第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律.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,*,*,*,第三章 热力学第一定律,1,研究对象与外界有功，有热交换,:,1.,热力学系统：,热力学研究的对象称为热力学,系统（研究气体系统），其它均称为外界。,系统的分类：,研究对象与外界无功，有热交换,:,研究对象与外界有功，无热交换,:,研究对象与外界无功，无热交换,:,一般系统,透热系统,绝热系统,封闭（孤立）系统,一、基本概念,2,2.,热力学过程,:,状态随时间变化的过程,（,1,）,按系统与外界的关系分类,:,自发过程：无外界帮助，系统的状态改变。,非自发过程：有外界帮助，系统的状态改变。,非平衡态 到平衡态,平衡态到,非平衡态,（,2,）,按过程中经历的各个状态的性质分类,:,准静态过程（平衡过程）：初态、每个中间态、终态,都可近似地看成是平衡态的过程。,非静态过程（非平衡过程）：只要有一个状态不是平衡 态，整个过程就是非静态过程。,过程分类：,3,（,3,）,按过程的特征分类,:,等容过程：,d V=0,等压过程：,d P=0,等温过程：,d T=0,绝热过程：,d Q=0,，,Q=0,循环过程：,d E=0 E,终态,=E,初态,4,PV,图上一条线，表示一个,平衡,过程。,PV,图上一个点，表示一个,平衡,状态。,3,过程曲线,4,功、热量、内能,P,V,非,平衡态，,非,平衡过程,不能,在,PV,图上表示,！,5,二、,功、热量、内能,特点：,（不仅与始末两态有关，而且,与经历的,中间过程,有关,）,过程量,气体对外界所做的,元,功,气体体积从,V,1,变化到,V,2,时，系统对外界,做的,总,功,1.,功,改变内能的方法,外界对系统,作功,（或反之）。,外界对系统,传热,（或反之）。,6,外界对系统作功，,A,为负。,1,0,此过程所作的功反映在,P-V,图,上，就是曲线下的面积。,1,V,2,V,1,2,系统对外界作功，,A,为正。,2,0,上图：系统对外界作了功，系统的状态,变了，内能也变了。,“,功,”,是系统,内能变化,的量度，,P,V,dV,符号法则：,注意：,功,不仅与初、末态有关，还与过程有关,是,过程量,。,7,理想气体最重要的四个等值过程的功,等,温,过程,（,T,常数）,等温,8,绝热,过程,比热容比,绝热,9,等,压,过程,等,容,过程,10,2.,热量,特点：,过程量,（有不同的摩尔热容量）,系统吸热，,Q,为正。,系统放热，,Q,为负。,符号法则：,（不同的过程有不同的热量）,摩尔热容量,C,m,：,一摩尔,物质温度升高,1K,时系 统从外界吸收的热量。,11,热量,:,定,压,摩尔热容量,C,P,m,：,P=,常数,定,容,摩尔热容量,C,V,m,：,V=,常数,12,3.,内能,状态量,特点：,(,只与始末两态有关，与中间,过程无关,),气体的,内能,13,1,0,作功,和,传热,对改变系统的内能效果是一样的。,（要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）,2,0,国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（,J,）。,（,1,卡,=4.18,焦耳,),3,0,功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身绝不是内能。,内能：,态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。,功、热量：,只有在状态变化过程中才有意义，状态不,变，无功、热可言。,4,0,作功、传热在改变内能效果上一样，但有本质别：,作功：,通过物体宏观位移来完成，是系统外物体的有,规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换。,传热：,通过分子间的相互作用来完成，是系统外、内分子无规则运动之间的转换。,注意,：,14,三、,热力学第一定律,微分形式,积分形式,1.,数学表达式,准静态过程,15,2.,热力学第一定律的物理意义,（,1,）,系统从外界所吸收的热量,Q,一部分用于,系统对外作功,，一部分,使系统内能增加,。,（,2,）,热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒,定律。,问：,经一循环过程不要任何能量供给不断地对外作功，,或较少的能量供给，作较多的功行吗？,第一类永动机是不可能制成的！,热一律可表述为：,16,1,0,热一律的适用范围：,任何,热力学系统的,任何,热力学过程。,(,平衡过程可计算,Q,、,A),2,0,对只有压强作功的系统热一律可表为：,注意：,17,3.,热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,对平衡过程计算,:,根据：,18,1.,等容过程,（,1,）,特征：,V=,恒量，,dV,=0,，,参量关系,:P/T=,恒量,（,2,）,热一律表式：,对有限变化过程,系统吸收的热量全部用来增加系统本身的内能。,意义：,19,（,3,）,定容摩尔热容,：,1,摩尔,气体在,等容,过程中，,温度升高（或降低）,1K,所吸收（或放出）,的热量。,单原子分子,双原子分子,多原子分子,20,（,4,）,内能增量：,等容过程,（适用于任何过程）,21,2.,等压过程,（,1,）,特征：,P=,恒量，,dP,=0,，,参量关系,:,（,2,）,热一律表式：,作功：,内能增量：,意义：,系统吸收的热量，一部分对外作功，一部分增加自身的内能。,22,（,3,）,定压摩尔热容,：,1,摩尔,气体在,等压,过程中，,温度升高（或降低）,1K,所吸收（或放出）,的热量。,（迈耶公式）,23,比热容比,单原子分子,双原子分子,等压过程,多原子分子,24,3.,等温过程,（,1,）,特征：,T=,恒量，,d T=0,，,dE,0,参量关系：,PV=,恒量,（,2,）,热一律表式,意义：,系统吸收的热量全部用来对外作功。,功：,25,（,3,）,“,定温摩尔热容,”,等,温,过程,26,作业：,3.1 3.3 3.6 3.7,27,1.,等容过程,2.,等压过程,28,3.,等温过程,29,(Adiabatic Process),4.,绝热过程,（,1,）,特征,参量关系（泊松方程）,（,2,）,热一律表式,绝热,30,意义：,当气体绝热膨胀对外作功时，气体内能,减少。,功：,（2）,内能改变：,绝,热膨胀靠的是内能减少。,（温度降低）,（,1,）,31,绝热方程推导：,见书,P,118119,32,33,绝热过程方程（泊松方程）,（,3,）,“,绝热摩尔热容,”,34,等温线,斜率,绝热线,斜率,（,4,）,绝热线,与,等温线,的比较,35,结论,：,绝热线比等温线,陡峭,同一点 斜率之比,绝热,等温,自学,绝热自由膨胀,P,122124,36,过程 特征 参量关系,Q A E,等,容,等压,等温,绝热,V,常量,P,常量,T,常量,（,P/T,）,=,常量,（,V/T,）,=,常量,PV =,常量,常量,常量,常量,=,=,=,g,-,-,g,-,g,g,T,P,T,V,PV,1,1,37,例,1,（,4346,）,试证明 刚性分子理想气体,作等压膨胀时，若从外界吸收的热量为,Q,，,则其气体分子平均动能的增量为,Q/(,N,A,),式中,为比热容比。,证明,:,理想气体分子,平均动能,的,增量,38,对等压过程,一摩尔刚性分子,理想气体,39,例,2,（,4694,）,某理想气体在,P-V,图,上等温线,与绝热线相交于,A,点，如图，已知,A,点的,压强,P,1,=2,10,5,Pa,，,体积,V,1,=0.5,10,-,3,m,3,，,而且,A,点处等温线斜率与绝热线斜率之,比为,0.714,，现使气体从,A,点绝热膨胀至,B,点，其体积,V,2,=1,10,-,3,m,3,。,求,（,1,）,B,点处的压强,（,2,）在此过程中气体对外作的功,40,例,2,（,4694,）图,解：,（,1,）,B,点处的压强,由绝热过程方程,41,（双原子分子）,42,（,2,）在此过程中气体对外作的功,43,例,3,（,5078,）,一个可以,自由滑动,的,绝热,活塞,（不漏气）把体积为,2V,0,的,绝热,容器分成,相等,的两部分,A,、,B,。,A,、,B,中各盛有摩,尔数为,的刚性分子理想气体，（分子,的自由度为,）,温度均为,T,0,。,今用一外力,作用于活塞杆上，缓慢地将,A,中气体的,体积压缩为原体积的一半。忽略摩擦以,及活塞杆的体积。求外力作的功。,44,所以，外力作的功应,等于,A,、,B,容器内气体内能的总增量。,例,3,（,5078,）,解答,设：,A,、,B,中气体末态的温度分别为,T,1,和,T,2,，,A,、,B,中气体内能的增量分别为,E,A,和,E,B,。,因为容器是,绝热,的，,45,即：,46,同理有,47,（,练习,）,如图所示，一个,四周用绝热,材 料制成的气缸，中间有一,固定,的用,导热,材料制成的,导热板,C,把气缸分成,A,、,B,两 部分。,D,是一,绝热,的活塞。,A,中盛有,1,mol,氦气，,B,中盛有,1,mol,氮气（均视为刚性分子的理想气体）。今外界缓慢地移动活塞,D,，,压缩,A,部分的气体，对气体作功为,A,，,试求在此过程中,B,部分气体内能的变化。,氦气,氮气,48,（练习）,如图所示，,C,是固定的,绝热壁,，,D,是,可动,活塞，,C,、,D,将容器分成,A,、,B,两部分。,开始时,A,、,B,两室中各装入同种类的理想气体，,它们的温度,T,、,体积,V,、,压强,P,均相同，并与大,气压强相平衡。现对,A,、,B,两部分气体缓慢地,加热，当对,A,和,B,给予相等的热量,Q,以后，,A,室,中气体的温度升高度数与,B,室中气体的温度升,高度数之比为,7:5,。求,:,49,（,1,）求该气体的定容摩尔热容,C,V,和定压摩,尔热容,C,P,（,2,）,B,室中气体吸收的热量有百分之几用于,对外做功？,50,（练习）,一定量的理想气体，从,P-V,图,上初态,a,经历（,1,）或（,2,）过程到达末,态,b,，,已知,a,、,b,两态处于同一条绝热线,上（图中虚线是绝热线），问两过程中,气体吸热还是放热？,（,A,）（,1,）,过程吸热 （,2,）过程放热,（,B,）（,1,）,过程放热 （,2,）过程吸热,（,C,）,两种过程都吸热,（,D,）,两种过程都放热,（,1,）,（,2,）,51,四、循环过程及卡诺循环,1.,循环过程：,物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样,周而复始,的变化过程称为循环过程，简称为循环。,过程按,顺时针,进行叫,正循环,，反之，叫,逆循环,。,（,1,）,特征,d E=0,E=0,（,3,）,热功计算：按各不同的分过程进行，总合起来求得,整个循环过程的,净热量、净功。,（,2,）,通过各种平衡过程组合起来实现。,52,(,1,),热机,(Heat Engine),利用,工作物质,持续不断地把,热转化为功,的装置。,2.,热机 致冷机,什么过程能对外做功？,等压,等温,绝热,什么过程最好？,0,实际上，,仅仅等温过程,是不行的！,系统从外界,吸收,的热量,系统对外界,所作的,净功,热,功,53,热机循环,利用工作物质持续不断地把,热转化为功,的循环。,热,机循环的循环箭头是,顺,时钟的,（,正,循环）,系统对外界所作的,净功,=,循环,曲线包围的,面积,是正循环,以保证,54,热机循环效率,净功,吸热,55,热机发展简介,1698,年萨维利和,1705,年纽可门先后发明了,蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低,.,1765,年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率,.,人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展,.,56,各种热机的效率,液体燃料火箭,柴油机,汽油机,蒸汽机,57,热机,:,持续地将热量转变为功的机器,.,58,致冷机,(Refrigerator),通过对系统做功，从而从,低,温热源,吸取,热量的装置。,致冷机循环,（,逆,循环）,利用工作物质持续不断地把,功转化为热,的循环。,（,2,）致冷机：将热机的工作过程反向运转（逆,循环），就是致冷机。,59,制冷机制冷系数,（循环效率）,热,系统,吸收,的,热量,功,外界对系统,所作的,净功,致冷,机循环的循环箭头是,逆,时钟,外界对系统所作的,净功,=,循环,曲线包围的,面积,60,冰箱循环示意图,61,例,1,汽油机可近似看成如图循环过程,(Otto,循环,),，其中,AB,和,CD,为绝热过程，求此循环效率,.,吸,放,C,D,B,A,P,V,1,V,2,解,62,又,CD,和,AB,是绝热过程：,所以,吸,放,C,D,B,A,P,V,1,V,2,63,作业：,3.8 3.9 3.10 3.20,64,卡诺循环是由,两个等温,过程和,两个,绝热,过程,相间,组成,特点：,3.,卡诺循环,1824,年,28,岁的工程师卡诺提出,最理想的循环,动画,65,卡诺（,17961832,）,66,卡诺,热,机循环,蓝色,等温线,红色,绝热线,（,1,）,1,2,，等温膨胀（）,特点：,系统从外界,吸,热,系统对外界作功,Q,吸,T,1,T,2,膨胀,67,（,2,）,2,3,，,绝热膨胀,过,程，温度下降至,低,温热源温度,特点：,系统对外界作功,膨胀,68,（,3,）,3,4,，,等温压缩,（）,特点：,外界,对,系统,作功,系统向外界,放,热,Q,放,被压缩,69,（,4,）,4,1,，,绝热压缩,过程，,经此过程，系统回到,原来状态，完成一个,循环。,特点：,外界,对,系统,作功,被压缩,70,一个循环完毕：,系统对外界作的,净功,系统内能增量,系统从外界,吸收,的,净,热量,系统从外界,吸收,的,净,热量,=,系统对外界做的,净功,71,热机的工作原理,系统所吸收的热量，不能全部用来对外作净功，必须有一部分传给冷源，才能进行循环。,T,1,T,2,净,动画,卡诺,热,机循环效率,净,72,2,0,卡诺热机的效率只与,T,1,、,T,2,有关，与工作物无关。,1,0,从单一热源吸取热量的热机是不可能的,3,0,不可能,等温,循环,动画,讨论,73,卡诺,制冷,机循环,（,1,）,14,，,绝热膨胀,过程，,系统温度下降至,低,温,热源温度,（,2,）,4,3,，等温,膨胀,（）,系统,吸,热,74,（,3,）,3,2,，,绝热压缩,过,程，温度上升到,高,温热源,（,4,）,21,，,等温压缩,（）,经此过程，系统回到,原来状态，完成一个,制冷,循环。,系统,放,热,75,卡诺,制冷,机制冷系数,卡诺致冷机,原理：,工作物质从低温热源吸热，又接受外界所作的功,，向高温热 源放出热量。,T,1,T,2,动画,76,图中两卡诺循环 吗？,讨 论,77,例,2,一电冰箱放在室温为 的房间里，冰箱储藏柜中的温度维持在,.,现每天有 的热量自房间传入冰箱内,若要维持冰箱内温度不变,外界每天需作多少功,其功率为多少,?,设在 至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的,55%,.,解,78,房间传入冰箱的热量,热平衡时,由 得,保持冰箱在 至 之间运转，,每天需作功,79,功率,80,例,.,一定质量的理想气体循环过程分析,Q,、,A,的正负,12,：等压，升温,23,：等温，升压,31：,等容、降温,大,大,小,小,小,大,小,大,81,作业：,3.25 3.29,82,