11-1 卡诺循环,热力学第二定律,卡诺定理
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卡诺定理与热力学第二定律的关系
热二律说的涉及热现象的一切过程(热学或热力学教材中通常这么说,其实是一切宏观过程)都是不可逆过程,指的是实际发生的过程,而不是理想条件下(而实际不能发生的)的过程。
理想卡诺循环是可逆过程(这样的过程要发生必须消耗无限长的时间),但实际上不存在。
热二律对于有限宏观过程普遍成立,当然可以用于卡诺定理的证明。
卡诺定理是第一定律和第二定律的推论。
可逆机实际上不存在,但理论上可以存在,热二律说一切实际宏观过程一定不可逆,并不否认理想过程可以是可逆过程,热二律的上述表述还可以等价地表述成宏观可逆过程一定是理想过程(实际不存在)。
“热力学第二定律只是告诉我们实际情况的规律,并未告诉我们理想情况的规律”你说的情况粗看是有道理的,但你还是没有搞清楚,卡诺定理证明过程的逻辑。
理想的可逆机其行为(所遵从的规律)是由可逆过程的定义所决定的,与第二定律本身无关,第二定律并不否认理论上可逆机的存在。
既然如此,我们就可以假定有两部可逆机在相同的T1和相同的T2热源间工作,这里不关第二定律的事,后面证明其效率相等才用到了第二定律的开尔文表述。
另外想提醒楼主的是,第二定律的表述可以多种多样,“一切实际宏观过程都是不可逆过程”这一表述只反映了第二定律的一个侧面,并非其全貌。
例如“绝热可逆过程熵不变,绝热不可逆过程熵增加”也是第二定律的一种表述。
证明卡诺定理的过程中,只能用开尔文表述,而无法直接用“一切实际宏观过程都是不可逆过程”这一表述,因为讨论的对象不是实际过程。
第三章 热力学第二定律1. 卡诺定理卡诺热机效率hc h c h 11T T Q Q Q W−=+=−=η 卡诺定理:工作于高温热源T h 与低温热源T c 之间的热机,可逆热机效率最大。
卡诺定理推论:所有工作于高温热源T h 与低温热源T c 之间的可逆热机,其热机效率都相等,与热机的工作物质无关。
卡诺循环中,热温商之和等于零0cch h =+T Q T Q 任意可逆循环热温商之和也等于零,即0R=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∑i iiT Q 或 0δR =⎟⎠⎞⎜⎝⎛∫T Q 2. 热力学第二定律的经典表述克劳休斯说法:不可能把热由低温物体传到高温物体, 而不引起其他变化。
开尔文说法:不可能从单一热源吸热使之完全转化为功, 而不发生其他变化。
热力学第二定律的各种说法的实质:断定一切实际过程都是不可逆的。
各种经典表述法是等价的。
3. 熵的定义TQ S revδd =或∫=ΔB ArevδTQ S熵是广度性质,其单位为。
系统状态变化时,要用可逆过程的热温商来衡量熵的变化值。
1K J −⋅4. 克劳修斯不等式T QS δd irrev ≥ 或 ∫≥ΔB A ir rev δT Q S 等号表示可逆,此时环境的温度T 等于系统的温度,为可逆过程中的热量;不等号表示不可逆,此时T 为环境的温度,为不可逆过程中的热量。
Q δQ δ5. 熵增原理0)d (irrev≥绝热S 或0)(irrev≥Δ绝热S 等号表示绝热可逆过程,不等号表示绝热不可逆过程。
在绝热条件下,不可能发生熵减少的过程。
0)d (irrev≥孤立S 或0)(irrev≥Δ孤立S 等号表示可逆过程或达到平衡态,不等号表示自发不可逆过程。
可以将与系统密切相关的环境部分包括在一起,作为一个隔离系统,则有:0irrev sur sys iso ≥Δ+Δ=ΔS S S6. 熵变计算的主要公式计算熵变的基本公式: ∫∫∫−=+=δ=−=Δ2 12 12 1rev12d d d d TpV H T V p UTQ S S S 上式适用于封闭系统,一切非体积功过程。
热力学循环中的卡诺定理在我们的日常生活中,热力学循环无处不在。
从汽车引擎到电力站的发电机组,每一个需要进行能量转化的系统都离不开热力学循环的应用。
而在这个过程中,卡诺定理扮演着至关重要的角色。
卡诺定理是热力学的一个基本原理,它提出了理想的热力学循环应具备的条件和性质。
首先,我们需要了解什么是热力学循环。
简单来说,热力学循环是一个系统经历一系列相互作用后,最终回到初始状态的过程。
卡诺定理的核心观点是:在所有可能的热力学循环中,卡诺循环是效率最高的。
也就是说,无论是什么样的循环系统,只要它的热力学过程符合卡诺循环的特点,那么它的效率就是最高的。
卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。
在卡诺循环中,工作物质从低温热源吸收热量,然后通过绝热膨胀过程进行功的输出;接着,工作物质再经过等温压缩过程释放热量至高温热源。
这样,卡诺循环就完成了一个完整的循环。
卡诺定理的重要性在于它为我们提供了理论上的极限。
虽然在实际应用中,完全达到卡诺循环的效率几乎是不可能的,但是卡诺定理仍然为我们提供了改进和优化系统的方向。
最常见的例子是内燃机的热力学循环。
内燃机的工作温度很高,因此它们所产生的功效也相对较高。
然而,由于燃烧效率和热量浪费等问题,内燃机的热效率通常都不高。
卡诺循环原理告诉我们,如果我们能找到一种方法,使内燃机的循环更接近卡诺循环,就可以提高其效率。
卡诺定理也对热力学系统的可逆性提出了要求。
一个可逆过程是指在系统的每一个阶段都可以逆转回去,而不对外界产生任何影响。
例如,一个气体在容器中由等体膨胀到等压膨胀,再由等压膨胀到等温膨胀,最后再由等温膨胀回到等体膨胀,这就是一个可逆过程。
卡诺定理指出,可逆循环的效率与工作物质的两个温度有关,即热源温度和冷源温度。
温度差越大,热机所能达到的效率就越高。
这也是为什么大型发电机房通常将冷却塔设在发电机旁边,以保持冷却水的低温。
通过降低冷却水的温度,可逆循环的效率将会显著提升。
卡诺循环科技名词定义中文名称:卡诺循环英文名称:Carnot cycle定义:由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环。
百科名片卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的,以分析热机的工作过程,卡诺循环包括四个步骤:等温膨胀,绝热膨胀,等温压缩,绝热压缩。
即理想气体从状态1(P1,V1,T1)等温膨胀到状态2(P2,V2,T2),再从状态2绝热膨胀到状态3(P3,V3,T3),此后,从状态3等温压缩到状态4(P4,V4,T4),最后从状态4绝热压缩回到状态1。
这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环。
简介卡诺循环包括四个步骤:等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等温膨胀,在这个过程中系统从环境中吸收热量;绝热膨胀,在这个过程中系统对环境作功;等温压缩,在这个过程中系统向环境中放出热量;绝热压缩,系统恢复原来状态,在这个过程中系统对环境作负功。
卡诺循环可以想象为是工作与两个恒温热源之间的准静态过程,其高温热源的温度为T1,低温热源的温度为T2。
这一概念是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。
卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量,没有散热、漏气、摩擦等损耗。
为使过程是准静态过程,工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程,同样,向低温热源放热应是等温压缩过程。
因限制只与两热源交换热量,脱离热源后只能是绝热过程。
作卡诺循环的热机叫做卡诺热机[1]。
原理卡诺循环的效率通过热力学相关定理我们可以得出,卡诺循环的效率ηc=1-T2/T1,由此可以看出,卡诺循环卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关,如果高温热源的温度T1愈高,低温热源的温度T2愈低,则卡诺循环的效率愈高。
因为不能获得T1→∞的高温热源或T2=0K(-273℃)的低温热源,所以,卡诺循环的效率必定小于1。