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1、第三章 热力学基础,结构框图,第一节 热力学第一定律,一、热力学系统 外界,平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为热力学平衡态。此时，状态参量有确定的值。,二、状态参量 平衡态,（1）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡,（2）平衡态和稳衡态 平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变 稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态,三、准静态过程,热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：,非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。,1.准静态过程,2.准静态过程的功,注意：非静态过程不适用,示功图：p
2、-V 图上过程曲线下的面积,结论：在准静态过程中，系统对外做的功在数值上等于P-V图上过程曲线下方的面积。,四、热力学第一定律,如果一个系统经过一个过程，其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。焦耳实验结果表明：用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的，如图所示。,1.焦耳实验,在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态。,2、系统的内能 热量,（1）系统内能 E,狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。,（2）热量的计算,热量：物体间由于温度差别而转移的能量,热量的传递称为传
3、热。传热有三种方式：热传导、对流、热辐射。,摩尔热容：,物质的比热容,摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。,注意：热量也是过程量,等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）,等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）,3.A 与 Q 比较,3 热力学第一定律,准静态过程：,理想气体：,微变过程：,（1）热力学第一定律的数学形式,第二节 热力学第一定律的应用,一、等容过程（dV=0，V=C),（2）热力学第一定律的具体形式,（3）等体摩尔热容,吸热全部用于增加内能
4、：,注意：,适用于一切过程,二、等压过程(dp=0 p=C),（2）热力学第一定律的具体形式,（3）等压摩尔热容,由,可得,三、等温过程(dT=0 T=C),（2）热力学第一定律的具体形式,吸收的热量全部用于对外做功,（1）过程方程,热力学第一定律,令,有,两边同除以,有,两边积分，得,过程方程的推导,（2）热力学第一定律的具体形式,*五、绝热线和等温线的比较,a.比较斜率,b.比较压强变化,使同一理想气体从相同初态压缩相同体积,*5.多方过程(一般情况),小结：,练习1,答案：不可能发生的有:(1),(2),(3),例1.讨论理想气体在如图所示两过程中,T,E,A和Q的正负.,判定 的正负：
5、,由图知:,例：有bmol理想气体，其定容摩尔热容为3R/2，若按如图所示的无摩擦准静态过程由C状态变到Z状态，求它对外所做的功和吸收的热量。,第三节 热力学第二定律,一、循环过程,1.定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程。,参与循环的物质称为工作物质。,3.正循环及其效率,净功,整个过程吸的净热,整个过程对外做的净功,d,和 取绝对值,由于,所以,热机的能量转换:,热机效率:,热机及其效率,热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置。,实例：蒸汽机的循环,4.逆循环及致冷系数,和 取绝对值,由于,所以,外界对系统做的净功,注意：这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷
6、库吸收的热量 衡量致冷的效力,致冷机及致冷系数,致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。,致冷系数,实例：电冰箱,（1）高温热源与低温热源是相对的。,注意：对于热机和致冷机：,正循环中，把热量传递给工作物质的热源叫高温热源；反之就是低温热源。逆循环与正循环正好相反。,（2）热量,逆循环,（3）功,正循环,逆循环,正循环,二、卡诺循环,18世纪末19世纪初，蒸汽机的效率很低，不能满足资本主义大工业的需要。提高热机效率，解决动力问题就成了当时的首要任务。法国工程师卡诺认为：“要最完整地研究由热得到动力的道理，必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且
7、可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作”。在此思想的指导下，提出了一个十分重要的循环-卡诺循环。,1.卡诺循环及其特点：,卡诺正循环或卡诺逆循环与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）2）不与其它热源交换能量（两个绝热过程）,如何在 P-V 图中表示？,卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的循环过程。,卡诺循环过程：,正循环,逆循环,2.理想气体的卡诺循环,1)卡诺正循环的效率,等温过程：,绝热过程：,一般地，对于一个由 个分过程构成的循环有：,注意：,等温过程：,2)逆循环致冷系数,注意：,练习1:,20-16,解：1-2:,等温压缩,3-1:,练习2.,解：
8、,(2)效率,(3)与A内能相同的点必与A在同一条等温线上，而过 A 的等温线必然与 CD 相交。设交点为F，则,所以，与A内能相同F点的状态为：,三、热力学第二定律,是否不违反热力学第一定律的过程就一定能发生？,1.自然现象的不可逆性,（1）可逆过程和不可逆过程,定义：,设系统经历,过程,自然界中存在大量不可逆过程：例如生物的生长发育过程、日月星辰的运行过程、化学反应过程等。,大量实验事实说明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,2.热力学第二定律的两种典型表述及其等效性,从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度。,*不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其
9、它影响。,*单热源热机是不可能制成的。,*,1.开尔文表述(K),注意理解：,热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功,热力学第二定律指出了热功转换的方向性,热力学第二定律与能源危机,从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和限度。,*热量不能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。,2.克劳修斯表述(C),注意理解:,3.两种表述的等效性,用反证法证明后两项,可以证明，热力学第二定律的两种表述是完全等效的。,假设K表述不成立。则存在单热源热机，可以将热量完全转化为功而不引起其它影响。建立如图联合循环，,假设C不成立。则存在 A=0 的致冷机，可以将热量从低温热源传向高温热源而不引起其它影响。建立如图联合循环,总效果：,二.热力学第二定律的实质,从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律,溶解、扩散、生命 一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性。,2.热力学第二定律的统计意义,无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。,热力学第二定律是大量粒子无序性变化所遵从的规律，因而它是一个统计规律。只对大量粒子构成的体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。,
