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  • 等溫膨脹時,系統(tǒng)吸收的熱量全部用來作功,這和熱力學第二定律有沒有矛盾?為什么?

    等溫膨脹時,系統(tǒng)吸收的熱量全部用來作功,這和熱力學第二定律有沒有矛盾?為什么?
    物理人氣:221 ℃時間:2019-08-19 19:51:32
    優(yōu)質(zhì)解答
    首先,二者不矛盾.說明如下:
    1、定律:開爾文-普朗特說法(1851年):不可能制造出從單一熱源吸熱,使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)電機.
    (1)這里強調(diào)的是“不留下其他任何變化”,是指對熱機內(nèi)部、外界環(huán)境及其他所有(一切)物體都沒有任何變化.
    開爾文-普朗特說法說明了熱轉(zhuǎn)化為功,必須要將一部分熱量轉(zhuǎn)給低溫物體(注意,這可是一個自發(fā)過程,高溫向低溫傳熱哦),也即必須要有一個“補償過程”為代價.
    (2)熱全部轉(zhuǎn)化為功,是可以的,但必須要“留下其他變化”.如等溫過程中,熱可以全部轉(zhuǎn)變成功,但這時熱機內(nèi)部工質(zhì)的“狀態(tài)”變了(即不能回到初始狀態(tài).其實,這樣無限制膨脹的熱機必然無限大,且其比體積也趨向無窮大,故實際上這樣的熱機是不存在的),是留下了變化的.
    3、舉例——封閉體系理想氣體的等溫膨脹
    對于封閉體系理想氣體的等溫膨脹,有
    Q=△U+W
    由于過程是等溫的,故 △U=0
    因而 Q=W
    即在此條件下,熱(系統(tǒng)吸熱)全部轉(zhuǎn)化為功,但此時,系統(tǒng)(氣體)不能恢復(fù)原有狀態(tài)了,即p、v發(fā)生了變化(不能復(fù)原),是有“變化”的,因而是不違背熱力學第二定律.
    實際上,工質(zhì)熵變?yōu)?△S=Q/T,環(huán)境熵變?yōu)?△So=-Q/To
    由于系統(tǒng)從環(huán)境吸熱,故
    To≥T
    現(xiàn)將環(huán)境與系統(tǒng)組成一個孤立系,則孤立系的總熵變?yōu)?br/>△Siso=△S+△So=Q(1/T-1/To)=Sg≥0
    顯然是不違背熱力學第二定律的.
    但從這也是可以看出,只要系統(tǒng)等溫膨脹,就可以實現(xiàn)熱最大程度地轉(zhuǎn)化為功,且當系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度相等時,整個系統(tǒng)可逆(無功損失),是最理想的.
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