热力学第一定理.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,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,*,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,*,热力学第一定理,1,统计物理学是从,微观上,来研究热学现象，但很多问题都要涉及到分子的许多细节，如分子的组成、分子的自由度等。有时并不能完全知道这些。这时可从宏观上来研究，以达相辅相成、互相补充的目的。,所谓从宏观上来研究，主要指从能量的角,度来研究。主要内容有：,1,）内能、功和热量；,2,）热力学第一定律及其对理想气体的应用,3,）热力学第二定律。,2,基本概念,一、热力学系统,热力学系统,（简称系统）：,由大量微观粒子组成,的有限的宏观物质系统。,孤立系统,：,与外界无物质和能量交换的系统,外界（环境）,：,系统以外的物质,开放系统,：,与外界有物质和能量交换的系统,封闭系统,：,与外界无物质，但有能量交换的系统,二、热力学物理量,1,、状态参量,描述处于平衡态的系统的性质的物理量，,p,V,T,。,p,：气体对器壁单位面积上垂直作用力。帕,3,V,：气体分子可以到达的空间。单位：立方米,T,：物体的冷热程度，分子热运动的剧烈程度。开,P-V(P-T,V-T),图中,“,点,”,表示平衡态,0,V,p,(p,1,V,1,T,1,),(p,2,V,2,T,2,),.,.,理想气体状态方程,M,：理想气体的质量,：理想气体的摩尔质量,R,：普适常数,混合理想气体状态方程,4,事实上说明这种办法不行。,在b-c过程中气体吸热,T：物体的冷热程度，分子热运动的剧烈程度。,利用绝热过程方程，整理化简：,在b-c过程中气体放热,分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、分子、原子内的能量、核内的能量等的总和，为气体的内能。,和两个等容过程（b-c，d-a）组成,理想气体的内能：分子的动能之和。,为压缩比，不能大于7,驰豫时间为：即从非平衡到平衡所需的时间。,过程中的每一中间状态都可看成是平衡态。,3)、理想气体模型（宏观）,刚性理想分子的平均总能量,4、排气过程，开放排气口，使气体的压强突然降到大气压，近似等体过程（过程da），再由飞轮的惯性带动，排出废气。,一般情况1 n ，多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。,和两个等容过程（b-c，d-a）组成,(2)在ac等容降温和cb等压膨胀过程中,因 a、b温度相同,故E=0。,一个系统的状态发生变化时，我们说系统经历了一个过程。,准静态过程,非准静态过程,:,过程中的每一中间状态都可看成是平衡态。,驰豫时间为,：即从非平衡到平衡所需的时间。,若过程所用的时间,t,系统有充分时间达到平衡，可视此过程为,准静态过程,。,2,、过程,u,外界对气体做功。,约为,1ms,，压缩一次,1s,。准静态过程。,T,1,+,T,T,1,+2,T,T,1,+3,T,T,2,系统,T,1,系统从外界吸收升温的准静态过程,5,3,、功,气体,F,dx,做功是使系统状态变化的一种方式，功是,能量传递,和,转化,的量度和重要表现形式。,系统对外做功（体积功）,1,）,A 0,系统,对外界做正功；,A 0,(2),等温过程,0,p,V,V,1,V,2,等压,7,4,、热量,系统通过,热传递,过程与外界交换能量的量度为热量,Q(,卡,).,热量与功的异同,:,Q0,Q0,，,=0,，,0,摩尔热容,比热,等压摩尔热容,等容,(,体,),摩尔热容,M,为物质的质量,系统温度升高,d,T,，所吸收的热量为,Q,16,三、理想气体的热容,1,、定容摩尔热容量,C,V,设,摩尔理想气体，经历等容过程,0,摩尔理想气体内能的计算,2,、定压摩尔热容量,C,p,(,迈耶公式,),设,摩尔理想气体，经历等压过程,-,迈耶公式,17,3,、热容比,分子种类,单原子分子,刚性双原子分子,刚性多原子分子,自由度,i=3,i=5,i=6,C,v,C,p,g,1.67,1.40,1.33,18,等容,V,过程,过程方程,内能,功,热量,1,0,d,E,=d,Q,;,Q,V,=,E,2,-,E,1,恒量,四、热力学第一定律在理想气体中的应用,19,等压,p,过程,过程方程,内能,功,热量,2,恒量,20,等温,T,过程,过程方程,功,内能,热量,3,恒量,21,例,.,一定量的理想气体在标准状态下体积为,10,-2,m,3,求,:,下列过程中气体吸收的热量,:,1.,等温膨胀到体积为,10,-2,m,3,;,2.,先等容冷却,再等压膨胀到,(1),所到达的终态。,10,5,Pa),p,1,V,1,a,p,2,V,2,b,o,V,m,3,p,pa,c,解,:(1),在,a,b,等温过程中,E,T,=0.,代入上式,得,(,吸热,),22,(2),在,a,c,等容降温和,c,b,等压膨胀过程中,因,a,、,b,温度相同,故,E,=0,。,应用公式,:,热力学第一定律和理想气体状态方程。,p,1,V,1,a,p,2,V,2,b,o,V,m,3,p,pa,c,23,系统和外界无热量交换进行的过程为绝热过程，,dQ=0,Q=0,理想气体状态方程,热力学第一定律,(1),、,(2),两式微分得：,1,、过程特征,(3),、,(4),两式联立，消去,d,T,泊松公式,五、绝热过程,24,绝热膨胀过程计算功的方法,将绝热方程 代入 得,25,2,、等温线与绝热线比较,等温线：,绝热线,绝热线比等温线更陡。,A,点斜率为,p,v,o,绝热线,等温线,A,p,A,V,A,A,点斜率为,3,、摩尔热容,等温膨胀,时是从外界吸热，对外作功，,内能不减少,。,绝热膨胀,则是靠,内能的减少，,系统温度要下降,故斜率大。,26,4,、理想气体绝热自由膨胀过程,绝热壁,+,隔板,初态：,(,p,0,V,0,T,0,),，右半部分为真空,终态：,(,p,1,2,V,0,T,1,),这一过程为绝热自由膨胀。问：,p,1,=,？,T,1,=,？,解法二：热一律,+,理想气体状态方程,解法一：由绝热方程求解,哪种正确？,过程是绝热的，故,Q,=0,，,向真空的膨胀，对外界不做功，故,A=,0,，,故,再由初、末态的状态方程,热一律：,第二种方法对，因为此过程非准静态过程，绝热方程不成立！,27,实际上，气体所进行的过程，常常既不是等温又不是绝热的，可表示为,PV,n,=,常量 （,n,为多方指数）,凡满足上式的过程称为,多方过程,。,n,=1,等温过程,n,=,绝热过程,n,=0,等压过程,n,=,等容过程,一般情况,1,n,，,多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。,说明：,理想气体的内能增量为,理想气体的状态方程对各种过程都成立。,六、多方过程,28,例,.,如图，理想气体的,p-V,图，,MT,为等温线，,MQ,为绝热线，,在,AM,BM,CM,三种准静态过程中：,（,1,）温度升高的是,过程；,（,2,）气体吸热的是,过程。,V,BM,CM,解,:,（,1,）,B,C,在等温线,TM,下方，分别处在另外温度较低的两条等温线上，故温度升高。,CM,（,2,）,QM,是绝热过程：,CM,过程：,CM,过程吸热。,P,M,A,T,B,Q,C,29,热机效率,卡诺定理,循环过程,-,物质系统经历一系列变化过程又回到初始状态的周而复始的过程。,事实上说明这种办法不行。,1,）,气缸长度是有限的,2,）,即使气缸可以做得无限长，但当气缸内压强与外界一致时，膨胀也将停止。,事实证明,:,要连续地把热转换为功只有利用循环过程,。,这种利用循环过程的机器称为,热机,。,恒,温,体,A,从外界吸热全部变为功等温膨胀最理想,（,),。,一、循环过程,30,习惯,无论是吸热还是放热，,Q,一律取正值,准静态循环过程,1,、热力学第一定律在循环过程中的形式,（系统完成一个循环又回到初态）,系统吸收的净热量等于系统对外作的净功,31,2,、准静态循环过程分类,沿顺时针进行的循环,正循环过程,沿逆时针进行的循环,逆,(,负,),循环过程,系统对外界做功：,热机循环,外界对系统做功：,制冷循环,32,介绍一个具体的热机,-,蒸汽机,热机须有工作物质、高温热源（锅炉）、低温热源（冷凝器）,高温热源,低温热源,热机,A,V,P,热机的效率,二、热机和制冷机,33,四冲程汽油内燃机的循环,-,奥托循环（）,具体工作过程,#,吸入燃料过程：气缸吸入汽油蒸汽和助燃空气，可看作,等压过程,（过程,ea),。,1,、压缩过程：活塞运动，将吸入的混合气体加以压缩，可看作,绝热过程,（过程,ab),。,2,、爆炸、做功过程：用电火花引起气体爆炸，气体压强剧增，由于爆炸事件短促，活塞在这一瞬间移动的距离很小，近似为,等体过程,（过程,bc,）。,4,、排气过程，开放排气口，使气体的压强突然降到大气压，近似,等体过程,（过程,da,），再由飞轮的惯性带动，排出废气。,a,b,c,d,V,1,V,2,p,V,e,3,、做功过程：在这巨大的压力推动下，活塞做功，可看作,绝热过程,（过程,cd,）。,34,求奥托循环的效率（四冲程汽油机的理想过程）,在,b-c,过程中气体吸热,在,d-a,过程中气体放热,（,a-b,，,c-d,）,是绝热过程,为压缩比，不能大于,7,a,b,c,d,V,1,V,2,p,V,e,35,致冷机,介绍一个具体的,致冷机,冰,箱,高温热源,低温热源,制冷机,A,V,P,从以上可以看出：,致冷机：在外界作功的条件下，从低温热源吸收热量传向高温热源,。,定义,：,致冷系数,单位数量的,功,能从低温热源,提取的热量,来说明致冷的性能。,36,求斯特林循环的逆向制冷效率,由两个等温过程（,a-b,，,c-d,）,和两个等容过程（,b-c,，,d-a,）组成,在,b-c,过程中气体放热,在,d-a,过程中气体吸热,在,a-b,过程等温压缩,在,c-d,过程等温膨胀,a,b,c,d,V,1,V,2,P,V,T,2,T,1,37,定义：由两个,等温过程,和两个,绝热过程,组成的准静态,循环过程为,卡诺循环,。,按卡诺循环工作的热机为,卡 诺 机,。,2.,卡诺机的热机效率,p,o,V,T,1,T,2,a,b,c,d,a b,等温膨胀吸热为：,由等温过程求吸热,Q,1,和放热,Q,2,:,c d,等温压缩放热为：,三、卡诺过程,38,代入热机效率一般公式：,利用绝热过程方程，整理化简：,b c,绝热膨胀：,d a,绝热压缩：,上面两式相除,卡诺循环效率,p,o,V,T,1,T,2,a,b,c,d,39,3.,卡诺致冷循环的致冷系数,卡诺制冷循环的制冷系数,w,c,也是在,T,1,和,T,2,两个温度之间工作的各种致冷机致冷系数的最大值。,提高高温热源的温度现实些,1.,理论指导作用,讨论：,2.,理论说明低温热源温度,T,2,0,，说明热机效率,3.,疑问：由热,I,律循环过程中，如果,说明,:,必然还有一个,独立,于热一律的定律存在，这就是,热二律,不违反热一律,现代热电厂的汽轮机利用的水蒸气温度达到,580,，冷凝水温度为,30C,，按卡诺循环计算,=1-T,1,/T,2,=64.5%,。实际情况差很多，最高为,36%,。,40,统计物理学基础小结：,一）一个重要的方程,二）两个重要的分布律：,A,）,Maxwell,分布律,B,）,Boltzmamn,分布律,三,),三种统计速率,41,四,),四个重要的统计规律：,1,）压强公式,2,）,温度公式,3,）能均分原理（平衡态中，均分到每个自由,度上的能量为二分之一,kT,刚性理想分子的平均总能量,M,克刚性理想气体的内能,4,）分子的平均自由程和碰撞频率,清楚意义了吗？,42,谢谢观看,谢谢观看,