（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。

圖  11

              

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(zhuǎn)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。可以得知完成一個循環(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_凈=a_凈

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

圖12

q_凈=∑q=總吸熱-總放熱

a_凈稱為凈功，表示循環(huán)過程中各分過程對外作功的代數(shù)和。在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：

圖 12

          (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a_net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)。

圖13

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(zhuǎn)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(jié)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)；

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(jié)：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。

二 相關(guān)練習

（一）歷年真題

選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(zhuǎn)換為功,

b與a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(jié)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(zhuǎn)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。”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

選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(zhuǎn)化為功的前提是針對循環(huán)過程。