第五章 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,*,第五章 热力学第一定律,5.1,热力学过程,5.2,功,5.3,热量,5.4,热力学第一定律,5.4,热容量 焓,5.6,气体的内能 焦耳,-,汤姆孙实验,5.7,第一定律对理想气体 的应用,5.8,循环过程和卡诺循环,一、过程,当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称,过程,。,热力学过程,非静态过程,准静态过程,准静态过程：,系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有中间态都可以近似地看作平衡态的过程。,非静态过程：,系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有中间态为非平衡态的过程。,5.1,热力学过程,二、驰豫时间,处于平衡态的系统受到外界的瞬时微小扰动后，若取消扰动，系统将恢复到原来的平衡状态，系统所经历的这一段时间就称为,弛豫时间,，这个过程称为,弛豫过程,。,平衡态的特点,1,2,准静态过程的过程曲线可以用,p-V,图来描述，图上的每一点分别表示系统的一个平衡态。,6,A,x,dx,2,、气体对外界所作的功为：,所作的总功为：,p,p,1,p,2,0,V,1,V,2,V,V,V+dV,6,1,、外界对气体所作的元功为：,功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动,状态的变化,.,二 功,（体积变化所做的功,）,准静态过程功,功是过程量，作,功与过程有关,.,注 意：,等压过程：,等体过程：,),(,),(,1,2,1,2,2,1,T,T,R,W,V,V,p,pdV,W,V,V,-,-,=,-,-,=,-,=,n,利用状态方程可得：,0,0,=,=,W,dV,Q,等温过程,：,1,2,ln,2,1,2,1,V,V,RT,V,dV,RT,pdV,W,V,V,V,V,n,n,-,=,-,=,-,=,。,说明外界对气体作负功,则,若膨胀时，,0,1,2,W,V,V,1,2,2,2,1,1,ln,p,p,RT,W,V,p,V,p,n,=,=,Q,三、其它形式的功,L,x,dx,F,A,L,x,dx,F,A,1.,表面张力功,液体表面像张紧的膜一样表面内存在着张力，这种力称,表面张力,(surface tension),。,单位长度所受到的表面张力称为表面张力系数,2.,拉伸弹性棒所作的功,弹性棒拉伸发生形变时，其体积改变量与总体积之比极小，故不必考虑体积功。,但整个弹性棒是由分子之间作用力把它联结起来的，所以弹性棒两端受到外力作用而达到平衡时，被任一横截面所分割的弹性棒的两部分之间均有相互作用力，,l,0,l,0,+dl,F,F,A,外力所作元功为,d,W,=,F,d,l,3.,功的一般表达式,x,是,广义坐标，它是,广延量,，广延量的,特征,是：若系统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一倍。,Y,是广义力，它是,强度量,，强度量的,特征,是：当系统在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。,四 热 量,问题：,（,1,）,热传递的条件？,（,2,）,热质说的内容？错在何处？,（,3,）,焦耳系列实验的结论？热量的本质是什么？,通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递,.,过程量：与过程有关,注 意,五,.,内能（系统内部的能量）,描述系统状态的一个物理量（系统内所有分子热运动的能量）,注 意,1.,内能是状态量,内能的变化（增量）与经历的过程无关,2,、内能是一种宏观热力学的观点，不考虑微观 的本质,3,、内能是一个相对量,4,、热学中的内能不包括物体整体运动的机械能,。,5,、内能概念可以推广到非平衡态系统。,6,、有些书上提到的热能实质上是指物体的内能。,4.4,热力学第一定律,迈耶、焦耳、亥姆霍兹是一致公认的热力学第一定律三位独立发现者,能量守恒和转化定律：自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。,一、热力学第一定律的内容,二、热力学第一定律的数学表达式,1.,某一过程，系统从外界吸热,Q,，,对外界做功,W,，,系统内能从初始态,E,1,变为,E,2,，,则由能量守恒：,对于准静态过程，如果系统对外作功是通过体积的变化来实现的，则,2.,无限小过程,3.,系统各部分之间不平衡如果热力学系统包含许多部分,各部分之间没有达到平衡,各部分相互作用很小,各部分本身能分别保持平衡态,系统总的内能等于各部分内能之和,+,系统吸热,系统放热,内能增加,内能减少,系统对外界做功,外界对系统做功,第一定律的符号规定,4.,非平衡态热力学系统,如果热力学系统各部分都不处在平衡态,各部分各有其内能还各有其动能,则每一小部分用下一式,:,1,）能量转换和守恒定律,.,第一类永动机是不可能制成的,(,不消耗任何能量而能不断对外做功的机器,).,2,）实验经验总结，自然界的普遍规律,.,物理意义,第一类永动机,第一类永动机,第一类永动机,要科学，不要永动机！,焦耳,一 等体过程 气体定体摩尔热容,4,）过程方程 常量,1.,特性,常量,1,）,2,）,3,）,P,V,图上是一条直线,（等体线）,4.5,热力学第一定律的应用,3.,定体摩尔热容,:,2.,热力学第一定律,在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加气体的内能,理想气体在等体过程中吸收的热量 ，使温度升高,其定体摩尔热容为,热力学第一定律,二 等压过程 定压摩尔热容,4,）过程方程 常 量,1,）常量,2,）功,1,2,W,3,）,P,V,图上是一条直线,（等压线）,1.,特 性,3.,定压摩尔热容,:,2.,热力学第一定律,在等压过程中，气体吸收的热量一部分用来增加气体的内能，另一部分使气体对外做功,理想气体在等压过程中吸收的热量 ，使温度升高,其定体摩尔热容为,可得定,压,摩尔热容和定体摩尔热容的关系,摩尔热容比,三,.,比 热 容,热容,比热容,单原子分子,3R/2 5R/2 1.67,双原子分子,5R/2 7R/2 1.40,多原子分子,3R 4R 1.33,分子,四 等温过程,1,2,1,）,常量,4,）过程方程,常量,1.,特性,2,）,3,）,P,V,图上是一条曲线,（等温线）,2.,热力学第一定律,在等温过程中，气体吸收的热量全部用来对外做功,五 绝热过程,与外界无热量交换的过程,3,）过程方程（,绝热,方程）,1,）绝热,2,）,P,V,图上是一条曲线,（绝热线）,1.,特 性,1,2,常量,常量,常量,2.,热力学第一定律,在绝热过程中，系统对外界做功使系统内能减少,3.,讨论,1,）绝热方程的推导,2,）,P,V,图上绝热线和等温线的比较,绝热,过程曲线的斜率,等温,过程曲线的斜率,常量,常量,绝热线的斜率大于等温线的斜率,.,A,B,C,常量,原因,:,等温过程中压强的减小仅是体积增大所致，而在绝热过程中压强的减小是由于体积增大，同时温度降低两个因素所致,.,38,n=0,等压过程,n=1,等温过程,n=,绝热过程,n=,等体过程,1,、,n,为多方指数,n=,n=,n=1,n=0,等温,绝热,等体,等压,p,V,0,TV,n-1,=C,P,n-1,T,n,=,C,六 多方过程,3,、多方过程摩尔热容,2,、多方过程的功：,n,代替,所有满足,pV,n,=,常数,的过程都是,理想气体多方过程,，其中,n,可取任意实数。,综合（,1,）（,2,）和（,3,），可消去,dP,dV,和,dT,从而得到,一 定体热容与内能,1.,热容量,一个物体吸收热量后它的温度变化情况决定于具体的过程及物体的性质,，热容正集中概括了物体吸收了热量后的温度变化情况,我们知道，物体吸收热量与变化过程有关。以理想气体为例，考虑右图诸过程中所吸收的热量。,5.5,热容与焓,其中常用到的是定体比热容,C,V,、定压比热容,C,P ,定体摩尔热容,C,V,m,及定压摩尔热容,C,P,m,升高相同温度沿不同过程进行时,吸收热量各不相同，所以在不同过程中热容是不同的。,2.,摩尔定体热容,若为理想气体,E=E,（,T,），与,v,无关,二 定压热容与焓,H,对于定压过程,可改写为,定义函数焓,(enthalpy),H=E+,pV,因为,E,、,p,、,V,都是状态函数，故它们的组合,H,也是态函数。,2.,摩尔定压热容,若为理想气体,H=H,（,T,），与,v,无关,三 定体热容与定压热容的关系,讨论：,1,）迈耶在,1842,年根据此式计算热功当量为,1cal=3.58J,2,）表明定压过程中吸热要比定容过程多，,why,？,因为定压过程吸热除了使内能增加外还要对外做功，而定容过程吸收的热量仅用来增加系统的内能。,5.6,气体的内能 焦耳,-,汤姆逊实验,一、焦耳实验,焦耳在气体的绝热自由膨胀实验中发现气体膨胀前后温度没有改变,Q=0,W=0,于是,E,2,=E,1,因此,气体的内能仅是温度的函数而与体积无关,。,B,A,C,焦耳实验,二、焦耳,-,汤姆孙效应,焦耳,-,汤姆孙效应,节流过程,发现实际气体的内能与体积有关，绝热节流过程前后的焓不变。,节流、膨胀、制冷,分析上述绝热节流过程,。左方气体（外界）对已通过多孔塞的一定量的气体作功为,这一定量的气体通过多孔塞后它要推动右方的气体（外界）作功，于是外界对它作的负功为：,外界对一定量的气体所作的净功为：,设这一定量的气体在左边时内能为,在右边时内能为,注意是绝热过程有,由热力学第一定律可得出,或者,即,所以气体经绝热节流过程后焓不变。,系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程,.,一 循环过程,A,B,5.8,循环过程和卡诺循环,特 征：,1,）,2,）,热力学第一定律：,Q=W,3,）,P-V,图上为一条闭合曲线,4,）,循环过程分为正逆循环,5,）,循环过程的功,结论,:,在任何一个循环过程中,系统所作的净功在数值上等于,p-V,图上循环曲线所包围的面积,.,正循环,:,在p-V图上循环过程按顺时针进行,.,逆循环,:,在p-V图上循环过程按逆时针进行,.,二 热机效率和致冷机的致冷系数,1.,热机,：利用工作物质，不断地将热转化为功的机器，其循环为正循环。,热机（,正,循环）,A,B,热机,热机效率,高温热源,低温热源,2.,致冷机：,致冷机（,逆,循环）,A,B,致冷机致冷系数,致冷,机,高温热源,低温热源,冰箱循环示意图,1,4,2,3,例,1,1 mol,氦气经过如图所示的循环过程，其中,求,12,、,23,、,34,、,41,各过程中气体吸收的热量和热机的效率,.,卡诺,循环是由两个准静态,等温,过程和两个准静态,绝热,过程组成,.,三 卡诺循环,低温热源,高温热源,卡诺热机,W,A,B,C,D,W,A,B,C,D,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B等温膨胀,B C,绝热膨胀,C D,等温压缩,D A,绝热压缩,卡诺循环,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高,.,W,A,B,C,D,高温热源,低温热源,卡诺致冷机,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机,致冷,系数,1,）,在,相同,高温热源和低温热源之间工作的任,意工作物质的,可逆机,都具有,相同,的效率,.,三 卡诺定理,2,）,工作在,相同,的高温热源和低温热源之间的一切,不,可逆机的效率都,不可能,大于可逆机的效率,.,(,不,可逆机,),（,可逆,机,）,以卡诺机为,例，有,四、内燃机循环,1,、定体加热循环（,奥托循环,）,K,为绝热容积压缩比，,K,越大，效率越高。,如：当,K=7,时，效率为,44%.,P,V,V,2,V,1,Q,1,Q,2,O,1,2,3,4,绝热线,g,g,h,-,-,-,=,-,=,-,=,-,-,-,=,1,1,2,1,2,1,2,3,1,4,1,),(,1,1,1,K,V,V,T,T,T,T,T,T,65,2,、定压加热循环（笛塞尔循环）,P,V,V,2,V,1,Q,1,Q,2,O,1,2,3,4,绝热线,V,3,),1,(,1,1,1,-,-,=,-,r,g,r,h,g,）,（,K,),(,1,),(,),(,1,1,2,3,1,4,2,3,1,4,1,2,T,T,TT,T,T,C,T,T,C,Q,Q,m,p,m,V,-,-,-,=,-,-,-,=,-,=,g,h,r,=,=,2,3,2,3,V,V,T,T,设,3,、逆向斯特林循环,Q,2,Q,1,1,2,3,4,V,P,V,1,V,2,由两条等温线和两条等容线组成,从低温吸热,向外界放热,外界对工作物质作功,制冷系数,2,1,2,2,ln,V,V,RT,Q,n,=,2,1,1,1,ln,V,V,RT,Q,n,=,2,1,2,2,T,T,T,A,Q,-,=,=,e,2,1,2,1,2,1,ln,),(,V,V,T,T,R,Q,Q,A,-,=,-,=,n,萨迪,.,卡诺,(,Sadi,Carnot 1796-1832),介绍科学家,萨迪,.,卡诺,(,Sadi,Carnot 1796-1832),萨迪,卡诺是法国青年工程师、热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单，但有重要理论意义的热机循环,卡诺循环，并假定该循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关，创造了一部理想的热机（卡诺热机）。,卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和普遍的规律。,1824,年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途径，揭示了热力学的不可逆性，被后人认为是热力学第二定律的先驱。,在英国，当瓦特蒸汽机掀起了第一次工业革命的风暴以后，科学家和技术人员对热机的研究达到了空前的狂热。但是，一般的热学家和力学家都比较重视应用技术的研究。加之象瓦特、戴维这样一些对热力学做过一些开拓工作的人大都是在自学道路上成长起来的，不太擅长于运用数学和物理学的数理抽象方法进行研究，因此，热力学的真正的理论基础建立者，并不是他们，,萨迪,.,卡诺,(,Sadi,Carnot 1796-1832),而是兼有理论科学才能与实验科学才能的法国工程师萨迪,卡诺。,卡诺第一个对蒸汽机的效率进行了精密的物理和数学分析。建立卡诺原理。,德国医生迈尔,1840,年从荷兰到爪哇的船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上就必定守恒。,1847,年，德国物理学家赫耳姆茨于发表,论力的守恒,，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定不易的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。,例,将,500J,的热量传给标准状态下的,2,mol,氢,.(1),V,不变，热量变为什么？氢的温度为多少？,(2),T,不变，热量变为什么？氢的,p,、,V,各为多少？,(3),p,不变，热量变为什么？氢的,T,、,V,各为多少？,