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1、6-1 内能 功 热量,6-2 热力学第一定律,6-3 理想气体的等值过程,6-4 气体的摩尔热容,6-5 绝热过程,6-6 循环过程 卡诺循环,6-7 可逆过程和不可逆过程,6-8 热力学第二定律,一、系统的内能热力学系统：所要研究的物体外界：与系统发生作用的环境,-系统状态的单值函数,6-1 内能 功 热量,系统内能,对理想气体,-温度的单值函数,二、热功等效性,加热方法,作功和热量传递具有相同的效果，它们都是能量变化的量度 1卡=4.186 J,6-2 热力学第一定律,一、热力学第一定律,对微小的状态变化过程,讨论：正负号意义,(2)E:“”表示系统内能增加,(3)A:“”表示系统对外作
2、功,(1)Q:“”表示系统吸收热量,“”表示系统放热,“”表示系统内能减少,“”表示外界对系统作功,二、准静态过程中的功,功的几何意义：功在数值上等于pV 图上过程曲线下的面积,讨论:(1)内能是状态的单值函数，所以E与过程无关(2)A 相当于过程曲线下的面积，与过程有关，所以Q也与过程有关,例1系统从ABA经历一个循环，且 EBEA。(1)试确定AB，以及BA的功A的符号及含义；(2)Q的符号如何确定；(3)循环总功和热量的正负,A10:气体对外做功,A20:外界对气体做功,吸热,放热,总功：,6-3 理想气体的等值过程,特点：,一、等容过程(V=常数),等容吸热过程,二、等温过程(T=常数
3、),特点：,或,等温膨胀过程,三、等压过程(P=常数),或,等压膨胀过程,等容,等温,等压,四、三个等值过程的微分方程,例2质量一定的单原子理想气体开始时压力为3大气压，体积1升，先等压膨胀至体积为2升，再等温膨胀至体积为3升，最后被等容冷却到压力为1大气压。求气体在全过程中内能的变化，所作的功和吸收的热量,解：内能与过程无关,6-4 气体的摩尔热容,一、气体的摩尔热容,热容C：物体温度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的热量,比热c：单位质量物体，温度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的热量,即,即,摩尔热容C：1mol的物质温度升高(或降低)1K所吸收的热量,：摩尔数,二、定容摩尔热容Cv
4、设1mol气体在等容过程中温度升高dT时吸收的热量为(dQ)v，则有,讨论：(1)Cv 只与分子自由度有关物理意义：每个自由度的平均动能 为(1/2)kT，自由度越多，需要的热量也越多,一般过程：,(2)等容过程：,三、定压摩尔热容Cp设1mol气体在等压过程中温度升高dT时吸收的热量为(dQ)p，则有,讨论:(1)CpCv。物理意义：等压过程吸热,不仅提高内能，而且对外作功(2)等压过程,(3)比热比:,例3设理想气体的摩尔热容随温度按 C=aT 的规律变化，a为常数。求1mol此理想气体的过程方程式,解：根据热力学第一定律,1mol气体摩尔热容,分离变量,积分常数,整理得,绝热过程：气体与
5、外界无热量交换的变化过程,6-5 绝热过程,dQ=0,一、绝热过程的特点,(1)绝热膨胀过程的同时降温降压；(2)绝热压缩过程的同时升温升压.,由,有,又,即,二、绝热过程方程,又,即,或,消去dT：,解得,-绝热过程方程,由理想气体状态方程有,三、绝热线与等温线,1.数学方法：比较两曲线交点A处的斜率,等温,绝热,等温线,绝热线,即,即,2.物理方法：比较引起 p下降的因素等温：引起压强下降的因素-V的增加绝热：引起压强下降的因素-V的增加和T 的下降,-绝热线下降比等温线快,例4如图，对同一气体，I为绝热过程，那么J和K过程是吸热还是放热?,解：对I过程,对J过程,吸热,对K过程,放热,例
6、5如图，同一气体经过等压过程AB,等温过程AC，绝热过程AD。问(1)哪个过程作功最多?(2)哪个过程吸热最多?(3)哪个过程内能变化最大?,解：,(1)由过程曲线下面积知,(2)等压过程：,V,等温过程：,绝热过程：,V,(3),比较,一、循环过程特征,循环过程：周而复始的变化过程,循环包括:正循环(顺时针)-热机,6-6 循环过程 卡诺循环,逆循环(逆时针)-致冷机,二、正循环工质：热机进行热功转换的媒介物质设工质从高温热源吸热 Q1，向低温热源放热 Q2，对外作功 A,净吸热：,净功 A 为循环过程曲线所包围的面积,净功,热机效率：一次循环过程中，工质对外作的净功占从高温热源吸收热量的比
7、例，即,说明：Q1包括整个循环过程中吸收的热量,Q2包括整个循环过程中放出的热量(绝对值）,例61mol氧气作如图循环，AB为等温过程，BC 为等压过程，CA 为等容过程。试计算循环效率,解：,吸热,放热,三、卡诺循环两个等温过程和两个绝热过程组成的循环,ab：等温过程,bc：绝热过程,cd：等温过程,da：绝热过程,-一种理想模型,ab：从高温热源T1吸热Q1,热量交换：,cd：向低温热源T2放热Q2,(绝对值),效率：,由绝热过程方程有：,外界的功,四、逆循环(致冷机),致冷系数：从低温热源吸收的热量Q2与外界作的功A之比，即,对卡诺致冷机：,一、可逆过程和不可逆过程定义：若一个过程可以反
8、向进行并返回到原状态，且系统和外界都不发生变化，则该过程称为可逆过程,6-7 可逆过程和不可逆过程,二、自然现象的不可逆性,落叶永离，覆水难收,生米煮成熟饭,逝者如斯,1.功热转换是不可逆的功可以自动地转变为热，热不能自动地转变为功,2.热传导是不可逆的热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆的,3.气体自由膨胀是不可逆的,4.生命过程是不可逆的,一切实际过程都是不可逆过程,三、可逆过程的实现,不可逆缘由,功热转换：存在摩擦耗散,热传导：热学不平衡,气体自由膨胀：力学不平衡,生命过程：复杂的不平衡过程,无摩擦的准静态过程是可逆的,问题:能否制造效率等于100%的热机?一、开尔文说法(1851年
9、)不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其他变化,或第二类永动机是不可能造成的,6-8 热力学第二定律,第二类永动机：从单一热源吸热并将其全部用来作功，而不放出热量给其它物体的机器(=100%),讨论:(1)将热量全部变为功是可能的。如等温膨胀时有Q=A，但这一定要引起其他的变化，如体积增大(2)使其回到初始状态的循环过程则要放热(3)开尔文说法反映了功热转换的不可逆性,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,二、克劳修斯说法(1850年),讨论:(1)热量从低温物体传向高温物体是可能的，如制冷机，但不是自动的,(2)克劳修斯说法反映了热传导过程的不可逆性,三、两种说法本质上的一致性反证法证明：设克劳修斯说法不成立,即热量可以从低温物体自动地传给高温物体,讨论：热力学第一定律说明了任何过程中能量守恒,热力学第二定律说明了并非任何能量守恒过程都能实现，即变化过程有方向性,
