4-5 理想气体的绝热过程,绝热线与等温线比较,膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快,等温线,绝热线,绝热线比等温线更陡。,物理意义(原因)：对于相同体积变化，等温膨胀过程中系统的压强 P 的下降完全由系统密度的减小引起；对于绝热膨胀过程，系统压强的下降由密度的减小和温度的降低共同产生。因此绝热过程中压强的变化快于等温过程。,膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快。为什么？,二、绝热方程的推导（了解）,联立消去dT,例:1mol单原子理想气体,由
2、状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大一倍，再等容加热至压力增大一倍，最后再经绝热膨胀，使其温度降至初始温度。如图，试求： （ 1）状态d的体积Vd；（2）整个过程对外所作的功;（3）整个过程吸收的热量。,解：（1）根据题意,又根据物态方程,再根据绝热方程,（2）先求各分过程的功,（3）计算整个过程吸收的总热量有两种方法,方法一：根据整个过程吸收的总热量等于各分过程吸收热量的和。,方法二：对abcd整个过程应用热力学第一定律：,例:某理想气体的p-V关系如图所示，由初态a经准静态过程直线ab变到终态b。已知该理想气体的定体摩尔热容量CV=3R，求该理想气体在ab过程中的摩尔热容量。,解：ab
3、过程方程为,设该过程的摩尔热容量为Cm,练习1. 一定量的理想气体从体积 V1 膨胀到体积 V2 分别经历的过程是：AB 等压过程； AC 等温过程； AD 绝热过程,其中吸热最多的过程。,（A）是 A B ； （B）是 A C ; （C）是 A D ； （D）既是 A B 也 是 A C,两过程吸热 一样多。,练习2.一定量的理想气体，经历某过程后，它的温度升高了则根据热力学定律可以断定： （1）该理想气体系统在此过程中吸了热 （2）在此过程中外界对该理想气体系统作了正功 （3）该理想气体系统的内能增加了 （4）在此过程中理想气体系统既从外界吸了热，又对外作了正功 以上正确的断言是：,(A)
4、 (1)、(3). (B) (2)、(3). (C) (3). (D) (3)、(4). (E) (4).,练习3.温度为 25C、压强为 1 atm 的 1 mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀至原来的3倍 (1)计算这个过程中气体对外的功. (2)假设气体经绝热过程体积膨胀至原来的3倍,那么气体对外做的功又是多少?,解：（1）等温过程气体对外作功为,（2）绝热过程气体对外作功,练习4.一定质量的理想气体,由状态a经b到达c,（如图,abc为一直线）求此过程中。 （1）气体对外做的功； （2）气体内能的增加； （3）气体吸收的热量； (1atm=1.013105Pa).,1.
5、循环过程,系统由某一状态出发，经过任意一系列的状态，最后又回到原来状态的过程。E = 0。,2. 准静态循环过程,只有准静态过程在P-V图上有对应的过程曲线。准静态循环过程对应于P-V图上一封闭的曲线。,3. 正循环与逆循环,正循环在P-V图上按顺时针方向进行的循环。,逆循环在P-V图上按逆时针方向进行的循环。,4-6 循环过程,对如图示的正循环，由12的膨胀过程中系统对外作正功,4. 正循环过程的功能转换,由2 1的压缩过程中系统对外作负功,正循环过程中，系统对外作的总功（净功）为：,可见，正循环过程中系统对外作正功。,由12的膨胀过程中系统从高温热源（外界）吸热Q1。,由2 1的压缩过程中
6、系统向低温热源（外界）放热Q2。,正循环过程中，系统从外界吸收的总热量（净热）为：Q1-Q2。,由热力学第一定律，,由此可见，在正循环过程中，系统从高温热源吸收的热量部分用于对外作功，部分在低温热源处放出。,5. 逆循环过程的功能转换,系统对外作的净功 A= - A1+A20 即外界对系统作功。,系统从外界吸收的净热 Q= - Q1+Q20 即系统向外（高温热源）放热。,由热力学第一定律 Q=A0， Q1=Q2-A,由此可见，在逆循环过程中，外界对系统作功，把热量由低温热源传递到高温热源。,1. 热机,工作物质作正循环的机器。或者说是把热能转换成机械能的装置。如蒸汽机、汽车发动机等。,2. 致
7、冷机,工作物质作逆循环的机器。通过外界对系统作功将系统由低温源吸收的热量传递到高温源，从而使低温源温度降低。如电冰箱、空调等。,3. 热机效率,热机把吸收来的热量转换为有用功的能力。,4.致冷系数,外界做一定的功时，从低温热源吸取热量的能力。,例 1mol氧气作如图所示的循环.求循环效率.,解:,例：奥托（Otto）机是德国物理学家奥托发明的一种热机，以其原理制造的发动机现仍在使用。Otto机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构成。 证明：热机效率为,证明：,2-3为等容吸热过程,4-1为等容放热过程,热机效率,3-4为绝热膨胀过程,1-2为绝热压缩过程,证毕,例：一热机以1mol双原子分子
8、气体为工作物质，循环曲线如图所示，其中AB为等温过程，TA=1300K，TC=300K。 求.各过程的内能增量、功、和热量；,.热机效率。,解： A-B为等温膨胀过程,吸热,B-C为等压压缩过程,放热,或由热力学第一定律,C-A为等容升压过程,吸热,.热机效率,4-7 自然（宏观）过程的方向性,对于孤立系统，从非平衡态向平衡态过渡是自动进行的，这样的过程叫自然过程。 具有确定的方向性。,(1)功变热是自动地进行的。功热转换的过程是有方向性的。,(2)热量是自动地从高温物体传到低温物体。热传递过程是有方向性的。,(3)气体自动地向真空膨胀。气体自由膨胀过程是有方向性的。,可逆过程和不可逆过程,可
9、逆过程: 在系统状态变化过程中,逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化.,不可逆过程: 在不引起其他变化的条件下 , 不能使逆过程重复正过程的每一状态 , 或者虽然重复但必然会引起其他变化.,注意：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。,一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的。,练习6.一定量某理想气体所经历的循环过程是：从初态（V0，T0）开始，先经绝热膨胀使其体积增大 1 倍，再经等容升温回复到初态温度 T0，最后经等温过程使其体积回复为 V0，则气体在此循环过程中：,（A）对外作的净功为正值； （B）对外作的
10、净功为负值； （C）内能增加了； （D）从外界吸收的净热量为正值。,整个过程内能无变化，所以逆循环对外净功为负，并放出热量,练习7.一定的理想气体,分别经历了上图的 abc 的过程,（上图中虚线为 ac 等温线）,和下图的 def 过程（下图中虚线 df 为绝热线）,判断这两个过程是吸热还是放热。,（A）abc 过程吸热, def 过程放热； （B）abc 过程放热, def 过程吸热； （C）abc 过程和 def 过程都吸热； （D）abc 过程和 def 过程都放热。,上图：a、c两态内能相等，作正功，所以吸收热量。,下图：d-e-f-d循环过程内能变化为0，对外作负功，整个过程放出的热
11、量即为d-e-f过程放出的热量。,练习8.如图示，有一定量的理想气体，从初状态 a（P1,V1）开始，经过一个等容过程达到压强为 P1/4 的 b 态，再经过一个等压过程达到状态 c ,最后经等温过程而完成一个循环，求该循环过程中系统对外作的功 A 和净吸热量 Q。,解：设状态 C 的体积为 V2，则由 a、c 两状态的温度相同，故有,又：循环过程,而在 ab 等容过程中功,在 bc 等压过程中功,在 ca 的过程,在整个循环过程系统对外作的功和吸收的热量为,负号说明外界对系统作 功、系统对外放热。,热力学第一定律阐明了热力学过程必须满足能量守恒定律。那么，满足热力学第一定律的过程是否都能实现
12、呢？这是19世纪初期面临的问题。热机的效率为1（把单一热源吸收的热量自动全部转化为对外的功）、制冷机的制冷系数为无限大（从低温热源吸收的热量自动传递到高温热源）、混合气体自动分离等热力学过程并不违背热力学第一定律，但实际上是不可能发生的。可见，自然界中凡是与热现象有关的宏观热力学过程具有方向性。,热力学第二定律是在大量实践基础上总结出来的、阐述热力学过程进行的方向和限度的规律。,4-8 热力学第二定律及其统计意义,一、热机的效率与第二定律的Kelvin表述,1. 热机的效率,如果Q2等于0,=1,热机从单一热源吸收热量,并将其全部转化为对外的功.实践表明，不可能制成这样的机械。,2. 第二定律
13、的Kelvin表述,内容：不可能从单一热源吸收热量使之 全部转化为有用的功而不产生其 它影响。,或：不可能把单一热源吸收热量自动 全部转化为有用的功。,开尔文,说明：,“单一热源”：温度均匀且恒定不变的热源。,“其它影响”：指除了由单一热源吸收热量，把所吸收的热量全部用来作功以外的任何其它影响（变化）。,如：理想气体等温膨胀，E=0，Q=A，即吸收的热量全部用来对外作功，但却产生了其它影响气体的体积膨胀了，且这一过程不可能构成循环。,3. Kelvin表述的另一形式,第二类永动机是不可能制成的。,20世纪40年代，有人估计将海水降低 0.1C，所获得的能量可使全世界的工厂开动1700年。,第二
14、定律的Kelvin表述表明，功可以自动全部转化为热量，而热量不可能自动全部转化为功。,二、制冷机的制冷系数与第二定律的Clausius表述,1. 制冷机的制冷系数,如果A =0, e ,制冷机通过循环，把热量由低温热源传到高温热源而不引起其它影响。这样的机械也是不可能制成的。,2. 第二定律的Clausius表述,内容：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引 起其它变化。,或：热量不可能自动地由低温物体传到高温物体。,说明：,“其它影响”、“自动”：指除了把单一热源吸收热量传到高温热源以外的任何其它影响（变化）,第二定律的Clausius表述表明，热量可以自动由高温物体传到低温物体，但不能自
15、动由低温物体传到高温物体。,热力学第二定律的Kelvin表述和Clausius表述表明，自然界中自发进行的宏观过程具有方向性。,热力学第二定律的两种表述是等价的,具体可用反证法，由一种表述不成立可以导出另一表述不成立。（不做要求）,三、 热力学第二定律的实质,自然界中自发进行的、与热现象有关的宏观过程都是不可逆过程，且各种不可逆过程是相互关联的，由某一过程的不可逆性可以导出另一过程的不可逆性。任一不可逆过程都可作为热力学第二定律表述的基础。Kelvin表述和Clausius表述不过是对两个特别的不可逆过程提出的。,四、热力学第二定律的微观意义,系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化,大
16、量分子从无序程度较小（或有序）的运动状态向无序程度大（或无序）的运动状态转化,热力学第二定律的微观意义： 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,注意：热力学第二定律是一统计规律，只适用于由大量分子构成的热力学系统。,多方过程,气体的许多过程，即不是等值过程，也不是绝热过程，其压力和体积的关系满足如下关系,n 称为多方指数，这类过程称为多方过程。,作功,对一摩尔气体,dQ=dE+PdV dE=CVdT,利用多方方程和状态方程：,故：,为一常数,n=0，Cm=Cp， 等压过程；n=1，Cm=， 等温过程;,n=，Cm=0， 绝热过程；n= ，Cm=CV， 等体过程;,讨论,定义 为多方过程的摩尔热容，则,
