第11篇 大学物理热力学基础.ppt

关于“热寂说” “热寂说”是19世纪中期英国物理学家开尔文和德国物理学家克劳修斯根据热力学第二定律所作的宇宙学推论。该理论认为，整个宇宙是朝着单一的方向变化的，宇宙中一切机械的、物理的、化学的、电磁的、生命的等等各种能量，最终将全部转化为热能。而热又总是自发地从高温部分流向低温部分，直至到达温度处处相等的热平衡状态为止。按照克劳修斯的说法，“宇宙的熵趋向于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，进一步变化的能力就越小；如果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”。 ??? “热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。由于涉及到宇宙未来和人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。 绝处逢生：膨胀的宇宙不会“热寂” 20世纪六七十年代以后，自从“大爆炸”宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来，“热寂”说这朵漂浮在物理学上空的“乌云”逐渐云开雾散，人类曾一度阴霾笼罩的心头终于迎来了一片朗朗晴空。 “山重水复疑无路，柳暗花明又一村”…… 该理论认为，宇宙大约是在100—200亿年以前，从高温高密的物质与能量的“大爆炸”而形成。随着宇宙的不断膨胀，其中的温度不断降低，物质密度也不断减小，逐渐衍生成众多的星系、星体、行星等，直至出现生命。宇宙大爆炸理论是20世纪科学研究的重大成就，是基于几十年的创新实验与理论研究的结果。因而获得了科学界的公认，并成为现代宇宙学的标准模型。 “大爆炸”宇宙模型 例题解析 热力学基础 例题解析： 1、如图示，1mol氦气，由状态 沿直线变到状态 ，求这过程中内能的变化，吸收的热量，对外作的功？ 【解】:1mol氦气的内能为： 从状态A到状态B,内能增量为: 对外作的功为曲线下的面积: 由热力学第一定律,此过程中吸收的热量为: 2、如图示，AB，CD是绝热过程，CEA是等温过程，BED是任意过程，组成一个循环，若图中EDCE所包围面积为70J，EABE所围的面积为30J，CEA过程中系统放热100J，求BED过程中系统吸热为多少？ 【解】:正循环EDCE面积为70J，表对外作正功。 逆循环EABE面积为30J，表对外作负功。 整个循环对外作功为： * 三、卡诺循环及其效率 卡诺循环 卡诺循环能流图 卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程构成的理想化循环。 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环—卡诺循环. 给出了热机效率的理论极限值; 他还提出了著名的卡诺定理. 1 2 3 4 A 绝热 绝热 等温T1 等温T2 低温热源 高温热源 卡诺热机 2 3 4 1 等温T1 等温T2 绝热 绝热 V1 V4 V3 V2 P V 1、4两点在同一绝热线上, 2、3两点在同一绝热线上, 有 由绝热方程： 卡 诺 （法国人、 1796-1832） 1→2 等温膨胀过程，吸热 Q1 = A= ?RT1 ln(V2/V1) 于是,由 3→4 等温压缩过程，放热的大小为 得 2 3 4 1 等温T1 等温T2 绝热 绝热 V1 V4 V3 V2 P V Q2 = ?RT2 ln(V3/V4) 再由： 再由 卡诺热机循环效率: 卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 . A 1 2 3 4 高温热源 低温热源 卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环） 卡诺致冷机致冷系数 卡诺制冷系数 wC 是工作在 之间的所有致冷循环中最高的。 2 3 4 1 等温T1 等温T2 绝热 绝热 V1 V4 V3 V2 P V 逆卡诺循环 A 疑问：由热力学第一定律，循环过程中 如果 相当于把吸收的热量全作功，从能量转换看不违反热力学第一定律 ，但为什么实际做不到？ 说明: 必然还有一个独立于热力学第一定律的定律存在，这就是热力学第二定律,它制约着热功转换的效率。 §11.5 热力学第二定律（ Second law of thermodynamics ） 热力学第二定律是关于自然过程方向的一 一. 热力学第二定律的两种表述 1.开氏表述（Kelvin， 1851） 条基本的、普遍的定律。 “不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响” 开尔文 （Kelvin, 1851） 其唯一效果是热量全部转变为功的过程是不可能的。 A = Q Q T 第二类永动机 开氏另一种表述