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1、第9章 热力学基础,本章将就热力学基础展开讨论，着重介绍热力学第一、第二定律及其应用，并从统计的角度对热力学第二定律进行讨论。应该注意的是，热力学的出发点及研究方法与气体动理论不同，它不涉及物质的微观结构，只从普遍成立的基本实验定律出发，特别是用能量守恒的实验定律，分析热力学系统状态变化时有关热功转换的关系和条件。,1.准静态过程,原平衡态,9.1.1 内能、功和热量,每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程。,由一系列依次接替的平衡态组成。,对“无限缓慢”的实际过程的近似描述。,9.1热力学第一定律,2.内能,(:摩尔数;i:自由度;单3、双5、多6。),内能是状态量,3.功,有规则动能分子无规
2、则热运动动能,做功的微观本质：,内能改变与过程无关,（1）准静态过程气体体积功的计算：,（2）准静态过程功的图示,这是体积功的几何意义。,例如:摩尔理想气体从状态1状态2，求气体对外所做的功是多少？,功是过程量,Ap1(V2-V1),Ap2(V2-V1),等温线,4.热量,传热也可以改变系统 的热力学状态。,传热的微观本质是：分子无规则运动的能量 从高温物体向低温物体传递。,热量也是过程量。,热量是由于温度差而传递的能量。,功和热量之间存在着确定的当量关系热功当量，为1cal4.18J。,传热也可改变系统的状态,传热条件：系统和外界温度不同，且不绝热。,5.热容,热量是过程量，热容与过程有关。
3、,定压摩尔热容,（压强不变）,定体摩尔热容,（体积不变）,在热量传递的的某个微过程中，热力学系统吸收热量dQ，温度升高dT，则系统在该过程中的热容定义为：C=dQ/dT。单位：J/K,单位质量的热容称为比热，记作 c=C/M,单位摩尔的热容称为摩尔热容，记作C=C/,单位：J/kgK,单位：J/molK,实验结果：对于任一过程,另一叙述：第一类永动机 是不可能制成的。,对于任微小过程,热力学第一定律适用于 任何系统(气液固)的任何过程(非准静态过程也适用)。,符号规定:Q 0 系统吸热 E 0 系统内能增加 A 0 系统对外界做功,热力学第一定律是反映热现象中 能量转化与守恒的定律。,热力学第
4、一定律,例:一系统由图所示状态a沿acb到达状态b，系统对外做功为126J，吸热为336J。,(1)若在adb过程中系统作功为42J，问此过程中系统是吸热还是放热？热量是多少？,(2)若系统从b态出发，沿ba曲线返回a态时，外界对系统作功为84J。问此过程中系统是吸热还是放热？热量是多少？,例：一绝热容器被中间的隔板分成相等的两半，一半,装有氦气，温度250K；另一半装有氧气，温度310K；二者压强相等。求去掉隔板两种气体混合后的温度。,解：绝热容器Q0且气体对外不做功A0，内能不变E0：,特征：V=常量(dV=0),9.2 几个典型的热力学过程,等体过程,1mol物质，对体积不变的过程，温度
5、升高1K所吸收的热量。,定体摩尔热容,比较，得：,等体过程中对一微小 过程：,注意：对于理想气体,公式 E=CV T不仅适用于等体过程，而且适用于其他任意过程。,所以：,由热力学第一定律：,特征：p=常量,9.2.2 等压过程,为何,（迈耶公式）,思考：,1mol物质，对压强不变的过程，温度升高1K所吸收的热量。,定压摩尔热容,比较，得：,(也称为比热比、泊松比),所以：,对单原子分子,=3,=1.67 对刚性双原子分子,=5,=1.40 对刚性多原子分子,=6,=1.33,的理论值：,实验测量的热容量和理论值是有一定误差的。,热容比：,特征：T=常量(dT=0),9.2.3 等温过程,等温过
6、程摩尔热容为。,例题:设质量一定的单原子理想气体开始时压力为,3atm，体积为1L，先等压膨胀至体积为2L，其次等温膨胀至体积为3L，最后等体冷却到压力为1atm。求气体在全过程中内能的变化、所做的功和吸收的热量。,例题：3mol温度为273K 的理想气体，先经等温过程，体积膨胀到原来的5倍，然后等容加热，使其末态的压强刚好等于初始压强，整个过程传给气体的热量为8104J，试画出此过程的p-V图，并求这种气体的热容比 值。,解：,是双原子气体,系统与外界绝热。无热量交换。,绝热过程摩尔热容为0。,1.特征：dQ=0,2.绝热过程中的能量关系,根据热力学第一定律：,绝热过程靠减少系统的内能来对外
7、做功。,3.准静态绝热过程,先考虑一绝热的元过程,写出热一律：,dA=CVdT 任意过程,dQ=0,dA=dE,再对理想气体状态方程取微分：pdV+Vdp=RdT 准静态过程,绝热过程,（1）过程方程,（泊松方程）,将式的dT 代入式，并dA=pdV,有,对上式积分得,将其与理想气体状态方程结合，可得另两个方程。,（2）准静态绝热过程功的计算,能量转换关系:,Q=0 E=CV T,理想气体的实际过程，常常既不是等温也不是绝热的，而是介于两者之间的多方过程,PV n=常量（n称为多方指数）,（3）绝热线:理想气体的绝热线比等温线“更陡”,【证明】设一等温线和一绝热线在点相交,比较点处等温线与绝热
8、线的斜率,且因绝热对外做功 E-T-p p3 p.,（注意绝热线上各点温度不同）,数学方法,物理方法,（1）从A点沿等温膨胀过程 V-n-p,（2）从A点沿绝热膨胀过程 V-n-p,实验结果：,水温不变,焦耳实验(1845),打开活门C，让气体向真空中自由膨胀。测量膨胀前后水温的变化。,验证了理想气体的内能与体积无关。,4.理想气体绝热自由膨涨过程,水温不变说明气体温度不变。,T0 E0 但V0,绝热Q=0；自由膨涨A=0；所以E=0,有人说绝热膨涨,有人说,若V2=2V1,p2=?,（）,（）,注意：这里只是初态、末态的温度相等而已，不是准静态等温过程！,绝热自由膨涨,为什么气体内能不变？,
9、准静态等温膨胀过程与绝热自由膨涨过程是不同的！前者对外做功并且要吸热，后者不做功不吸热。,也有E=0,-但是系统对外做功并且要吸热,准静态绝热膨胀过程与绝热自由膨涨过程也是不同的！前者对外做功并且温度降低，后者不做功温度不变。,对于一个准静态等温过程：,一半，则气体分子的平均速率变为原先的多少？,例：一定量的氦气经绝热压缩，体积变为原先的,例：在绝热的容器中有一隔板，左边贮有1mol,处于标准状态的理想气体氦气，另一边为真空，两边体积相同先把隔板抽开待气体平衡后，再缓慢向左推动活塞，把气体压缩到原来的体积，求氦气温度改变多少,解：隔板抽开气体自由膨胀，温度不变,绝热压缩,9-3 循环过程:,循
10、环过程在p-V 图上 有什么特点？,所以曲线所包围的面积等于净功的大小。,正循环系统吸热，对外做功-热机循环,逆循环（逆时针）外界做功-致冷循环,什么是热机？-系统(工质)吸热、对外做功的机器。（例：蒸汽机，内燃机等）,1.正循环 热机的效率,准静态的循环过程,热机的循环过程,系统在一正循环中,从高温热源吸热 向低温热源放热,对外做的净功为,系统内能增量,热机的效率,式中的A:循环过程中各吸、放热分过程系统做功的代数和；,2.式中的Q1:各个吸热分过程吸热的总和，与放热分过程无关；,3.式中的Q2:各个放热分过程放热的绝对值的总和，与吸热分过程无关；,说明：,例.火力发电厂,目的,代价,取绝对
11、值,解：先画出对应的 pV 图,例：1mol单原子分子理想气体作如图循环，已知V2=2V1,求：循环效率。,例题：某理想气体经历图示的循环过程，AB为等压过程，吸收热量500J，BC为绝热过程，CA为等温过程，且已知该循环效率20，求：（1）CA过程气体所吸收的热量Q2（2）ABC过程气体对外做功A,解：(1)CA为等温放热过程,(2),A=100J 为净功,致冷系数定义:,2.逆循环 致冷系数,将待冷却物体作为低温热源，反向进行循环，可实现致冷循环。外界对系统做功 A（净功0，这里已取绝对值)；工质从低温热源(即待冷却物体)吸热 Q2，向高温热源放热Q1（Q1已取绝对值)。,Q2追求的效果,
12、A付出的“成本”,致冷系数：对工质做一份功可从低温热源提取多少份热量,取绝对值,取绝对值,卡诺循环,1.卡诺循环：工质只和两个恒温热库交换热量的准静态循环。,按卡诺循环工作的热机卡诺热机,以理想气体工质为例，计算卡诺循环的效率,从高温热库吸热,向低温热库放热绝对值,因此,实际最高效率：,例.热电厂,按卡诺循环计算：,非卡诺循环、散热、摩擦等,原因：,2.卡诺逆循环的致冷系数：,可见,低温热源的温度T2 越低,则致冷系数 越小,致冷越困难。,一般致冷机的致冷系数约:27.,若T1=293 K(室温),下面比较和w的能流图,取绝对值,取绝对值,1.热机循环目的：吸热对外做功1)pV 图,正,2)热
13、流图,3)效率,2.致冷循环目的：通过外界做功 从低温热源吸热,1)pV 图,2)热流图,3)致冷系数,例:一卡诺机在温度为400K和300K的两个热源之间运转，问,(1)如果在每一循环中，该机从高温热源得到6000J的热量，其对外作净功多少？,(2)如果该机反向运转，当作致冷机，从低温热源吸收6000J的热量，要向高温热源放热多少？,(3)如果提高高温热源的温度，让热机仍工作在与(1)相同的两条绝热线之间，但每次循环净功比(1)增加20，求此时高温热源的温度。,例题：有一暖气装置如下：用一热机带动一制冷机，制冷机从河水中吸热而供给暖气系统中的水，同时暖气中的水又作为热机的冷凝器。热机的高温热源温度是210，河水温度是15，暖气系统的水温是60。设热机和制冷机分别以卡诺正循环和卡诺逆循环工作，暖气系统中的水得到的热量是煤所发热量的几倍？,热机效率：,热机做功：,热机向暖气系统的水放热：,制冷机致冷系数：,制冷机从河水中吸热：,制冷机向暖气系统的水放热：,暖气系统中的水得到的热量是：,暖气系统中的水得到的热量是是煤所发热量的2.99倍。,
