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1、热力学第一定律,13 - 1,准静态过程 功 热量,热力学研究的对象为热力学系统。,热力学系统可以是气体、液体、固体。本章只研究理想气体。,热力学系统的状态随时间变化的过程为热力学过程。,热力学过程中所经历的各个状态都由热平衡态构成的过程，为准静态过程。,如果其中有一个状态为非平衡态，则此过程为非准静态过程。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，则该过程为非准静态过程。,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，则此过程为非准静态过程。,对非常缓慢的过程可近似认为是准静态过程。例如气缸活塞的速度大约
2、为10m/s,而气缸内气体密度、压强趋于均匀的过程以慢速进行，此时则可看成是准静态过程。,准静态过程中气体的各状态参量都有确定的值，可在 PV 图上作出连续的过程曲线。,如果过程进行的时间t ,可视为准静态过程；,如果过程进行的时间t ,则为非准静态过程；,系统来得及恢复平衡态。,系统来不及恢复平衡态。,驰豫时间,系统从非平衡态过渡到平衡态所用的时间。,气体膨胀推动气缸活塞对外作功。,2.气体作功的计算,由功的定义：,例如：气缸内的气压大于外界大气压,四、功,1. 功是系统内能变化的量度。系统作功是通过物体作宏观位移来完成的。,如果体积变化从 V1V2，在整个过程中气体作功为：,元功,压强,在
3、PV图中曲线下的面积为功,曲线下的面积：,功的大小不仅取决于系统的始末状态，且与系统经历的过程有关，,功是过程量,从图中可看出， 1-2与1-1-2两个过程的始末状态相同，但过程曲线不同，两条曲线下的面积不同，则作功也不同。,注意：作功与过程有关 .,1,当气体膨胀时, W0, 系统作正功,外界对系统作负功.,2.当气体压缩时,W0,系统作负功,外界对系统作正功.,五、热量,热量是高温物体向低温物体传递的能量。,热量是系统内能变化的量度，是过程量。,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 .,如一杯80C的热水，向周围温度较低的空气放出热量，这是一个过程，而说这杯水
4、具有多少热量是错的，具有的是内能，当水温度下降时，内能也减小。,2.热量与温度的区别,热量是系统内能变化的量度，是过程量。,温度反映物体冷热程度，是分子平均平动动能的标志，是状态量。,1）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；,3）功与热量的物理本质不同 .,1卡 = 4.186 J ， 1 J = 0.24 卡,3.功与热量的异同,4.热量的计算,热量,定义: C为摩尔热容：,1 mol 气体温度升高或降低 1 C(或k) 所吸收或放出的热量。,摩尔热容还可定成,1mol物质升高单位温度所吸收的热量。,理想气体吸热后，对不同的过程吸热也不一样。因此对不同过程引入不同的摩
5、尔热容。,等容过程：引入摩尔定体热容CV，表示在等容过程中，1 mol 气体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量。,符号,表示“元”，因为Q不是状态函数，,不能写成微分。,等压过程：引入摩尔定压热容CP，表示在等压过程中，1 mol 气体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量。,热量,热量,13-2,热力学第一定律 内能,内能,一 内 能 （状态量）,实验证明系统从 A 状态变化到 B 状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变 .,系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关 .,理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 ,理
6、想气体的内能仅是温度的函数 .,1.气体内能,2.内能增量,始末两态气体内能的变化。,单原子分子气体,双原子分子气体,多原子分子气体,要改变理想气体的内能应想办法改变系统的温度.,实质,内能,功,热量的国际标准单位都是J(焦耳).4.186J=1cal,热力学第一定律,热力学第一定律实际上是包括热现象在内的能量守恒与转换定律。,一、规定内能增量、功、热量的正负,1.内能增量,系统温度升高,系统温度降低,2.功,体积膨胀,系统对外界做正功。,体积收缩,系统对外界做负功，,或外界对系统作功。,3.热量,系统吸热,系统放热,外界对系统作功，使内能增加，再通过内能降低，系统放热。,3.明确几点,.注意
7、内能增量、功、热量的正负规定。,.热功转换不是直接进行的，而是间接的，内能是传递工具。,系统吸热后，先使内能增加，再通过降低内能对外作功。,.热力学第一定律是从实验中总结出来的，第一类永动机不能制成。,第一类永动机：即不从外界吸收能量，而不断对外作功的机械。,第一类永动机违反能量守恒定律。,凡例,例:如图,一系统由a态等容到c再等压到b后,有336J热量传入系统,而系统做功126J.(1)若经adb过程,系统做功42J,问有多少热量传入系统?(2)当系统由b态沿曲线ba返回a态时,外界对系统做功84J,问系统是吸热还是放热?热量传递是多少?(3)若Ed-Ea=168J,试求在ad及db二过程中
8、各吸热是多少?,210,210,252,-210,-294,42,0,42,210,42,作业:P257 13-14 13-15,13-14,CA过程是放热,传递热量252J。,13-15,由图中数据可知:,即A点和B点的温度相同.,对ACBDA循环过程:,对ACBDA循环过程,吸收的总热量为-500J,负号表示热量传递的总效果为放热.,13-3,理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,等容过程也称等体过程。,1.过程特点,系统的体积不变,2.过程方程,3.过程曲线,4.内能增量,5.功,由于等容过程体积不变，P V 图曲线下的面积为 0 ，气体作功为 0 。,6.热量,7.热力学第一定律应用
9、,等容摩尔热容,单原子分子气体,双原子分子气体,意义：等容过程系统吸热全部转变成内能。,多原子分子气体,内能增量又可写成,此公式不仅适用于等容过程，对任何过程都适用。,1.过程特点,系统的压强不变,2.过程方程,3.过程曲线,4.内能增量,5.功,6.热量,7.热力学第一定律应用,压强不变,等压摩尔热容,单原子分子气体,双原子分子气体,Mayer公式,多原子分子气体,CP CV 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。,等体等压例题,13-4,理想气体的等温过程和绝热
10、过程,1.过程特点,系统的温度不变,2.过程方程,3.过程曲线,4.内能增量,5.功,由理想气体状态方程,等温过程的功,（1）,6.热量,由过程方程,则等温过程的功,CT 是否有意义呢？对于等温过程温度不变，系统要升高1C需吸收无限多的热量。,则等温摩尔热容CT 趋于无限大。,（2）,7.热力学第一定律应用,因此无法使用,公式计算等温过程的热量。,等温过程,则,意义：等温过程系统吸热全部用来对外作功。,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
11、。,绝热过程,5.功,由,和,上下同除以CV ,（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，温度升高，使乙醚燃烧。,摩尔热容比,单原子分子气体,6.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）,7.过程曲线,将绝热线与等温线比较。,.等温线斜率,.绝热线斜
12、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。,绝热线,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,例：讨论下列几个过程温度变化、内能增量、功、热量的正负。,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
13、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,等温绝热例题,随堂小议,小议链接1,(1) Ea Eb,(2) Wab 0,(3) Qab 0,(4) 以上结论都不对,小议链接2,(1) Ea Eb,(2) Wab 0,(3) Qab 0,(4) 以上结论都不对,小议链接3,(1) Ea Eb,(2) Wab 0,(3) Qab 0,(4) 以上结论都不对,小议链接4,(1) Ea Eb,(2) Wab 0,(3) Qab 0,(4) 以上结论都不对,P226例1 设有 5 mol 的氢气，最初的压强为 温度为 ，求在下列过程中，把氢气压
14、缩为原体积的 1/10 需作的功: 1）等温过程，2）绝热过程 . 3）经这两过程后，气体的压强各为多少？,解 1）等温过程,2）氢气为双原子气体,由表查得 ，有,3）对等温过程,对绝热过程, 有,P226例2 氮气液化， 把氮气放在一个绝热的汽缸中.开始时,氮气的压强为50个标准大气压、温度为300K; 经急速膨胀后,其压强降至 1个标准大气压,从而使氮气液化 . 试问此时氮的温度为多少 ?,解 氮气可视为理想气体, 其液化过程为绝热过程.,氮气为双原子气体由表查得,作业:P257 13-17 13-18 13-19 13-21,思考P255 13-1 13-2 13-3,13-1,13-3
15、,初始时:,对刚性容器,体积V不变,Q=E,13-17,等温膨胀E=0,等压压缩,13-18,因为A,B点温度相同,13-19,解1:,式代入式,解2:,13-21,等压膨胀,等温膨胀E=0,绝热膨胀Q=0,式代入式,13-5,循环过程卡诺循环,1.什么是循环过程,热力学系统经历了一系列热力学过程后又回到初始状态，这个过程为循环过程。,2.准静循环过程,循环过程中每一个状态都是由热平衡态构成的，这个过程为准静循环过程。,3.准静循环过程的特点,经过一个循环，内能不变。,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；
16、返回时，系统放热，对外做负功；循环面积为正值。,正循环,热机,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。,5.可逆循环,条件：. 准静循环过程；,.无摩擦力、热损耗。,制冷机,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T1,低温热源T2,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
17、用百分数来表示。,例如：汽车发动机气缸活塞，从喷油嘴中喷出油雾，火花塞点火汽油燃烧，体积迅速膨胀，从燃烧的汽油中吸取热量，一部分对外作功，带动发动机转动，另一部分热量排放到大气（低温源）中。,播放动画,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 .,热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .,致冷机是逆循环工作的
18、，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T1,低温热源T2,1.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 (CCL2F2)，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，2005 年我国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。,播放动画,节流阀,冷凝器,压缩机,冰室,3.电冰箱工作原理,冰箱循环示意图,1.卡诺循环是由两条等温线和两
19、条绝热线组成的循环。,2.需要两个热源，高温源T1和低温源T2。,3.不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机。,4.热机效率为,动画,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为绝热过程过程,2 - 3 绝热膨胀过程,4 - 1 绝热收缩过程,上两式相比,即,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。,例如：波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。,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
20、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。,日本开发出陶瓷发动机，其良好的绝热性能可保持高温热源的温度。,美国的两个洲在2005年将禁止燃烧汽油的汽车进入，而使用燃料电池供电的汽车。,P232例1：奥托机是德国物理学家奥托发明的一种热机，以其原理制造的发动机现仍在使用。奥托机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构成.证明：热机效率为,进气阀,排气阀,活塞,点火装置,奥托热机,播放动画,解：,2-3为等容吸热过程,4-1为等容放热过程,热机效率,1-2为绝热压缩过程,3-4为绝热膨胀
21、过程,证毕,讨论：,一般为8，如采用双原子分子气体为工作,称为压缩比,物质，在理想的情况下，其热机效率为：,例：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，TA=1300K，TC=300K。 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,例 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 .,解 由理想气体物态方程得,
22、作业:P258 13-513-23 13-24 13-25 13-26,13-23,13-24,图中所示循环为正循环,即是热机.,解2:,13-25,13-26,本题中热机效率的表达式与卡诺循环相似，但并不是卡诺循环。因为卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成的，而且本题中的T1、T2只是温度变化中两特定点的温度,不是两等温热源的恒定温度。,13-6,热力学第二定律,引言,会自动发生,不会自动发生,续上,会自动发生,不会自动发生,气体自由膨胀,会自动发生,气体自动收缩,不会自动发生,续上,气体自由膨胀,会自动发生,气体自动收缩,不会自动发生,功转变成热量,会自动发生,热量自行转变成功,不会
23、自动发生,续上,功转变成热量,会自动发生,热量自行转变成功,不会自动发生,各种实际过程进行方向的规律性将用热力学第二定律来表述。,可逆与不可逆过程,可逆过程只是一种理想模型。准静态过程可视为可逆过程。,由于摩擦等耗散因素的实际存在，不可能使系统和外界完全复原。因此有关热现象的实际宏观过程和非准静态过程都是不可逆过程。,准静态无摩擦过程为可逆过程,可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.
24、,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,热力学第二定律的实质,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 .,定律的两种表述,外界需对系统作功，就属“其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。,表述的等价性,热力学第二定律的两种表述是等价的,（但实际上是不可能的）,凡例,堂上小议,结束选择,小议链接1,小议链接2,小议链接3,小议链接4,一 简答题：,1、什么是准静态过程？,2、 比较摩尔定体热容和摩尔定压热容的异同。,3、简述热力学第二定律的两种表述。,
