2023年高中物理竞赛教程热力学第二定律.doc

2 2-3 3 热力学第二定律热力学第二定律 2 23 31 1、卡诺循环、卡诺循环 物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程为循环过程，简称循环。在P-V图上，物质系统的循环过程用一个闭合的曲线表达。经历一个循环，回到初始状态时，内能不变。运用物质系统(称为工作物)连续不断地把热转换为功的装置叫做热机。在循环过程中，使工作物从膨胀作功以后的状态，再回到初始状态，周而复始进行下去，并且必而使工作物在返回初始状态的过程中，外界压缩工作物所作的功少于工作物在膨胀时对外所做的功，这样才干使工作物对外做功。获得低温装置的致冷机也是运用工作物的循环过程来工作的，但是它的运营方向与热机中工作物的循环过程相反。卡诺循环是在两个温度恒定的热源之间工作的循环过程。我们来讨论由平衡过程组成的卡诺循环，工作物与温度为1T的高温热源接触是等温膨胀过程。同样，与温度为2T的低温热源接触而放热是等温压缩过程。由于工作物只与两个热源互换能量，所以当工作物脱离两热源时所进行的过程，必然是绝热的平衡过程。如图 2-3-1 所示，在抱负气体卡诺循环的P-V图上，曲线ab和cd表达温度为1T和2T的两条等温线，曲线bc和da是两条绝热线。我们先讨论以状态a为始点，沿闭合曲线abcda所作的循环过程。在abc的膨胀过程中，气体对外做功1W是曲线abc下面的面积，在cda的压缩过程中，外界对气体做功2W是曲线cda下面的面积。气体对外所做的净功)(21WWW就是闭合曲线abcda所围面积，气体在等温膨胀过程ab中，从高温热源吸热121VVnRTInQ，气体在等温压缩过程cd中，向低温热源放热4322VVInnRTQ。应用绝热方程 132121rrVTVT和142111rrVTVT 得 4312VVVV 所以 1224322VVInnRTVVInnRTQ 2211TQTQ 卡诺热机的效率 1212111TTQQQQW 我们再讨论抱负气体以状态a 为始点，沿闭合曲线 adcba 所分的循环过程。显然，气体将从低温热源吸取热量2Q，又接受外界对气体所作的功W，向高温热源传热21QWQ。由于循环从低温热源吸热，可导致低热源的温度降得更快，这就是致冷机可以致冷的原理。致冷机的功效常用从低温热源中吸热2Q和所消耗的外功 W 的比值来量度，称为致冷系数，即2122QQQWQ，对卡诺致冷机而言，212TTT。有一卡诺致冷机，从温度为-10的冷藏室吸取热量，而向温度为 20的物体放出热量。设该致冷机所耗功率为 15kW，问每分钟从冷藏室吸取的热量是多少？令KT2931，KT2632，则30263212TTT。每分钟作功JW53109601015，所以每分钟从冷藏室中吸热JWQ621089.7。2 23 32 2、热力学第二定律、热力学第二定律 表述 1：不也许制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之所有变为有用的功，而其他物体不发生任何变化。表述 2：热量不也许自动地从低温物体转向高温物体。在表述 1 中，我们要特别注意“循环动作”几个字，假如工作物进行的不是p 1p 2p 3p 4p 0 V1 V4 V2 V3 V T1 T2 a b c d 图 2-3-1 循环过程，如气体作等温膨胀，那么气体只使一个热源冷却作功而不放出热量便是也许的。该叙述反映了热功转换的一种特殊规律，并且表述 1 与表述 2 具有等价性。我们用反证法来证明两者的等价性。假设表述 1 不成立，亦即允许有一循环 E可以从高温热源取得热量1Q，并所有转化为功 W。这样我们再运用一个逆卡诺循环口接受E 所作功 W(=1Q)，使它从低温热源2T取得热量2Q，输出热量21QQ 给高温热源。现在把这两个循环总的当作一部复合致冷机，其总的结果是，外界没有对他做功而它却把热量2Q从低温热源传给了高温热源。这就说明，假如表述 1 不成立，则表述 2也不成立。反之，也可以证明假如表述 2 不成立，则表述 1 也必然不成立。试证明在 P-V 图上两条绝热线不能相交。假定两条绝热线与在 P-V 图上相交于一点 A，如图 2-3-2 所示。现在，在图上再画一等温线，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，它把吸取的热量所有转变为功，即=1，并使周边没有变化。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。2 23 33 3、卡诺定理、卡诺定理 设有一过程，使物体从状态 A 变到状态 B。对它来说，假如存在另一过程，它不仅使物体进行反向变化，从状态 B 回复到状态 A，并且当物体回复到状态 A 时，周边一切也都各自回复到原状，则从状态 A 进行到状态 B 的过程是个可逆过程。反之，如对于某一过程，不管通过如何复杂曲折的方法都不能使物体和外界恢复到本来状态而不引起其他变化，则此过程就是不可逆过程。气体迅速膨胀是不可逆过程。气缸中气体迅速膨胀时，活塞附近气体的压强小于气体内部的压强。设气体内部的压强为 P，气体迅速膨胀微小体积V，则气体所作的功 W，小于pV。然后，将气体压回本来体积，活塞附近气体的压强 p V 图 2-3-2 不能小于气体内部的压强，外界所作的功2W不能小于pV。因此，迅速膨胀后，我们虽然可以将气体压缩，使它回到本来状态，但外界多作功12WW；功将增长气体的内能，而后以热量形式释放。根据热力学第二定律，我们不能通过循环过程再将这部分热量所有变为功；所以气体迅速膨胀的过程是不可逆过程。只有当气体膨胀非常缓慢，活塞附近的压强非常接近于气体内部的压强 p 时，气体膨胀微小体积V所作的功恰好等于 pV，那么我们才干非常缓慢地对气体作功 pV，将气体压回本来体积。所以，只有非常缓慢的亦即平衡的膨胀过程，才是可逆的膨胀过程。同理，只有非常缓慢的亦即平衡的压缩过程，才是可逆的压缩过程。在热力学中，过程的可逆与否和系统所经历的中间状态是否平衡密切相关。实际的一切过程都是不可逆过程。卡诺循环中每个过程都是平衡过程，所以卡诺循环是抱负的可逆循环卡诺定理指出：(1)在同样高温(温度为1T)和低温(温度为2T)之间工作的一切可逆机，不管用什么工作物，效率都等于)1(12TT。(2)在同样高低温度热源之间工作的一切不可逆机的效率，不也许高于可逆机，即 121TT。下面我们给予证明。设高温热源1T，低温热源2T，一卡诺抱负可逆机 E 与另一可逆机E，在此两热源之间工作，设法调节使两热机可作相等的功 W。现使两机结合，由可逆机E从高温热源吸热1Q向低温热源放热WQQ12，其效率1QW。可逆机E所作功W 恰好提供应卡诺机 E，而使 E 逆向进行，从低温热源吸热WQQ12，向高温热源放热1Q，其效率为1QW。我们用反证法，先设。由此得1Q1Q，即2Q2Q。当两机一起运营时，视他们为一部复合机，结果成为外界没有对这复合机作功，而复合机却能将热量1122QQQQ从低温热源送至高温热源，违反了热力学第二定律。所以不也许。反之，使卡诺机 E 正向运营，而使可逆机E逆行运营，则又可证明为不也许，即只有=才成立，也就是说在相同的1T和2T两温度的高低温热源间工作的一切可逆机，其效率均为121TT。假如用一台不可逆机E 来代替上面所说的E。按同样方法可以证明 为不也许，即只有。由于E 是不可逆机，因此无法证明。所以结论是，即在相同1T和2T的两温度的高低温热源间工作的不可逆机，它的效率不也许大于可逆机的效率。2 23 34 4、热力学第二定律的记录意义、热力学第二定律的记录意义 对于热量传递，我们知道，高温物体分子的平均动能比低温物体分子的平均动能要大，两物体相接触时，能量从高温物体传到低温物体的概率显然比反向传递的概率大得多。对于热功转换，功转化为热是在外力作用下宏观物体的有规则定向运动转变为分子无规则运动的过程，这种转换的概率大，反之，热转化为功则是分子的无规则运动转变为宏观物体的有规则运动的过程，这种转化的概率小。所以，热力学第二定律在本质上是一条记录性的规律。一般说来，一个不受外界影响的封闭系统，其内部发生的过程，总是由概率小的状态向概率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行，这是热力学第二定律记录意义之所在。例 1、某空调器按可逆卡诺循环运转，其中的作功装置连续工作时所提供的功率0P。(1)夏天室外温度恒为1T，启动空调器连续工作，最后可将室温降至恒定的2T。室外通过热传导在单位时间内向室内传输的热量正比于(21TT)(牛顿冷切定律)，比例系数 A。试用1T，0P和 A 来表达2T(2)当室外温度为 30时，若这台空调只有 30%的时间处在工作状态，室温可维持在 20。试问室外温度最高为多少时，用此空调器仍可使室温维持在 20。(3)冬天，可将空调器吸热、放热反向。试问室外温度最低为多少时，用此空调器可使室温维持在 20。分析：分析：夏天，空调机为制冷机，作逆向卡诺循环，从室内吸热，向室外放热，对工作物质作功。为保持室温恒定，空调器从室内吸热等于室外向室内通过热传导传输的热量。冬天刚好相反，空调器为热机，作顺向卡诺循环，从室外吸热，向室内放热。为保持室温恒定，空调器向室内的放热应等于室内向室外通过热传导传输的热量。解解：(1)夏天，空调器为制冷机，单位时间从室内吸热2Q，向室外放热1Q，空调器的平均功率为 P，则PQQ21。对可逆卡诺循环，则有2211TQTQ，PTTTQ2122。通过热传导传热)(21TTAQ，由2QQ 得 221TAPTT APTAPAPTT12124)(21 因空调器连续工作，式中 0PP，ATPAPAPTT10200124)(21(2)KT2931，03.0 PP，KT3031，而所求的是0PP 时相应的1T值，记为max1T，则 20213.0TAPTT 202max1TAPTT 解得CKTTTT26.3826.311)(3.0212max1。(3)冬天，空调器为热机，单位时间从室外吸热1Q，向室内放热2Q，空调器连续工作，功率为0P，有012PQQ，2211TQTQ，由热平衡方程得：012212)(PTTTTTA KTTTTTTAPTT74.2742)(max122max122021=C74.1 若空调器连续工作，则当冬天室外温度最低为 1.74，仍可使室内维持在 20。