热力学第一定律热力学第二定律.ppt

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1、1,第三章 热力学第一定律,2,研究对象与外界有功，有热交换:,1.热力学系统：热力学研究的对象称为热力学 系统（研究气体系统），其它均称为外界。,系统的分类：,研究对象与外界无功，有热交换:,研究对象与外界有功，无热交换:,研究对象与外界无功，无热交换:,一般系统,透热系统,绝热系统,封闭（孤立）系统,一、基本概念,3,2.热力学过程:,状态随时间变化的过程,（1）按系统与外界的关系分类:,自发过程：无外界帮助，系统的状态改变。,非自发过程：有外界帮助，系统的状态改变。,非平衡态 到平衡态,平衡态到非平衡态,（2）按过程中经历的各个状态的性质分类:,准静态过程（平衡过程）：初态、每个中间态、

2、终态 都可近似地看成是平衡态的过程。,非静态过程（非平衡过程）：只要有一个状态不是平衡 态，整个过程就是非静态过程。,过程分类：,4,（3）按过程的特征分类:,等容过程：d V=0,等压过程：d P=0,等温过程：d T=0,绝热过程：d Q=0，Q=0,循环过程：,d E=0 E终态=E初态,5,PV 图上一条线，表示一个平衡过程。,PV 图上一个点，表示一个平衡状态。,3过程曲线,4功、热量、内能,P,V,非平衡态，非平衡过程不能在PV 图上表示！,6,二、功、热量、内能,特点：,（不仅与始末两态有关，而且 与经历的中间过程有关）,过程量,气体对外界所做的元功,气体体积从V1变化到V2时，

3、系统对外界 做的总功,1.功,改变内能的方法,外界对系统作功（或反之）。,外界对系统传热（或反之）。,7,外界对系统作功，A为负。,10 此过程所作的功反映在 P-V图 上，就是曲线下的面积。,1,2,系统对外界作功，A为正。,20上图：系统对外界作了功，系统的状态 变了，内能也变了。,“功”是系统内能变化的量度，,P,V,符号法则：,注意：,功不仅与初、末态有关，还与过程有关 是过程量。,8,理想气体最重要的四个等值过程的功,等温过程,（T常数）,等温,9,绝热过程,比热容比,绝热,10,等压过程,等容过程,11,2.热量,特点：,过程量,（有不同的摩尔热容量）,系统吸热，Q为正。,系统放热

4、，Q为负。,符号法则：,（不同的过程有不同的热量）,摩尔热容量Cm：,一摩尔物质温度升高1K时系 统从外界吸收的热量。,12,热量:,定压摩尔热容量CP,m：P=常数,定容摩尔热容量CV,m：V=常数,13,3.内能,状态量,特点：,(只与始末两态有关，与中间过程无关),气体的内能,14,10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。,（要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）,20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。,（1卡=4.18 焦耳),30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身绝不是内能。,内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。,功、热量：只有在状态变化

5、过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。,40 作功、传热在改变内能效果上一样，但有本质别：,作功：通过物体宏观位移来完成，是系统外物体的有 规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换。,传热：通过分子间的相互作用来完成，是系统外、内分子无规则运动之间的转换。,注意：,15,三、热力学第一定律,微分形式,积分形式,1.数学表达式,准静态过程,16,2.热力学第一定律的物理意义,（1）系统从外界所吸收的热量 Q,一部分用于 系统对外作功，一部分使系统内能增加。,（2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒 定律。,问：经一循环过程不要任何能量供给不断地对外作功，或较少的能量供给，作较多的功行吗？

6、,第一类永动机是不可能制成的！,热一律可表述为：,17,10 热一律的适用范围：任何热力学系统的任何 热力学过程。,(平衡过程可计算 Q、A),20 对只有压强作功的系统热一律可表为：,注意：,18,3.热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,对平衡过程计算:,根据：,19,1.等容过程,（1）特征：V=恒量，dV=0，参量关系:P/T=恒量,（2）热一律表式：,对有限变化过程,系统吸收的热量全部用来增加系统本身的内能。,意义：,20,（3）定容摩尔热容：1摩尔气体在等容过程中，温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。,单原子分子,双原子分子,多原子分子,21,（4）内能增量：,等容过程

7、,（适用于任何过程）,22,2.等压过程,（1）特征：P=恒量，dP=0，参量关系:,（2）热一律表式：,作功：,内能增量：,意义：系统吸收的热量，一部分对外作功，一部分增加自身的内能。,23,（3）定压摩尔热容：1摩尔气体在等压过程中，温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。,（迈耶公式）,24,比热容比,单原子分子,双原子分子,等压过程,多原子分子,25,3.等温过程,（1）特征：T=恒量，d T=0，dE0 参量关系：PV=恒量,（2）热一律表式,意义：系统吸收的热量全部用来对外作功。,功：,26,（3）“定温摩尔热容”,等温过程,27,作业：3.1 3.3 3.6 3.7,28,

8、1.等容过程,2.等压过程,29,3.等温过程,30,(Adiabatic Process),4.绝热过程,（1）特征,参量关系（泊松方程）,（2）热一律表式,31,意义：当气体绝热膨胀对外作功时，气体内能 减少。,功：,（2）,内能改变：,绝热膨胀靠的是内能减少。（温度降低）,（1）,32,绝热方程推导：,见书P118119,33,34,绝热过程方程（泊松方程）,（3）“绝热摩尔热容”,35,等温线,斜率,绝热线,斜率,（4）绝热线与等温线的比较,36,结论：绝热线比等温线陡峭,同一点 斜率之比,绝热,等温,自学绝热自由膨胀P122124,37,过程 特征 参量关系 Q A E,等容等压等温

9、绝热,V 常量,P 常量,T 常量,（P/T）=常量,（V/T）=常量,PV=常量,38,例1（4346）试证明 刚性分子理想气体 作等压膨胀时，若从外界吸收的热量为 Q，则其气体分子平均动能的增量为 Q/(NA),式中为比热容比。,证明:,理想气体分子平均动能的增量,39,对等压过程,一摩尔刚性分子,理想气体,40,例2（4694）某理想气体在P-V图上等温线 与绝热线相交于A点，如图，已知A点的 压强P1=2105Pa，体积V1=0.510-3m3，而且A点处等温线斜率与绝热线斜率之 比为0.714，现使气体从A点绝热膨胀至 B点，其体积V2=110-3m3。求（1）B点处的压强（2）在此

10、过程中气体对外作的功,41,例2（4694）图,解：,（1）B点处的压强,由绝热过程方程,42,（双原子分子）,43,（2）在此过程中气体对外作的功,44,例3（5078）一个可以自由滑动的绝热活塞（不漏气）把体积为2V0的绝热容器分成 相等的两部分A、B。A、B中各盛有摩 尔数为的刚性分子理想气体，（分子 的自由度为）温度均为T0。今用一外力 作用于活塞杆上，缓慢地将A中气体的 体积压缩为原体积的一半。忽略摩擦以 及活塞杆的体积。求外力作的功。,45,所以，外力作的功应等于A、B容器内气体内能的总增量。,例3（5078）解答,设：A、B中气体末态的温度分别为T1和T2，,A、B中气体内能的增

11、量分别为EA和EB。,因为容器是绝热的，,46,即：,47,同理有,48,（练习）如图所示，一个四周用绝热材 料制成的气缸，中间有一固定的用导热 材料制成的导热板C把气缸分成A、B两 部分。D是一绝热的活塞。A中盛有1mol氦气，B中盛有1mol氮气（均视为刚性分子的理想气体）。今外界缓慢地移动活塞D，压缩A部分的气体，对气体作功为A，试求在此过程中B部分气体内能的变化。,氦气,氮气,49,（练习）如图所示，C是固定的绝热壁，D是可动活塞，C、D将容器分成A、B两部分。开始时A、B两室中各装入同种类的理想气体，它们的温度T、体积V、压强P均相同，并与大 气压强相平衡。现对A、B两部分气体缓慢地

12、 加热，当对A和B给予相等的热量Q以后，A室 中气体的温度升高度数与B室中气体的温度升 高度数之比为7:5。求:,50,（1）求该气体的定容摩尔热容CV和定压摩 尔热容CP（2）B室中气体吸收的热量有百分之几用于 对外做功？,51,（练习）一定量的理想气体，从P-V图 上初态a经历（1）或（2）过程到达末 态b，已知a、b两态处于同一条绝热线 上（图中虚线是绝热线），问两过程中 气体吸热还是放热？（A）（1）过程吸热（2）过程放热（B）（1）过程放热（2）过程吸热（C）两种过程都吸热（D）两种过程都放热,（1）,（2）,52,四、循环过程及卡诺循环,1.循环过程：,物质系统经历一系列的变化过程

13、又回到初始状态，这样周而复始的变化过程称为循环过程，简称为循环。,过程按顺时针进行叫正循环，反之，叫逆循环。,（1）特征 d E=0 E=0,（3）热功计算：按各不同的分过程进行，总合起来求得 整个循环过程的净热量、净功。,（2）通过各种平衡过程组合起来实现。,53,(1)热机(Heat Engine),利用工作物质持续不断地把热转化为功的装置。,2.热机 致冷机,什么过程能对外做功？,等压等温绝热,什么过程最好？,0,实际上，仅仅等温过程是不行的！,系统从外界吸收的热量,系统对外界所作的净功,热,功,54,热机循环,利用工作物质持续不断地把热转化为功的循环。,热机循环的循环箭头是顺时钟的,（

14、正循环）,系统对外界所作的净功,=,循环曲线包围的面积,是正循环,以保证,55,热机循环效率,56,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.,57,各种热机的效率,液体燃料火箭,柴油机,汽油机,蒸汽机,58,热机:持续地将热量转变为功的机器.,59,致冷机(Refrigerator),通过对系统做功，从而从低温热源吸取热量的装置。,致冷机循环,（逆循环）,利用工作物质持续不断地把功转

15、化为热的循环。,（2）致冷机：将热机的工作过程反向运转（逆 循环），就是致冷机。,60,制冷机制冷系数,（循环效率）,热,系统吸收的热量,功,外界对系统所作的净功,致冷机循环的循环箭头是逆时钟,外界对系统所作的净功=循环曲线包围的面积,61,冰箱循环示意图,62,例 1 汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环)，其中AB和CD为绝热过程，求此循环效率.,吸,放,C,D,B,A,P,V1,V2,解,63,又CD和AB是绝热过程：,所以,64,作业：3.8 3.9 3.10 3.20,65,卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程相间组成,特点：,3.卡诺循环,1824年28岁的工程师卡诺提出最

16、理想的循环,动画,66,67,卡诺热机循环,蓝色,等温线,红色,绝热线,（1）12，等温膨胀（）,特点：,系统从外界吸热,系统对外界作功,Q吸,T1,T2,膨胀,68,（2）23，绝热膨胀过 程，温度下降至低 温热源温度,特点：,系统对外界作功,膨胀,69,（3）34，等温压缩（）,特点：,外界对系统作功,系统向外界放热,Q放,被压缩,70,（4）41，绝热压缩过程，经此过程，系统回到 原来状态，完成一个 循环。,特点：,外界对系统作功,被压缩,71,一个循环完毕：,系统对外界作的净功,系统内能增量,系统从外界吸收的净热量,系统从外界吸收的净热量,=系统对外界做的净功,72,热机的工作原理,系

17、统所吸收的热量，不能全部用来对外作净功，必须有一部分传给冷源，才能进行循环。,T1,T2,净,动画,卡诺热机循环效率,净,73,20 卡诺热机的效率只与T1、T2有关，与工作物无关。,10 从单一热源吸取热量的热机是不可能的,30,不可能,等温循环,动画,74,卡诺制冷机循环,（1）14，绝热膨胀过程，系统温度下降至低温 热源温度,（2）43，等温膨胀（）,系统吸热,75,（3）32，绝热压缩过 程，温度上升到高 温热源,（4）21，等温压缩（）经此过程，系统回到 原来状态，完成一个 制冷循环。,系统放热,76,卡诺制冷机制冷系数,卡诺致冷机原理：,工作物质从低温热源吸热，又接受外界所作的功，向高温热 源放出热量。,T1,T2,动画,77,图中两卡诺循环 吗？,78,例2 一电冰箱放在室温为 的房间里，冰箱储藏柜中的温度维持在.现每天有 的热量自房间传入冰箱内,若要维持冰箱内温度不变,外界每天需作多少功,其功率为多少?设在 至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的 55%.,解,79,房间传入冰箱的热量 热平衡时,由 得,保持冰箱在 至 之间运转，每天需作功,80,功率,81,例.一定质量的理想气体循环过程分析Q、A 的正负,12：等压，升温,23：等温，升压,31：,等容、降温,大,大,小,小,小,大,小,大,82,作业：3.25 3.29,