大学物理-热力学第一定律.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,10.1,功,热量，热力学第一定律,10.2,准静态过程,10.3,热容,10.4,绝热过程,10.5,循环过程,10.6,卡诺循环,10.7,致冷,循环,第十章 热力学第一定律,2,作功可改变系统的状态,有规则动能,无规则动能,基本特征,：,机械功,电源,R,电功,水,水,10.1,功,热量，热力学第一定律,一、功,3,功是一个过程量：,功不仅与系统的始、末状态有关，而且与所经历的过程有关。,导热壁,过程,1,：,绝热壁,过程,2,：,系统始、末态相同。过程,1,和,2,做功一样吗？,4,二,.,热量,传热也可以改变系统的状态。,传热条件：系统和外界温度不同，且不绝热。,热量：,通过温度差传递的能量,dQ,系统,外界,0,系统从外界吸热,0,系统吸热,E,0,系统内能增加,A,0,系统对外界作功,热力学第一定律是反映热现象中,能量转化与守恒的定律。,9,弛豫时间,系统由非平衡态趋于平衡态所需时间。,若变化过程的时间,驰豫时间,可看作无限缓慢,“,理想化,”,物理上,的,“,无限缓慢,”,，何义,?,准静态过程：,过程中每一时刻可认为系统处于平衡态。,过程：意味着状态的变化；,“,平衡态,”,：状态不变。如何统一？,统一于过程进行,“,无限缓慢,”,！,10.2,准静态过程,10,例,如,：气体的准静态压缩,过程时间,1,秒,容器线度,分子速率,1,0,-3,秒,压缩时,:,P,由不均匀到均匀的弛豫时间,压缩所用时间为,1,秒,弛豫时间（,10,-3,S,）,。,过程中保持系统与外界的压强,差为无穷小,11,又如：,准静态传热,T,2,系统,T,1,有限温差下的热传导，,为非准静态过程！,系统,T,1,T,1,+,T,T,1,+2,T,T,1,+3,T,T,2,无限小温差下的热传导,为准静态过程,!,状态图上准静态过程为连续曲线,T,1,与外界的,T,2,为有限温差,保持系统与外界无限小温差,P,V,平衡态,12,一、热容,单位：,J/K,热容是一个过程量。,1,、,定压热容,（压强不变）,2,、,定体热容,（体积不变）,设系统温度升高,d,T,，,所吸收的热量为,d,Q,系统的,热容,：,10.3,热容,13,二、摩尔热容,单位：,J/(mol,K),1,、定体摩尔热容,1mol,物质的,热容,三、理想气体的摩尔热容,14,2,、理想气体内能公式（宏观）,对于,任意无限小过程,对于,任意过程，,若,C,V,m,=,常数，则,理想气体,E,V,无关,15,3,、迈耶公式（理想气体定压和定容摩尔热容的关系）,证明：,对理想气体，热力学第一定律可表为,16,4,、,比热比：,5,、,经典热容：,由经典能量均分定理得,17,10.4,绝热过程,系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程，称为,绝热过程,。,如何实现绝热过程？,1,、,用理想的绝热壁把系统和外界隔开,。,2,、,过程进行得很快，以至于系统来不及与外界进行显著的热交换,。,例,.,内燃机气缸内气体的膨胀、压缩；,空气中声音传播引起局部膨胀或压缩。,18,一、理想气体,准静态绝热过程,热传导时间,过程时间,驰豫时间,绝热,准静态,过程方程,:,或,推导过程方程：,对,准静态过程,有,P,d,V=,-,C,V,m,d,T,(1),因为,d,Q=,0,d,A=-,d,E,(1),先考虑一绝热的元过程,写出,热一律,：,19,(2),再对,理想气体状态方程,取微分：,P,d,V+V,d,P=,R,d,T,(2),将,(1),式的,d,T,代入,(2),式，并化简,P,d,V=,-,C,V,m,d,T,(1),有,20,（以上,过程方程,的推导方法有典型性）,绝热线,:,（泊松方程）,理想气体的绝热线比等温线“更陡”,将其与理想气体状态方程结合，可得另两个方程。,对上式积分得,21,【,证明,】,设一等温线和一绝热线在点相交,比较,点处等温线与绝热线,的斜率,(,注意,1),。,（,1,）从,A,点沿等温膨胀过程,V,-n,-P,（,2,）从,A,点沿绝热膨胀过程,V,-n,-P,且因绝热对外做功,E,-T,-P,P,3,P,.,（注意绝热线上各点温度不同）,数学方法,物理方法,绝热线,等温线,22,能量转换关系,:,Q=,0,E=,C,V,m,T,绝热过程靠减少系统的内能来对外做功。,功,也可以,直接由定义,计算,:,A=-,E=,C,V,m,(T,1,-T,2,),(1),间接法,（,1,），（,2,）两式的结果应该一样，,请大家课下证明之。,(2),23,2.,绝热自由膨胀,非平衡态,平衡态,(,末,),T,V,2,(1),过程特点：,为非准静态过程：,PV,g,C,不适用,！,无过程方程可言,!,。,(2),能量转换关系：,绝热自由：,Q,=0,A,=0,；,由热一律,：,E,2,=,E,1,理想气体：,T,末,T,初,T,平衡态,(,初,),T,P,V,真空,24,三,.,理想气体的多方过程,某个,准静态,过程中，若相应摩尔热容,C,为常量,有过程方程,PV,n,=,常量,多方指数,此方程概涵了各等值过程方程和绝热过程方程。,例如对绝热过程：,C,=0,n,=,绝热方程,方程的导出：自己试试！,此过程,的摩尔热容,25,10.5,循环过程,循环过程,：,实例：火力发电厂的热力循环,列变化后又回到初态的整个过程叫循环过程,。,系统,（,如热机中的工质）经一系,水泵,A,1,A,2,Q,1,锅炉,汽轮机,冷凝器,电力输出,Q,2,绝热,V,O,|,Q,2,|,p,饱,p,Q,1,A,26,定义,热循环效率,p,Q,1,A,|,Q,2,|,V,0,热循环（正循环）,工质,如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用状态图（如,p,V,图）上的闭合曲线表示。,27,10.6,卡诺循环,卡诺循环：,低温热库,T,2,|,Q,2,|,A,工质,Q,1,高温热库,T,1,热机循环示意图,卡诺,（,Carnot,，法国人，,1796,1832,）,p,0,Q,1,2,1,3,4,A,|,Q,2,|,T,1,T,2,V,绝热线,等温线,V,1,V,4,V,2,V,3,工质只和,两个恒温热库,交换,无摩擦,循环,。,热量的,准静态、,28,对,理想气体工质：,12,：,34,：,等温过程,绝热过程,23,：,41,：,（闭合条件）,书,P105,（,3.3,）式,29,卡诺热机循环的效率,说明,：,c,与理气种类,、,M,、,p,、,V,的变化无关,，,T,1,，,T,2,c,，实用上是,T,1,。,现代热电厂：,（,900K,）（,300K,）,理论上：,c,65%,，,实际：,40,%,，,原因：,非卡诺，,非准静态，,有摩擦。,只与,T,1,、,T,2,有关,。,30,10.7,致冷循环,|,A,|,|,Q,1,|,Q,2,T,1,T,2,致冷系数,卡诺致冷机,