同学们好！
大学物理
第 2页 共 40页
第四节 循环过程 卡诺循环
热力学,紧密围绕 热机 的研究和应用 ——工作物质
重复进行某些过程，不断吸热做功。
一、循环过程
1,定义,系统经历一系列变化后又回到初始状态的整
个过程叫循环过程。
准静态循环过程, 相图中的闭合曲线
顺时针,正循环
逆时针,逆循环
O
p
V
正 逆
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第 3页 共 40页
2,共同特征
0??E 热力学第一定律,
净净 AQ ?
3,正循环及其效率
从外界吸热 —对外做功
热机的循环,
O
p
V
正 a
b
c
d
V1 V2
正
功 负功
净功
A
T1
T2
特征,
0?? 净净 AQ
大学物理
第 4页 共 40页
实例,蒸汽机的循环
21 AAA ??净
21 QQQ ??净
效率,
1
2
1
21
1
Q
Q
Q
QQ
Q
A
??
?
?
?
吸
净
?
Q1
Q2
A1 A2
大学物理
第 5页 共 40页
热机的能量转换,
从高温热源吸热
（可能不止一个）
1Q
向低温热源放热
2Q
（可能不止一个）
对外做功
21 QQQA ??? 净净
效果
代价
热机效率,
1
2
1
21 1
Q
Q
Q
QQ
Q
A
?????
吸
净?
大学物理
第 6页 共 40页
4,逆循环及致冷系数
外界对系统做功 ——
系统向外界放热
致冷机的循环,
O
p
V
逆 a
b
c
V1 V2
净功
d
T1
T2
Q1
Q2
A=Q1-Q2 特点,0??
净净 AQ
大学物理
第 7页 共 40页
能量转换,
从低温热源吸热 2Q （效果）
外界对系统做功 A （代价）
向高温热源放热
AQQ ?? 21
致冷系数,
A
Qw 2?
注意,这里的 Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热
量 —— 衡量致冷的效力
Q1
2Q
A
实例,电冰箱
大学物理
第 8页 共 40页
介绍, 空调机的循环 — 致冷机与热泵原理的结合
季节 作用 低温热源 高温热源 效果
夏天
冬天
冷泵（ A)
热泵（ A)
房间 )( 2Q
大气 )(
2Q
大气 )(
1Q
房间 )(
1Q
室内降温
（对房间致冷）
室内升温
(对大气致冷 )
A
Q2 Q
1
夏天
A Q2 Q1 冬天
压缩机作功,吸热传向高温热源
大学物理
第 9页 共 40页
1.研究循环过程的理想模型 —— 卡诺循环
循环图形看似简单，实际上复杂，要无穷多个热源才
能得以实现。
二、卡诺循环
卡诺,具有科学家素质的工程师。
,为了最完整地研究 由热得到动力的道理,必须不依赖于任
何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅
适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它
们用的什么物质，也不管它们如何动作。”
思考, 试设想最简单的循环模型
是否最简单？
p p
V V O O
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第 10页 共 40页
卡诺循环,工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环
卡诺正循环 或 卡诺逆循环
1) 与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）
2) 不与其他热源交换能量（两个绝热过程）
如何在 p–V 图中表示？
特点
简单,只需要
两个热源
重要,可以组
成任何一种循
环
绝热 绝热
大学物理
第 11页 共 40页
高温 T1
低温 T2
Q1
Q2 A = Q1 -Q2
卡诺循环过程,
吸热从等温膨胀 1TBA ?
放热向等温压缩 2TDC ?
对外作功，内能降低绝热膨胀CB ?
外界作功，内能升高绝热压缩AD ?
例如
正循环
绝热 绝热
大学物理
第 12页 共 40页
2,理想气体的卡诺循环
1) 正循环效率
等温过程,
1
2
111 ln21 V
VRTMAQ
????
绝热过程,
13212132 ?? ?? rr VTVT
14211114 ?? ?? rr VTVT
4
3
1
2
V
V
V
V ?
p
O V
p
21 TT ?
2T
1
2
3
4
4
3
22 ln||43 V
VRTMQ
???
大学物理
第 13页 共 40页
1
2
1
21
1
2
1
4
3
2
1
2
1
1
21 1
ln
lnln
||
T
T
T
TT
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
Q
QQ
??
?
?
?
?
?
?
?
??
?
1
21
T
T???
决定仅由 21,TT?
1021 ???? ?TT
21,TT 降低途径，升高提高 ?
大学物理
第 14页 共 40页
等温过程,
1
2
111 ln12 V
VRTMAQ
????
4
3
22 ln34 V
VRTMQ
???
绝热过程,13212123 ?? ?? rr VTVT
14211141 ?? ?? rr VTVT 4
3
1
2
V
V
V
V ?
2) 逆循环致冷系数
p
O V
p
21 TT ?
2T
1
2
3
4
高温 T1
低温 T2
Q2
A
Q1= A+ Q2
大学物理
第 15页 共 40页
21
2
TT
Tw
?
?
就要消耗更多的功。
源中吸热要从温度越低的低温热,:,2 ?? wT
4
3
2
1
2
1
4
3
2
21
22
lnln
ln
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
QQ
Q
A
Q
w
??
?
?
?
?
??
大学物理
第 16页 共 40页
注意
A
Q
w
Q
Q
Q
A
2
1
2
1
?
???
吸
净
?
对一切循环适用
21
2
1
2
1
TT
T
w
T
T
?
?
???
只对卡诺循环适用
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第 17页 共 40页
三、实际技术中的典型循环
1,汽油机
奥托循环
1
1
1
2 11)(11
?
? ????
?
???
r
r
bc
ad
V
V
TT
TT
?? 2
1
V
V?? 压缩比
绝热压缩ba ?
电点火cb ?
等体升压
绝热膨胀dc ?
等体放热ad ?1V
2V
V
p
o
a
b
c
d
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第 18页 共 40页
2,柴油机
狄塞尔循环 -- 船舶、拖拉机等使用的四冲程循环
两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程。
)1()(
1)(
1
2
31
2
1
2
3
?
?
??
?
V
V
V
V
V
V
?
?
?
?
绝热压缩ba ?
喷油、燃烧cb ?
等压膨胀
绝热膨胀dc ?
等体放热ad ?
a
d
cb
Vo
p
1V3V2V
教材 P.218(P.655)
大学物理
第 19页 共 40页
3,斯特林循环
多用于致冷机
自学, P.232 8-17(P.658 例 4)
的推导过程和 w?
两个等温过程
两个等体过程
21
2
TT
T
w
?
?
1V2V
V
p
O
1T
2T
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第 20页 共 40页
4,燃气涡轮机的循环
0d21 ?? p
)( 12 TTCMQ p ?? ?吸
0d32 ?? Q
1
13
1
22
???? ? ???? pTpT
0d43 ?? p )( 34 TTCMQ p ??
?放
0d14 ?? Q 121114 ???? ? ???? pTpT
吸
放
Q
Q
?? 1?
12
431
TT
TT
?
??? ?
??
??
1
1
2 )(1
p
p P.232 8-16
大学物理
第 21页 共 40页
答案, （ 4）正确
练习 1
一卡诺机进行如图两个循环,下列表述正确的是,
（ 1） 2121 AA ?? ??
（ 2）
2121 AA ?? ??
（ 3） 2121 AA ?? ??
（ 4） 2121 AA ?? ??
c?
c?
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第 22页 共 40页
将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在
T = 300K的室内。制一盘 -13o的冰需要从冻室取出
2.09?105J热量，设取热速率为 2.09?102J·s -1,求做一
盘冰所需的功、时间和所要求的电功率各为多少？
练习 2
解：致冷系数
5.6
260300
260
21
2 ?
?
?
?
?
TT
Tw
J1009.2 52 ??Q J1022.3J
5.6
1009.2 452 ?????
w
QA
m i n7.16s10s
1009.2
1009.2 3
2
5
2 ??
?
???
q
Qt
W2.32W10 1022.3 3
4
???? tAP
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第 23页 共 40页
练习 3
已知, 环双原子分子气体如图循m o l1
为直线2145 ?? ??
1312 82
13,32
VVTT ??
?? 为等温线为绝热线
求, ? QEA,,?各过程
?
?
o
p
2p
1p
2V1V 3V
V?)
2
5( RC
V ?已知
大学物理
第 24页 共 40页
解,1 - 2
111
121
2
5
)2(
2
5
)(
RTTTR
TTC
M
E
V
???
???
?
112
11221
2
1
)(
2
1
)(
2
1
RTTTR
VpVpA
???
??
11 3 RTEAQ ????
2 - 3 0
2 ?Q绝热膨胀
111232 2
5)2(
2
5)( RTTTRTTCE
V ???????
122 2
5 RTEA ????
p
2p
1p
2V1V 3V
V?o
大学物理
第 25页 共 40页
%7.30308.21||1
1
3 ?????
Q
Q?
11
3
1
13
08.2
8
1
ln
ln
RTRT
V
V
RTA
???
?
133 08.2 RTAQ ???
03 ??E
3 – 1 等温压缩 p
2p
1p
2V1V 3V
V?o
大学物理
第 26页 共 40页
第五节 热力学第二定律
热力学第一定律,能量转换和守恒定律
凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生。
——第一类永动机不可能成功！
是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？
功热转换
热传导
扩散 …..,
能量转换有一定方向和限度
热力学第二定律,描述自然界能量转换的方向和限度。
用否定形式表述
表述方式多样
反证法
统计意义
…..,
特征
大学物理
第 27页 共 40页
一、热力学第二定律的两种典型表述及其等效性
1.开尔文表述 (K)
从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向
和限度,
* 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用
功 而不产生其他影响 。
或,
* 惟一效果是热全部转换为功的过程是不可能实现的。
* 单热源热机是不可能制成的。 T
Q
A 是不可能制造成功的。
第二类永动机 )1( ??
*
大学物理
第 28页 共 40页
注意理解,
? 热力学第一定律和第二定律是互相独立的。
比较, 第一类永动机,第二类永动机,
不耗能，只做功
)(%100 ??? ??
违反热力学第一定律
A
)0( 21 ?? QAQ
%100??
违反热力学第二定律
A
T
1Q
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第 29页 共 40页
?热力学第二定律 并不意味着热不能完全转变为功
关键词,“无其他影响”
热完全转变为功,而且 系统和外界均复原是不可能的。
0?? V
例, 理想气体等温膨胀
其他影响0?? T
0??E
AQ ?
不违反热力学第二定律 T
大学物理
第 30页 共 40页
?热力学第二定律指出了 热功转换的方向性
功 自发 热 100 % 转换
热 非自发 功 不能 100% 转换
? 热力学第二定律与能源危机
能量做功的能力下降，能量品质下降。
热力学第二定律,
热力学第一定律,
能量转换并守恒，何来 能源危机？
大学物理
第 31页 共 40页
2,克劳修斯表述 (C )
从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和
限度,
* 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。
或,
* 第二类永动机是不可能成功的。
的。的致冷机是不可能成功
?????
A
Q
wQQA 2120
*
Q
A=0
1T
2T
Q
大学物理
第 32页 共 40页
注意理解,
?热力学第二定律指出了 热传导方向性
高温 自动 低温
低温 非自动 高温 （外界做功）
?热力学第二定律 并不意味着热量不能 从低温物体
传到高温物体
关键词,“自动” 即 热量 从低温物体传到高温
物体不能在 不产生其他影响情况下自发进行。
例, 电冰箱
大学物理
第 33页 共 40页
3,两种表述的等效性
正定理,如果 K 成立,C 一定成立
逆定理,如果 C 成立,K 一定成立
否定理,如果 K 不成立,C 一定不成立
逆否定理,如果 C 不成立,K 一定不成立
用反证法证明后两项
自学 P.222 (P.664)
大学物理
第 34页 共 40页
4,热力学第二定律表述的多样性
凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程
都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等
效。
K,C 为 两种标准表述
? 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。
? 历史上最早提出
练习, 判断正误
? 热量不能从低温物体传向高温物体
? 热不能全部转变为功
×
×
大学物理
第 35页 共 40页
二、热力学第二定律的实质
1.可逆过程和不可逆过程
定义, 设系统经历 BA ? 过程
:AB 且外界复原若能使系统 ? 为可逆过程 BA ?
AB ?若无法使系统
时外界不能复原或 AB ?
为不可逆过程 BA ?
例,理想气体等温膨胀的可逆性分析
? 无摩擦，准静态进行
? 有摩擦，准静态进行
? 无摩擦，非静态进行
大学物理
第 36页 共 40页
? 无摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
0ln
1
2
11 ??? V
VRTMQA
?
逆向,
12 VV ?
0ln
2
1
22 ??? V
VRTMQA
?总效果,
021 ?? AA
021 ?? QQ
外界与系统均复原
原过程为可逆过程
m
m
T
T
大学物理
第 37页 共 40页
?有摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
fAAQ ?? 11
（体积功） （摩擦功）
fAV
VRTM ??
1
2ln
? (>0)
(>0)
m
T
f f
0221 ??? fAQQ
逆向,
12 VV ?
fAAQ ??? 12
fAV
VRTM ??
2
1ln
?
(< 0) (>0)
m
T
f f
大学物理
第 38页 共 40页
由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不
产生其他影响，外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,存在摩擦
总效果 系统复原
恒温热源,02
21 ??? fAQQ
转变为外界的内能
? 无摩擦，非静态进行
正向（快提）
1
2
11 lnd
2
1 V
VRTMVPAQ V
V?
??? ?
m
T
大学物理
第 39页 共 40页
总效果,02121 ???? AAQQ
外界做功,
12 AA ?
得热,
12 QQ ?
由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不
产生其它影响，即外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,快速进行，非静态过程。
逆向（快压）
1
2
22 lnd
1
2 V
VRTMVPAQ V
V ?
??? ? m
T
大学物理
第 40页 共 40页
不可逆原因
摩擦（能量耗散）
快速（非静态）
只有无摩擦的准静态过程是可逆过程
可逆过程是对准静态过程的进一步理想化
练习,判断下列说法的正误
? 可逆过程一定是准静态过程
? 准静态过程不一定是可逆过程
? 不可逆过程不一定非静态
? 非静态过程一定不可逆
卡诺循环是理想的可逆循环 不计摩擦、漏气 准静态进行
√
√
√
√
大学物理
第 2页 共 40页
第四节 循环过程 卡诺循环
热力学,紧密围绕 热机 的研究和应用 ——工作物质
重复进行某些过程，不断吸热做功。
一、循环过程
1,定义,系统经历一系列变化后又回到初始状态的整
个过程叫循环过程。
准静态循环过程, 相图中的闭合曲线
顺时针,正循环
逆时针,逆循环
O
p
V
正 逆
大学物理
第 3页 共 40页
2,共同特征
0??E 热力学第一定律,
净净 AQ ?
3,正循环及其效率
从外界吸热 —对外做功
热机的循环,
O
p
V
正 a
b
c
d
V1 V2
正
功 负功
净功
A
T1
T2
特征,
0?? 净净 AQ
大学物理
第 4页 共 40页
实例,蒸汽机的循环
21 AAA ??净
21 QQQ ??净
效率,
1
2
1
21
1
Q
Q
Q
Q
A
??
?
?
?
吸
净
?
Q1
Q2
A1 A2
大学物理
第 5页 共 40页
热机的能量转换,
从高温热源吸热
（可能不止一个）
1Q
向低温热源放热
2Q
（可能不止一个）
对外做功
21 QQQA ??? 净净
效果
代价
热机效率,
1
2
1
21 1
Q
Q
Q
Q
A
?????
吸
净?
大学物理
第 6页 共 40页
4,逆循环及致冷系数
外界对系统做功 ——
系统向外界放热
致冷机的循环,
O
p
V
逆 a
b
c
V1 V2
净功
d
T1
T2
Q1
Q2
A=Q1-Q2 特点,0??
净净 AQ
大学物理
第 7页 共 40页
能量转换,
从低温热源吸热 2Q （效果）
外界对系统做功 A （代价）
向高温热源放热
AQQ ?? 21
致冷系数,
A
Qw 2?
注意,这里的 Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热
量 —— 衡量致冷的效力
Q1
2Q
A
实例,电冰箱
大学物理
第 8页 共 40页
介绍, 空调机的循环 — 致冷机与热泵原理的结合
季节 作用 低温热源 高温热源 效果
夏天
冬天
冷泵（ A)
热泵（ A)
房间 )( 2Q
大气 )(
2Q
大气 )(
1Q
房间 )(
1Q
室内降温
（对房间致冷）
室内升温
(对大气致冷 )
A
Q2 Q
1
夏天
A Q2 Q1 冬天
压缩机作功,吸热传向高温热源
大学物理
第 9页 共 40页
1.研究循环过程的理想模型 —— 卡诺循环
循环图形看似简单，实际上复杂，要无穷多个热源才
能得以实现。
二、卡诺循环
卡诺,具有科学家素质的工程师。
,为了最完整地研究 由热得到动力的道理,必须不依赖于任
何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅
适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它
们用的什么物质，也不管它们如何动作。”
思考, 试设想最简单的循环模型
是否最简单？
p p
V V O O
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第 10页 共 40页
卡诺循环,工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环
卡诺正循环 或 卡诺逆循环
1) 与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）
2) 不与其他热源交换能量（两个绝热过程）
如何在 p–V 图中表示？
特点
简单,只需要
两个热源
重要,可以组
成任何一种循
环
绝热 绝热
大学物理
第 11页 共 40页
高温 T1
低温 T2
Q1
Q2 A = Q1 -Q2
卡诺循环过程,
吸热从等温膨胀 1TBA ?
放热向等温压缩 2TDC ?
对外作功，内能降低绝热膨胀CB ?
外界作功，内能升高绝热压缩AD ?
例如
正循环
绝热 绝热
大学物理
第 12页 共 40页
2,理想气体的卡诺循环
1) 正循环效率
等温过程,
1
2
111 ln21 V
VRTMAQ
????
绝热过程,
13212132 ?? ?? rr VTVT
14211114 ?? ?? rr VTVT
4
3
1
2
V
V
V
V ?
p
O V
p
21 TT ?
2T
1
2
3
4
4
3
22 ln||43 V
VRTMQ
???
大学物理
第 13页 共 40页
1
2
1
21
1
2
1
4
3
2
1
2
1
1
21 1
ln
lnln
||
T
T
T
TT
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
Q
??
?
?
?
?
?
?
?
??
?
1
21
T
T???
决定仅由 21,TT?
1021 ???? ?TT
21,TT 降低途径，升高提高 ?
大学物理
第 14页 共 40页
等温过程,
1
2
111 ln12 V
VRTMAQ
????
4
3
22 ln34 V
VRTMQ
???
绝热过程,13212123 ?? ?? rr VTVT
14211141 ?? ?? rr VTVT 4
3
1
2
V
V
V
V ?
2) 逆循环致冷系数
p
O V
p
21 TT ?
2T
1
2
3
4
高温 T1
低温 T2
Q2
A
Q1= A+ Q2
大学物理
第 15页 共 40页
21
2
TT
Tw
?
?
就要消耗更多的功。
源中吸热要从温度越低的低温热,:,2 ?? wT
4
3
2
1
2
1
4
3
2
21
22
lnln
ln
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
Q
A
Q
w
??
?
?
?
?
??
大学物理
第 16页 共 40页
注意
A
Q
w
Q
Q
Q
A
2
1
2
1
?
???
吸
净
?
对一切循环适用
21
2
1
2
1
TT
T
w
T
T
?
?
???
只对卡诺循环适用
大学物理
第 17页 共 40页
三、实际技术中的典型循环
1,汽油机
奥托循环
1
1
1
2 11)(11
?
? ????
?
???
r
r
bc
ad
V
V
TT
TT
?? 2
1
V
V?? 压缩比
绝热压缩ba ?
电点火cb ?
等体升压
绝热膨胀dc ?
等体放热ad ?1V
2V
V
p
o
a
b
c
d
大学物理
第 18页 共 40页
2,柴油机
狄塞尔循环 -- 船舶、拖拉机等使用的四冲程循环
两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程。
)1()(
1)(
1
2
31
2
1
2
3
?
?
??
?
V
V
V
V
V
V
?
?
?
?
绝热压缩ba ?
喷油、燃烧cb ?
等压膨胀
绝热膨胀dc ?
等体放热ad ?
a
d
cb
Vo
p
1V3V2V
教材 P.218(P.655)
大学物理
第 19页 共 40页
3,斯特林循环
多用于致冷机
自学, P.232 8-17(P.658 例 4)
的推导过程和 w?
两个等温过程
两个等体过程
21
2
TT
T
w
?
?
1V2V
V
p
O
1T
2T
大学物理
第 20页 共 40页
4,燃气涡轮机的循环
0d21 ?? p
)( 12 TTCMQ p ?? ?吸
0d32 ?? Q
1
13
1
22
???? ? ???? pTpT
0d43 ?? p )( 34 TTCMQ p ??
?放
0d14 ?? Q 121114 ???? ? ???? pTpT
吸
放
Q
Q
?? 1?
12
431
TT
TT
?
??? ?
??
??
1
1
2 )(1
p
p P.232 8-16
大学物理
第 21页 共 40页
答案, （ 4）正确
练习 1
一卡诺机进行如图两个循环,下列表述正确的是,
（ 1） 2121 AA ?? ??
（ 2）
2121 AA ?? ??
（ 3） 2121 AA ?? ??
（ 4） 2121 AA ?? ??
c?
c?
大学物理
第 22页 共 40页
将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在
T = 300K的室内。制一盘 -13o的冰需要从冻室取出
2.09?105J热量，设取热速率为 2.09?102J·s -1,求做一
盘冰所需的功、时间和所要求的电功率各为多少？
练习 2
解：致冷系数
5.6
260300
260
21
2 ?
?
?
?
?
TT
Tw
J1009.2 52 ??Q J1022.3J
5.6
1009.2 452 ?????
w
QA
m i n7.16s10s
1009.2
1009.2 3
2
5
2 ??
?
???
q
Qt
W2.32W10 1022.3 3
4
???? tAP
大学物理
第 23页 共 40页
练习 3
已知, 环双原子分子气体如图循m o l1
为直线2145 ?? ??
1312 82
13,32
VVTT ??
?? 为等温线为绝热线
求, ? QEA,,?各过程
?
?
o
p
2p
1p
2V1V 3V
V?)
2
5( RC
V ?已知
大学物理
第 24页 共 40页
解,1 - 2
111
121
2
5
)2(
2
5
)(
RTTTR
TTC
M
E
V
???
???
?
112
11221
2
1
)(
2
1
)(
2
1
RTTTR
VpVpA
???
??
11 3 RTEAQ ????
2 - 3 0
2 ?Q绝热膨胀
111232 2
5)2(
2
5)( RTTTRTTCE
V ???????
122 2
5 RTEA ????
p
2p
1p
2V1V 3V
V?o
大学物理
第 25页 共 40页
%7.30308.21||1
1
3 ?????
Q
Q?
11
3
1
13
08.2
8
1
ln
ln
RTRT
V
V
RTA
???
?
133 08.2 RTAQ ???
03 ??E
3 – 1 等温压缩 p
2p
1p
2V1V 3V
V?o
大学物理
第 26页 共 40页
第五节 热力学第二定律
热力学第一定律,能量转换和守恒定律
凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生。
——第一类永动机不可能成功！
是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？
功热转换
热传导
扩散 …..,
能量转换有一定方向和限度
热力学第二定律,描述自然界能量转换的方向和限度。
用否定形式表述
表述方式多样
反证法
统计意义
…..,
特征
大学物理
第 27页 共 40页
一、热力学第二定律的两种典型表述及其等效性
1.开尔文表述 (K)
从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向
和限度,
* 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用
功 而不产生其他影响 。
或,
* 惟一效果是热全部转换为功的过程是不可能实现的。
* 单热源热机是不可能制成的。 T
Q
A 是不可能制造成功的。
第二类永动机 )1( ??
*
大学物理
第 28页 共 40页
注意理解,
? 热力学第一定律和第二定律是互相独立的。
比较, 第一类永动机,第二类永动机,
不耗能，只做功
)(%100 ??? ??
违反热力学第一定律
A
)0( 21 ?? QAQ
%100??
违反热力学第二定律
A
T
1Q
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第 29页 共 40页
?热力学第二定律 并不意味着热不能完全转变为功
关键词,“无其他影响”
热完全转变为功,而且 系统和外界均复原是不可能的。
0?? V
例, 理想气体等温膨胀
其他影响0?? T
0??E
AQ ?
不违反热力学第二定律 T
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第 30页 共 40页
?热力学第二定律指出了 热功转换的方向性
功 自发 热 100 % 转换
热 非自发 功 不能 100% 转换
? 热力学第二定律与能源危机
能量做功的能力下降，能量品质下降。
热力学第二定律,
热力学第一定律,
能量转换并守恒，何来 能源危机？
大学物理
第 31页 共 40页
2,克劳修斯表述 (C )
从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和
限度,
* 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。
或,
* 第二类永动机是不可能成功的。
的。的致冷机是不可能成功
?????
A
Q
wQQA 2120
*
Q
A=0
1T
2T
Q
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第 32页 共 40页
注意理解,
?热力学第二定律指出了 热传导方向性
高温 自动 低温
低温 非自动 高温 （外界做功）
?热力学第二定律 并不意味着热量不能 从低温物体
传到高温物体
关键词,“自动” 即 热量 从低温物体传到高温
物体不能在 不产生其他影响情况下自发进行。
例, 电冰箱
大学物理
第 33页 共 40页
3,两种表述的等效性
正定理,如果 K 成立,C 一定成立
逆定理,如果 C 成立,K 一定成立
否定理,如果 K 不成立,C 一定不成立
逆否定理,如果 C 不成立,K 一定不成立
用反证法证明后两项
自学 P.222 (P.664)
大学物理
第 34页 共 40页
4,热力学第二定律表述的多样性
凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程
都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等
效。
K,C 为 两种标准表述
? 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。
? 历史上最早提出
练习, 判断正误
? 热量不能从低温物体传向高温物体
? 热不能全部转变为功
×
×
大学物理
第 35页 共 40页
二、热力学第二定律的实质
1.可逆过程和不可逆过程
定义, 设系统经历 BA ? 过程
:AB 且外界复原若能使系统 ? 为可逆过程 BA ?
AB ?若无法使系统
时外界不能复原或 AB ?
为不可逆过程 BA ?
例,理想气体等温膨胀的可逆性分析
? 无摩擦，准静态进行
? 有摩擦，准静态进行
? 无摩擦，非静态进行
大学物理
第 36页 共 40页
? 无摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
0ln
1
2
11 ??? V
VRTMQA
?
逆向,
12 VV ?
0ln
2
1
22 ??? V
VRTMQA
?总效果,
021 ?? AA
021 ?? QQ
外界与系统均复原
原过程为可逆过程
m
m
T
T
大学物理
第 37页 共 40页
?有摩擦，准静态进行
正向,
21 VV ?
fAAQ ?? 11
（体积功） （摩擦功）
fAV
VRTM ??
1
2ln
? (>0)
(>0)
m
T
f f
0221 ??? fAQQ
逆向,
12 VV ?
fAAQ ??? 12
fAV
VRTM ??
2
1ln
?
(< 0) (>0)
m
T
f f
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第 38页 共 40页
由热力学第二定律，不能使内能完全转变为功而不
产生其他影响，外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,存在摩擦
总效果 系统复原
恒温热源,02
21 ??? fAQQ
转变为外界的内能
? 无摩擦，非静态进行
正向（快提）
1
2
11 lnd
2
1 V
VRTMVPAQ V
V?
??? ?
m
T
大学物理
第 39页 共 40页
总效果,02121 ???? AAQQ
外界做功,
12 AA ?
得热,
12 QQ ?
由热力学第二定律，不能使这部分热还原成功而不
产生其它影响，即外界不能复原。
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因,快速进行，非静态过程。
逆向（快压）
1
2
22 lnd
1
2 V
VRTMVPAQ V
V ?
??? ? m
T
大学物理
第 40页 共 40页
不可逆原因
摩擦（能量耗散）
快速（非静态）
只有无摩擦的准静态过程是可逆过程
可逆过程是对准静态过程的进一步理想化
练习,判断下列说法的正误
? 可逆过程一定是准静态过程
? 准静态过程不一定是可逆过程
? 不可逆过程不一定非静态
? 非静态过程一定不可逆
卡诺循环是理想的可逆循环 不计摩擦、漏气 准静态进行
√
√
√
√
