物理B热力学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章第六章 热力学基础热力学基础第1页本章重点和难点重点：热力学第一定律在等体、等压、等温和绝热过程中详细讨论。循环效率计算和卡诺循环。难点：绝热过程方程推导、等温线和绝热线关系相关讨论。第2页6.1 6.1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量热力学第一定律热力学第一定律第3页一一 准静态过程准静态过程（理想化过程）（理想化过程）准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过每一中间状态均可近似看成平衡态过程每一中间状态均可近似看成平衡态过程.气体气体活塞活塞砂子砂子12第4页二二 功（过程量）功（过程量）宏观运动能量宏观运动能量热运动能量热运动能量第5页+系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能降低内能降低系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律符号要求第一定律符号要求 1 1）包含热现象在内能量转换和守恒定律）包含热现象在内能量转换和守恒定律.第第一类永动机是不可能制成一类永动机是不可能制成.2 2）试验经验总结，自然界普遍规律）试验经验总结，自然界普遍规律.物理意义物理意义第6页6.2 理想气体等体、等压等温和绝热过程第7页计算各等值过程热量、功和内能理论基础计算各等值过程热量、功和内能理论基础（1）（理想气体共性）（理想气体共性）（2）处理过程中能处理过程中能量转换问题量转换问题（3）（理想气体状态函数）（理想气体状态函数）（4）各等值过程特征各等值过程特征.（1）（理想气体共性）（理想气体共性）（1）第8页 理想气体内能改变理想气体内能改变 定体摩尔热容定体摩尔热容 定压摩尔热容定压摩尔热容 摩尔热容比摩尔热容比 理想气体摩尔热容理论计算理想气体摩尔热容理论计算第9页等体等体 等压等压 等温等温 绝热绝热过程过程过程特点过程特点过程过程方程方程热一律热一律内能改变内能改变摩尔热容摩尔热容第10页VPAB*o答：（答：（B）例例 一定量理想气体，由平衡态一定量理想气体，由平衡态 A B，则，则不论经过什么过程，系统必定：不论经过什么过程，系统必定：A）对外作正功；）对外作正功；B）内能增加；）内能增加；C）从外界吸热；）从外界吸热；D）向外界放热。向外界放热。功和热量都是过程量功和热量都是过程量,始末状态确定后，不一样过程，功和热始末状态确定后，不一样过程，功和热量是不一样量是不一样;而内能是状态量只决定于始末状态而内能是状态量只决定于始末状态,与过程无关与过程无关.第11页 例例 一定量理想气体从体积一定量理想气体从体积 膨胀到体积膨胀到体积 分分别经过以下过程，其中吸热最多过程是什么过程？别经过以下过程，其中吸热最多过程是什么过程？（A-BA-B等压过程；等压过程；A-CA-C 等温过程；等温过程；A-DA-D 绝热过程）绝热过程）解解ABCD第12页例例3(3(习题习题1010）如图所表示，一定量单原子分子理想气体，从如图所表示，一定量单原子分子理想气体，从A A状态出发，经过等压过程膨胀到状态出发，经过等压过程膨胀到B B态，又经绝热过程膨胀到态，又经绝热过程膨胀到C C态。试求全过程中气体对外所做功，内能增量以及吸收态。试求全过程中气体对外所做功，内能增量以及吸收热量。热量。第13页6.3 循环过程 卡诺循环第14页热机热机 ：连续地将热量转变为功机器：连续地将热量转变为功机器.工作物质（工质）：工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功物质热机中被利用来吸收热量并对外做功物质.第15页冰箱循环示意图冰箱循环示意图第16页热力学第一定律热力学第一定律净功净功特征特征一一 循环过程循环过程AB总吸热总吸热总放热总放热（取绝对值）取绝对值）第17页热机热机二二 热机效率和致冷机致冷系数热机效率和致冷机致冷系数热机效率热机效率高温热源高温热源低温热源低温热源热机（热机（正正循环）循环）AB第18页致冷机致冷系数致冷机致冷系数致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源AB第19页PVACBD等温等温绝热绝热过程内能增量E/J作功W/J吸热Q/JAB050BC-50CD-50-150DAABCD 循环效率循环效率 例例 一定量理想气体循一定量理想气体循环过程如环过程如 PV 图所表示，图所表示，请填写表格中空格请填写表格中空格.50500-100150015025%第20页1423 例例 1 1 mol 氦气经过如图所表示循环过程，其氦气经过如图所表示循环过程，其中中 ,求求12、23、34、41各过程中气体吸收热量和热机效率各过程中气体吸收热量和热机效率.解解 由理想气体物态方程得由理想气体物态方程得第21页1423第22页例（习题例（习题1515）1mol刚性双原子分子理想气体做如图所表刚性双原子分子理想气体做如图所表示可逆循环过程，其中示可逆循环过程，其中12为直线，为直线，23为绝热线，为绝热线，31为等温线。已知为等温线。已知T2=2T1，V3=8V1，试求：（，试求：（1）各）各过程所做功和传递热量；（用过程所做功和传递热量；（用T1和已知常量表示）和已知常量表示）（2）此循环效率。）此循环效率。第23页三三 卡诺循环卡诺循环 低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 卡诺卡诺循环循环两个准静态两个准静态等温等温过程过程两个准静态两个准静态绝热绝热过程过程组成组成第24页WABCD 理想气体卡诺循环热机效率计算理想气体卡诺循环热机效率计算 A B 等温膨胀等温膨胀 B C 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温压缩等温压缩 D A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环A B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热第25页A B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热C D 等温压缩放热等温压缩放热 D A 绝热过程绝热过程B C 绝热过程绝热过程 第26页 卡诺热机效率卡诺热机效率WABCD卡卡诺热机效率与工作物质诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源温度无关，只与两个热源温度相关，两热源温差越大，相关，两热源温差越大，则卡诺循环效率越高则卡诺循环效率越高.第27页WABCD高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数第28页 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗？讨讨 论论第29页6.4 热力学第二定律热力学第二定律第30页开尔文说法：不可能制造出这么一个开尔文说法：不可能制造出这么一个循环循环工作热机，工作热机，它只使它只使单一单一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量给其它物放出热量给其它物体，或者说体，或者说不不使使外外界发生任何改变界发生任何改变.第二定律提出第二定律提出1.1.功热转换条件第一定律无法说明功热转换条件第一定律无法说明.2.2.热传导方向性、气体自由膨胀不可逆性问题第热传导方向性、气体自由膨胀不可逆性问题第一定律无法说明一定律无法说明.热力学第二定律两种表述热力学第二定律两种表述 第31页等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一单一热源吸热作功，热源吸热作功，而而不不放放出热量给其它物体出热量给其它物体,但它但它非循环过程非循环过程.12W W低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD卡诺循环卡诺循环是循环过是循环过程，但需程，但需两个热源，两个热源，且使外界且使外界发生改变发生改变.第32页即使卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但即使卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生改变需外界作功且使环境发生改变.克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自动自动传到高温传到高温物体而物体而不不引发引发外界改变外界改变.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机WABCD第33页注注 意意1.1.热力学第二定律是大量试验和经验总结热力学第二定律是大量试验和经验总结.3.3.热力学第二定律可有各种说法，每一个说法都反热力学第二定律可有各种说法，每一个说法都反应了自然界过程进行方向性应了自然界过程进行方向性.2.2.热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法含有等效性法含有等效性.第34页准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程可逆过程可逆过程:在系统状态改变过程中在系统状态改变过程中,假如逆过程能重复假如逆过程能重复正过程每一状态正过程每一状态,而不引发其它改变而不引发其它改变,这么过程叫做可这么过程叫做可逆过程逆过程.可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程第35页 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程.不可逆不可逆过程：在不引发其它改变条件下，不能使逆过程过程：在不引发其它改变条件下，不能使逆过程重复正过程每一状态，或者虽能重复但必定会引发其它重复正过程每一状态，或者虽能重复但必定会引发其它改变，这么过程叫做不可逆过程改变，这么过程叫做不可逆过程.准静态过程（无限迟缓过程），且无摩擦力、粘滞力或准静态过程（无限迟缓过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量耗散过程其它耗散力作功，无能量耗散过程.可逆过程条件可逆过程条件第36页非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热自然界一切与热现象相关实际宏观过程都是不可逆自然界一切与热现象相关实际宏观过程都是不可逆.热力学第二定律热力学第二定律实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发第37页1 1）在在相同相同高温热源和低温热源之间工作任高温热源和低温热源之间工作任意工作物质意工作物质可逆机可逆机都含有都含有相同相同效率效率.卡诺定理卡诺定理2 2）工作在工作在相同相同高温热源和低温热源之间一切高温热源和低温热源之间一切不不可逆机可逆机效率都效率都不可能不可能大于可逆机效率大于可逆机效率.(不不可逆机可逆机)（可逆可逆机）机）以卡诺机为例，有以卡诺机为例，有第38页本章内容小结本章内容小结第39页1.准静态过程从一个平衡态到另一平衡态所经过每一中间状态均可近似看成平衡态过程.准静态过程在平衡态 p V 图上可用一条曲线来表示2.准静态过程功计算（功是过程量）（功是过程量）3.3.热量：热量是高温物体向低温物体传递能量热量：热量是高温物体向低温物体传递能量.（热量也是过程量）（热量也是过程量）摩尔热容：摩尔热容：1mol1mol理想气体温度升高理想气体温度升高1 1度所吸收热量度所吸收热量.（与详（与详细过程相关）细过程相关）第40页理想气体内能改变与理想气体内能改变与 关系关系5.5.热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 系统从外界吸收热量，一部分使系统内系统从外界吸收热量，一部分使系统内能增加，另一部分使系统对外界做功能增加，另一部分使系统对外界做功.Q=EQ=E2 2-E-E1 1+W+W 对于无限小过程对于无限小过程 d dQ Q=d=dE E+d+dW W（注意（注意：各物理量符号要求）：各物理量符号要求）内能是内能是状态量状态量 E=EE=E(T T)4.4.理想气体内能：理想气体内能：理想气体不考虑分子间相互作用，其内理想气体不考虑分子间相互作用，其内能只是分子无规则运动能量（包含分子内原子间振动势能）能只是分子无规则运动能量（包含分子内原子间振动势能）总和，是温度单值函数总和，是温度单值函数.第41页6.6.循环循环:系统经过一系列状态改变后，又回到原来状态过程叫循环系统经过一系列状态改变后，又回到原来状态过程叫循环.循环可用循环可用 p pV V 图上一条闭合曲线表示图上一条闭合曲线表示.热机效率热机效率 热机热机:顺时针顺时针方向进行循环方向进行循环致冷系数致冷系数 致冷机致冷机:逆时针逆时针方向进行循环方向进行循环卡诺热机效率卡诺热机效率卡诺致冷机卡诺致冷机致冷系数致冷系数卡诺循环卡诺循环:系统只和两个系统只和两个恒温热源进行热交换准静态恒温热源进行热交换准静态循环过程循环过程.第42页开尔文表述开尔文表述开尔文表述开尔文表述:不可能制造出这么一个循环工作热机，它只使单一不可能制造出这么一个循环工作热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何改变生任何改变.克劳修斯表述克劳修斯表述克劳修斯表述克劳修斯表述 不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引发外界改变发外界改变.7.7.热力学第二定律热力学第二定律8.8.可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程在系统状态改变过程中，假如逆过程能重复正过程每一状态在系统状态改变过程中，假如逆过程能重复正过程每一状态,而而不引发其它改变不引发其它改变,这么过程叫做这么过程叫做可逆可逆过程过程.反之称为反之称为不可逆不可逆过程过程.热力学第二定律热力学第二定律实质实质：自然界一切与热现象相关实际宏观过程都是自然界一切与热现象相关实际宏观过程都是不可逆不可逆.第43页9.9.卡诺定理卡诺定理1）在相同高温热源和低温热源之间工作任意工作物质可逆机都含有相同效率.2）工作在相同高温热源和低温热源之间一切不可逆机效率都不可能大于可逆机效率.第44页