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1、1,第 四 章,8 传导 对流与辐射,热力学基础,1 平衡态 理想气体状态方程,2 准静态过程 功,3 热力学第一定律 内能,4 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,5 理想气体的等温过程和绝热过程,6 循环过程 卡诺循环,7 热力学第二定律 熵增原理,2,1 平衡态 理想气体状态方程,一、平衡态（理想状态）在不受外界影响的条件下 对一个孤立系统 经过足够长的时间后 系统达到一个宏观性质不随时间变化的状态,3,平衡态的特点,1）单一性（处处相等）;2）物态的稳定性 与时间无关；3）自发过程的终点；4）热动平衡（有别于力平衡）.,4,二、理想气体的状态方程,1.理想气体：在任何情况下 严格遵
2、守气体三定律 P 不太高 T 不太低时，实际气体的理想化,1)在理想气体理论基础上加以修正,2)经验,2.状态方程：理想气体平衡态宏观参量（P、V、T）间的函数关系。,5,M-气体质量-mol 质量V-理气活动空间,R-普适气体恒量,N系统内的分子数m每个分子的质量,玻耳兹曼常数,分子数密度,6,分子数密度,玻耳兹曼常数,理想气体状态方程,7,1.每一时刻系统都处于平衡态2.实际过程的理想化-无限缓慢(准)3.“无限缓慢”：系统变化的过程时间驰豫时间,2 准静态过程 功,一、准静态过程（理想化的过程）,从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程.,8,P V 图上一个
3、点代表一个平衡态一条线代表一个准静态过程，称为过程曲线,9,过程时间 1 秒,例 气体的准静态膨胀,气缸内的气压大于外界大气压，气体自由膨胀,10,准静态过程功的计算,二、功（过程量）,气体系统通过改变体积来做功，我们只考虑无摩擦准静态过程的功。,气体膨胀时，系统对外界作功（dV0,dW0）气体压缩时，外界对系统作功（dV0,dW0）,11,由积分意义可知，功的大小等于PV 图上过程曲P=P(V)下的面积：,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。,12,三、热量（过程量）,系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.,1）过程量：均与过程有关
4、；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=4.18 J，1 J=0.24 卡,13,一、热力学第一定律,系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加,另一部分使系统对外界做功.,3 热力学第一定律 内能,14,15,3）准静态过程,1)普遍的能量转化和守恒定律2）适用一切过程 一切系统,16,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.,二、内能（状态量）,这种取决于系统状态的能量称为热力学系统的内能。,内能：所有分子热运动的动能和分子间势能的总和。内能为状态量，是状态的
5、单值函数。,17,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:理想气体的内能仅是温度的函数.,18,计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础,（3）各等值过程的特性.,4 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,19,单位,一、等体过程 定体摩尔热容,1.特性 常量,2.定体摩尔热容:理想气体在等体过程中吸收了热量，使温度升高,其定体摩尔热容为,20,热力学第一定律,3.等体过程的热量公式,4.特征：在等体过程中，系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来增加系统的内能。,21,二、等压过程 定压摩尔热容,1.特 性 常量,3.定压摩尔热容:理想气体在等压过
6、程中吸收的热量，温度升高，其定压摩尔热容为,2.热量和功的变化,22,可得定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系,4.等压过程中的热量公式,5.气体内能的增量,摩尔热容比,6.特征：在等压过程中，系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，另一部分使系统对外界作功。,23,一、等温过程,2.功和热量的变化,1.特征 常量,5 理想气体的等温过程和绝热过程,24,3.特征：在等温过程中，系统吸收的热量完全用 来对外做功。,25,二、绝热过程,1.特点：与外界无热量交换程,2.内能和功的变化,3.特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能的减少来完成的。,26,4.绝热过程方程的推导,分离变量得,
7、27,三、绝热线和等温线,绝热过程方程,等温过程方程,绝热线的斜率大于等温线的斜率.,常量,常量,原因：当气体膨胀相同的体积时，等温过程其压强的下降，仅由于体积的增大；绝热过程压强下降不仅是体积的增大，还有温度的降低，所以绝热线要比等温线陡。,28,过程方程,29,30,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.,热力学第一定律,净功,特征,一、循环过程,6 循环过程 卡诺循环,31,1.热机循环(正循环)目的：吸热对外作功1)PV 图,正,2)热流图,3)指标-效率,2.制冷循环（逆循环）目的：通过外界作功，从低温热源吸热,1)PV 图,2)热流图,3)制冷系数,
8、32,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.,二、卡诺循环,33,1.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,34,C D 等温压缩放热,D A 绝热过程,B C 绝热过程,A B 等温膨胀吸热,35,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.,36,2.卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机致冷系数,37,4.提高效率的途径:升高T1(或降低T2)，提高高 温热源的温度现实些.,5.在相同高温热源和低温热源之间工作的 一切热机中，卡诺循环的
9、效率最高。,1.卡诺循环必须有高温和低温两个热源；2.只与两个热源的温度有关，与工作物关；,3.由于 所以卡诺循环的效率总是小1。,38,1开尔文说法：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化.,一、热力学第二定律的两种表述,7 热力学第二定律 熵增原理,热力学第二定律指出了自然界中宏观热过程的方向性。如热量可以从高温物体自动地传给低温物体，但是却不能自动的从低温传到高温。,39,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,40,虽然卡诺
10、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变化.,2 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.,41,1.热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3.热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性.,2.热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性.,4.热力学第二定律指出，符合第一定律的过程并不一定都可以实现，这两个定律是互相独立的，它们一起构成了热力学理论的基础。,42,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.,二、可逆过程与不可逆过程,不可逆过
11、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.,可逆过程的条件：准静态和无摩擦,注意：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。,43,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,44,三、熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少.,成立的条件:孤立系统或绝热过程.,应用：给出自发过程进行方向的判椐.,热力学第二定律亦可表述为：一切自发过程总是向着熵增加的方向进行.,45,8 传导 对流与辐射,一、热传导 通过分子、原子、电子等粒子的相互作用来实现的热传递过程,傅立叶导热定律,。,46,温度不同的各部分流体之间发生宏观相对运动而引起的热量传递过程,二、对流,牛顿冷却定律,a对流传热系数，换热系数或放热系数（工程）不是常数而与很多物理量有函数关系，通常事先由实验测定，制成表格，以备查用。,47,三、辐射,微观粒子受到激发后以电磁波的方式释放能量的现象,斯特藩玻尔兹曼定律,斯特藩常量,
