26选5复式中4个:江苏省南京师范大学附属中学物理竞赛讲义-8.3热力学第二定律-热传递方式

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8.3热力学第二定律 热传递方式

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一、热力学第二定律

表述1:热量只能自发的从高温物体转移至低温物体。如果想让热量由低温物体转移到高温

物体,一定会引起其他变化(需要做功)。

热传递的方向性

表述2:不可能从单一热源取热,把它全部变为功而不产生其他任何影响

机械能、内能转化的方向性(能量耗散)

表述3:有序到无序,熵增加

第一类永动机:

不需要动力的机器,它可以源源不断的对外界做功

违反能量守恒定律

第二类永动机:

从单一热库吸收热量,全部用于做功。

违反热力学第二定律:机械能与内能的转化具有方向性,机械能可以转化内能,但内能却不能全部转化为机械能而不引起其它变化。

二、卡诺循环

当高温热源和低温热源的温度确定之后,所有热机中,按照卡诺循环运行的热机效率是最高的。(证明略)

卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。从高温热源等温吸热Q 1,对外做功,并向低温热源散热Q 2。 两个绝热过程中,没有热传递,做功等于内能变化,为相反数。2i W nR T =

? 两个等温过程中,热量交换加上做功等于0,因此, 在高温热源吸热:21111

Q W nRT V =-= 在低温热源放热:42223ln

nRT V =-= 利用绝热过程的状态方程:

2233

PV PV γγ=,即 112132V nRT V nRT γγ--= 4411

PV PV γγ=,即 114211V nRT V nRT γγ--= 有上述公式可得卡诺热机的效率,即最大效率:

121211

Q Q T T Q T η--== 如果将上述过程反过来,叫做逆卡诺循环,即在外界做功W 的帮助下,从低温热源吸热Q 2,向高温热源散热Q 1。例如空调、冰箱都有这种功能。

(但现实中的空调、冰箱不一

定满足逆卡诺循环的条件)。

对于逆卡诺循环,常用制冷系数进行描述:

221212

Q T Q Q T T ω==--

例1、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?

例2、一卡诺机在温度为27℃和127℃两个热源之间运转.

(1)若在正循环中,该机从高温热源吸热1.2×103 cal ,则将向低温热源放热多少?对外作功多少?

(2)若使该机反向运转(致冷机),当从低温热源吸热1.2×103cal 热量,则将向高温热源放热多少?外界作功多少?

例3、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为P 0.

(1)夏天室外温度恒为T 1,启动空调器连续工作,最后可将室温降至恒定的T 2.室外通过热传导在单位时间内向室内传输的热量正比于(T 1-T 2)(牛顿冷却定律),比例系数A .试用T 1,P 0和A 来表示T 2.

(2)当室外温度为30℃时,若这台空调器只有30%的时间处于工作状态,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℃?

三、热传递方式

1、热传导

考虑长度为l ,横截面积为S 的柱体,两端截面处的温度为21,T T ,且21T T >,则热量沿着柱体长度方向传递,在△t 时间内通过横截面S 所传递的热量为

t S l T T K Q ?-=21

其中,K 为导热系数。

2、热对流

3、热辐射

黑体:吸收所有的电磁辐射,无任何反射。与此同时,黑体自身也会向外辐射,单位面积的辐射功率为:

4T J σ= 式中4

281067.5K m W ??=-σ,称为斯忒藩常数。

如果不是黑体,单位表面积的辐射功率J 记为 4T J εσ=

式中ε叫表面辐射系数,其值在0和1之间,由物体性质决定。

对于温度不变的黑体来说,存在着吸收辐射和向外辐射的平衡。

例4、如图所示,两根金属棒A 、B 尺寸相同,A 的导热系数是B 的两倍,用它们来导热,设高温端和低温端温度恒定,求将A 、B 并联使用与串联使用的能流之比.设棒侧面是绝热的.

例5、已知地球和太阳的半径分别为R 1=6×106m 、R 2=7× 108m ,地球与太阳的距离d =

1.5×1011m .若地球与太阳均可视为黑体,试估算太阳表面温度.

例6、取一个不高的横截面积是2

3dm 的圆筒,筒内装水0.6kg ,在阳光垂直照射下,经2min

温度升高1℃,若把太阳看成黑体,已知太阳半径和地球到太阳的距离分别为m R 8107?=和m d 11105.1?=,并考虑到阳光传播过程中的损失,地球大气层的吸收和散射,水所能

吸收的太阳能仅是太阳辐射能的一半,试估算太阳表面的温度。(已知4281067.5K m W ??=-σ)

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