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(四)循環(huán)過程和卡諾循環(huán)

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

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循環(huán)分為正循環(huán)與逆循環(huán)。正循環(huán)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(zhì)不斷的把熱轉變成功的過程,。逆循環(huán)為逆時針繞向的封閉曲線,外界對系統(tǒng)作功,工作物質(zhì)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(tài)相同??梢缘弥瓿梢粋€循環(huán),系統(tǒng)的內(nèi)能不發(fā)生變化。

因此熱力學第一定律形式:q=a

q表示循環(huán)過程中凈吸收的熱量,即每個階段的吸熱量的代數(shù)和。

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q=q=總吸熱-總放熱

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

2)熱機:屬于正循環(huán)。

熱機效率:

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          (1.25)

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

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

制冷系數(shù)

             (1.26)

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

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諾熱機循環(huán)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(tǒng)計意義

1.開爾文表述:不可能找到將熱量全部轉變?yōu)楣Φ?u>循環(huán)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(tǒng)計意義:一個不受外界影響的孤立系統(tǒng),其內(nèi)部發(fā)生的過程,總是由概率小的狀態(tài)向概率大的狀態(tài)進行;由包含微觀狀態(tài)數(shù)少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)多的宏觀狀態(tài)進行。熱力學第二定律的實質(zhì)就是指出一切自發(fā)過程進行的不可逆性,即自發(fā)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(tǒng))從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,如果存在另一個過程,它不僅能使得物體(系統(tǒng))進行反向變化,從狀態(tài)b回復到狀態(tài)a,而且當物體回復到狀態(tài)a時,周圍一切也都各自回復原狀,則從狀態(tài)a進行到狀態(tài)b的過程是可逆過程(例如準靜態(tài)、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(xiàn)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(tǒng)都無限接近于平衡態(tài),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(huán)全部變?yōu)楣Α?/span>

(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(zhì)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(huán)熱力學過程中,利用熱一律分析熱量變化,做功,內(nèi)能改變量等,并由此衍生出熱容,熱機,制冷機,制冷系數(shù),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(zhì)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(huán)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(fā) 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(xiàn)它需要一部分將一部分功轉化為熱量。

 

 

 

 

該題注意符合規(guī)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?!睂Υ苏f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(nèi)能不變,吸收的能量完全用來對外做功是完全可以實現(xiàn)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(huán)過程。