大学物理(第三版)热学 第三章.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,*,热力学部分作业：,P54-61:2,4,5,8,9,14,15,16,17,21,24,26,28,29,30,31,32,34.,下周一交,气体分子运动论部分作业,1.,今天交第一章作业,2.,第二章增加一道作业题,:,单原子分子的理想气体作卡诺循环,效率为,20%,。试求气体绝热膨胀时，,气体体积增大为原来的几倍？,第,3,章 热力学第一定律,1,准静态过程 功,2,热 热量的计算,3,热力学第一定律,4,热力学第一定律在等值过程中的应用,5,循环过程和,热机,热力学研究的对象为热力学系统。,热力学系统的状态随时间变化的过程为热力学过程。,在过程中任意时刻，系统都无限地接近平衡态，因而任何时刻系统的状态都可以当平衡态处理，也就是说，准静态过程是由一系列依次接替的平衡态所组成的过程。,一、准静态过程,1.,什么是热力学系统,2.,什么是热力学过程,3.,什么是准静态过程,如果其中有一个状态为,非平衡态,，则此过程为,非准静过程,。如果系统进行的速度过快，系统状态发生变化后，还未来得及恢复新的平衡态，系统又发生了变化，则该过程为非准静过程。,例如：,气缸活塞压缩的速度过快，气体的状态发生变化，还来不及恢复，,P,、,V,、,T,无确定关系，则此过程为非准静过程。,对非常缓慢的过程可近似认为是准静态过程。,准静态过程中气体的各状态参量都有确定的值，可在,P,V,图上作出连续的过程曲线。,如果过程进行的时间,t,可视为准静过程；,如果过程进行的时间,t,C,V,的物理意义,:,1 mol,理想气体温度升高,1,C,，,对于等容过程,体积不变吸热只增加系统内能，,而对于等压过程除了增加系统内能外，还要对外作功，所吸收的热量要更多一些。,三、等温过程,1,.,过程特点,系统的温度不变,2,.,过程方程,3,.,过程曲线,恒温源,4,.,内能增量,5,.,功,由理想气体状态方程,等温过程的功,（,1,）,由过程方程,则等温过程的功,（,2,）,7,.,热力学第一定律应用,等温过程,则,意义：,等温过程系统吸热全部用来对外作功。,四、绝热过程,1,.,过程特点,系统与外界绝热。无热量交换。,绝热材料,系统对外作功全部靠内能提供。,绝热过程摩尔热容为,0,。,2,.,内能增量,3,.,热力学第一定律应用,绝热过程系统对外作功，全部是靠降低系统内能实现的。,绝热过程,4,.,功,由,和,上下同除以,C,V,（,1,）,定义摩尔热容比,则,（,2,）,由,（,3,）,有,气体绝热膨胀,气体绝热压缩,例如压缩空气从喷嘴中急速喷出，气体绝热膨胀，温度下降，甚至液化。,再如气缸活塞急速下压，气体绝热压缩,温度升高，使乙醚燃烧。,比热比,摩尔热容比,单原子分子气体,5,.,过程方程,由热力学第一定律的微小过程应用公式,双原子分子气体,多原子分子气体,由理想气体状态方程,（,2,）,全微分,（,3,）,（,3,）,-,（,1,）式,（,1,）,两边乘,R,有,由,和,两边同除以,PV,积分,（,4,）,由（,2,）式与（,4,）消,P,（,5,）,由（,2,）式与（,4,）消,V,（,6,）,范围：只适用于准静态过程。,6,.,过程曲线,将绝热线与等温线比较,(P-V,图上,),。,.,等温线斜率,.,绝热线斜率,全微分,斜率,全微分,绝热线斜率,与等温线斜率比较,绝热线斜率是等温线斜率的,倍。绝热线要比等温线陡。,意义：,对于相同体积变化，等温过程对外,作功温度不变，系统从外界吸收热量，压强,P,下降较慢；对于绝热过程，系统对外作功全部靠内能提供，所以压强下降得较快，曲线较陡。,例：,讨论下列几个过程温度变化、内能增量、功、热量的正负。,1,.,等容降压过程；,2,.,等压压缩过程；,3,.,绝热膨胀过程；,4,.,未知过程与等温线有两个交点。,解答：,1,.,等容降压过程,曲线下面积为,0,由,由热力学第一定律,2,.,等压压缩过程,体积收缩，曲线下面积为负值。,由,放热过程,由热力学第一定律,放热,3,.,绝热膨胀过程,由热力学第一定律,4,.,未知过程与等温线有两个交点,由于,1,、,2,点在等温线上，,由热力学第一定律,放热,自由膨胀,特点：,迅速 来不及与外界交换热量 则,Q,=0,非准静态过程,无过程方程,办法：,只能靠普遍的定律（热,律）,自由膨胀,绝热 热,律,自由膨胀,理气,状态方程,能量守恒,由,因为自由膨胀 所以系统对外不作功,即,得,自由膨胀,能量守恒,思考：,初态和末态温度相同,理气,19,.,一定质量的理想气体,由状态,a,经,b,到达,c,（,如图,abc,为一直线）求此过程中。,（,1,）气体对外做的功；,（,2,）气体内能的增加；,（,3,）气体吸收的热量；,(1atm=1.01310,5,Pa).,1.,循环过程,:,系统经历一系列热力学过程后,又回到初态,2.,能量特点,6,循环过程,一、热机循环与制冷循环,循环曲线所包围的面积为系统做的净功。,循环曲线为闭合曲线。,4,.,正循环与逆循环,正循环,循环曲线顺时针。,系统吸热，对外做正功；返回时，系统放热，对外做负功；循环面积为正值。,正循环,热机,3.,循环曲线的特点,逆循环,逆循环,循环曲线逆时针。,系统吸热，对外做正功；返回时，系统放热，对外做负功；循环面积为负值。,制冷机,二、热机效率,1,.,什么是热机,把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。,2,.,热机工作特点,需要一定工作物质。,需要两个热源。,热机是正循环工作的。,正循环,3,.,工作示意图,高温热源,T,1,低温热源,T,2,热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。,4,.,热机效率,由能量守恒,如果从高温源吸取的热量转变成功越多，则热机效率就越大。,热机效率通常用百分数来表示。,说明,:,Q,1,是系统在一个循环中吸收的总热量,Q,2,是放出的总热量,二者均为绝对值,W,是系统对外做的净功,W=Q,1,-Q,2,三、致冷机,致冷机是逆循环工作的，是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中。使低温源温度降低。,逆循环,例如：,电冰箱、空调都属于致冷机。,高温热源,T,1,低温热源,T,2,1,.,工作示意图,致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中，使低温热源温度降低,。,2,.,致冷系数,如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷效率越大。,室外,室内,由能量守恒,电冰箱的工作物质为氟里昂,12(CCL,2,F,2,),，,氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，,2005,年我国将停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。,例,1,：,一热机以,1mol,双原子分子气体为工作物质，循环曲线如图所示，其中,AB,为等温过程，,T,A,=,1300,K,，,T,C,=,300,K,。,求,.,各过程的内能增量、功、和热量；,.,热机效率,。,解,:,A,-,B,为等温膨胀过程,B,-,C,为等压压缩过程,吸热,放热,或由热力学第一定律,C,-,A,为等容升压过程,放热,.,热机效率,一个循环中的内能增量为：,经过一个循环内能不变。,吸热,1,.,卡诺循环是由两条等温线和两条绝热线组成的循环。,2,.,需要两个热源，高温源,T,1,和低温源,T,2,。,3,.,不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机,。,4,.,热机效率为,五、卡诺循环,1,-,2,等温膨胀过程,吸热,3,-,4,等温收缩过程,放热,2,-,3,与,4,-,1,为绝热过程,2,-,3,绝热膨胀过程,4,-,1,绝热收缩过程,上两式相比,即,讨论,1,.,卡诺机必须有两个热源。热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。,2,.,热机效率不能大于,1,或等于,1,，只能小于,1,。,如果为,1,则,现在的技术还不能达到绝对,0,K,；,或,这是不能实现的，,因此热机效率只能小于,1,。,如果大于,1,，,W,Q,吸,则违反了能量守恒定律。,3,.,提高热机效率的方法。,使,越小越好，但,低温热源的温度为外界大气的温度不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。,要求记住,卡诺循环的三个特点,1.,2.,绝热曲线下的面积相等,3.,卡诺热机效率在所有,可能热机中效率最大,高温热源,T,1,低温热源,T,2,高温热源,T,1,低温热源,T,2,室内,制冷系数,:,本章小结,习题课,1,.,热机效率,2,.,致冷系数,3,.,卡诺机效率,例,1,：,两个循环过程，,过程,2,12,等温、,23,等容、,34,等压、,41,绝热。,过程,1,12,等温、,23,绝热、,34,等压、,41,绝热。,试比较哪个过程热机效率高。,两个过程吸热是一样的，,但循环面积不同，循环过程作功不同，,解答：,例,2,：,质量,M,=,28,g,温度,t,=,27C,，,P,=,1,atm,的氮气，先使其等压膨胀到原来体积的,2,倍，再由体积不变的情况下，使压强增大,1,倍，最后作等温膨胀使压强降为,1atm,。,.,1,、,2,、,3,、,4,态的状态,参量,P,、,V,、,T,。,.,各过程中的内能增量、功、热量,。,求,:,解：,M,=,28,g,注明,:P,的,单位为,atm,应该为国际单位,1,-,2,等压膨胀过程,或,2,-,3,等容升压过程,3,-,4,等温膨胀过程,例,3,：,一定量的单原子分子理想气体，从初态,A,出发，沿图示直线过程变到另一状态,B,，,又经过等容、等压两过程回到状态,A,。,求,:,（,1,）,.,A,B,，,B,C,，,C,A,各过程中系统对外所作的功,W,，,内能增量及所吸收的热量,Q,。,（,2,）,.,整个循环过程中系统对外所作的总功以及总热量。,解：,(1),A,B,过程,（,3,）,.,热机效率。,B,C,过程,C,A,过程,（,3,）,.,热机效率,总功,总热量,（,2,）,.,1,.,汽缸内贮有,36g,水蒸汽,(,视为理想气体,),经,abcda,循环过程如图所示,.,其中,a-b,、,c-d,为等容过程,b-c,等温过程,d-a,等压过程,.,试求,:,(1),W,da,=?,(2),D,E,ab,=?,(3),循环过程水蒸,气作的净功,W,=?,(4),循环效率,h,=,?,(,注,:,循环效率,h,=,W,/,Q,1,W,为循环过程水蒸汽对外作的净功,Q,1,为循环过程水蒸气吸收的热量,1atm=1.013,10,5,Pa),解,:,水的质量,水的摩尔质量,3,.,如图所示，,abcda,为,1 mol,单原子分子理想气体的循环过程，求：,(1),气体循环一次，在吸热过程中从外界共吸收的热量；,(2),气体循环一次做的净功；,(3),证明,T,a,T,c,=,T,b,T,d,。,所,吸热为,解：,（）过程,ab,和,bc,为吸热过程。,(2),气体循环一次做的净功为图中矩形面积,(3),证明,T,a,T,c,=,T,b,T,d,4,.,如图示，有一定量的理想气体，从初状态,a,（,P,1,V,1,）,开始，经过一个等容过程达到压强为,P,1,/,4,的,b,态，再经过一个等压过程达到状态,c,最后经等温过程而完成一个循环，求该循环过程中系统对外作的功,W,和净吸热量,Q,。,解：,设状态,C,的体积为,V,2,，,则由,a,、,c,两状态的温度相同，故有，,又：循环过程,而在,ab,等容过程中功,在,bc,等压过程中功,在,ca,的过程,在,整个循环过程系统对外作的功和吸收的热,量为,负号说明外界对系统作,功、系统对外放热。,6,.,0.02kg,的氦气（视为理想气体）,温度由,17,C,升为,27,C,若在升温过程中,（,1,）体积保持不变；（,2,）压强保持不变；（,3,）不与外界交换热量,试分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体作的功。,7,.,一定量的刚性双原子分子气体,开始时处于压强为,P,0,=,1.0,10,5,Pa,体积为,V,0,=,4,10,-,3,m,3,温度为,T,0,=,300 K,的初态,后经等压膨胀过程温度上升到,T,1,=,450K,再经绝热过程温度将回到,T,2,=,300K,求整个过程中对外作的功,?,8,.,1mol,单原子分子理想气体的循环过程如,T,-,V,图所示，其中,C,点的温度为,T,c,=,600K,.,试求：,（,1,）,ab,、,bc,、,ca,各个过程系统吸收的热量；,（,2,）经一循环系统所作的净功；,（,3,）循环的效率。,（,注：循环效率,h,=W/Q,1,，,W,为循环过程,系统对外作的净功，,Q,1,为循环过程系统从,外界吸收的热量，,1n2,=,0.693,）,解：,单原子分子的自由度,i,=,3,。,从图可知，,ab,是等压过程，,（,2,）,（,3,）,9,.,一定量的理想气体经历如图所示的循环过程，,A,B,和,C,D,是等压过程，,B,C,和,D,A,是绝热过程。已知：,T,C,=,300K,，,T,B,=,400K,。,试求：此循环的效率。（提示：循环效率的定义式,h,=,1,-,Q,2,/,Q,1,Q,1,为循环中气体吸收的热量，,Q,2,为循环中气体放出的热量。）,解：,由于,根据绝热过程方程得到：,故,5,.,汽缸内有,2mol,氦气（,He,）,初始温度为,27C,体积为,20,升。先将氦气定压膨胀,直至体积加倍,然后绝热膨胀,直至回复初温为止,若把氦气视为理想气体,试求：,（,1,）在,P,-,V,图上大致画出气体的状态变化；,（,2,）在这过程中氦气吸热多少？,（,3,）氦气的内能变化是多少；,（,4,）氦气所作的总功是多少？,