【医用物理学课件】热力学基础

第四章热力学基础1热力学第一定律能量守恒热力学第二定律自然过程的方向第四章热力学基础241热力学的一些基本概念1热力学系统统系孤立系统系统与外界没有能量和物质交换。封闭系统系统与外界有能量而没有物质交换。开放系统系统与外界既有能量也有物质交换。一、热力学系统及其基本描述系统研究的热力学对象。外界（环境）系统以外能影响系统的其他物体根据交换方式分为3一、热力学系统及其基本概念平衡态宏观性质都不随时间变化，可用状态参量来描述。热力学过程系统从一平衡态到另一平衡态的转变过程。2平衡态和准静态过程准静态过程（QUASISTATICPROCESS）热力学系统从一个状态变化到另一个状态，称为热力学过程（简称“过程”）。准静态过程系统的每一个状态都无限接近于平衡态的过程，即准静态过程是由一系列平衡态组成的过程。4过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态初平衡态一系列非平衡态末平衡态热力学中，为能利用平衡态的性质，引入准静态过程QUASISTATICPROCESS的概念。系统状态的变化过程进行的足够缓慢而使系统在变化过程中每时每刻都非常接近平衡态的准平衡态，系统状态变化过程近似看成无数多个接近平衡态的过程组成，使系统在每时每刻都有确定的状态参量，这中间过程称为准静态过程。5快缓慢非平衡态接近平衡态准静态过程所以，实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看作是准静态过程。只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。6怎样算“无限缓慢”弛豫时间RELAXATIONTIME系统由非平衡态到平衡态所需时间。“无限缓慢”T过程进行例如，实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程，T过程进行01S容器线度/分子速度7过程曲线准静态过程可用过程曲线表示。状态图PV图、PT图、VT图上一个点代表一个平衡态；过程曲线P2,V2VOP过程曲线（只对准静态过程才能画出）P,VP,V一条曲线代表一个准静态过程。8二、内能、功和热1内能U物体或系统内分子的各种运动的动能与势能的总和。对理想气体，不计势能2功FDLPSABV1V2VPP1P2O在PV图中，功在数值上等于曲边梯形的面积，作功的多少和过程有关。内能为状态的单值函数。9体积功过程量此外还有摩擦功、电流功、电磁场的功等。通过作功改变系统热力学状态的微观实质分子无规则运动的能量分子规则运动的能量碰撞通过作功可以改变系统的状态。V1VVDVV2V0PDWPDV二、内能、功和热10热量和功有相同的单位。热量是能量传递和转换大小的量度。热量也是过程量。作功和热量（传热）的区别1）作功是通过系统与外界发生宏观相对位移完成。2）传递热量是通过接触面上分子间碰撞来完成的。3）作功是能量传递的宏观方式。传热是和物体微观热运动联系，是能量传递的微观方式功热内能二、内能、功和热3热量Q在热传递中传递的能量。11功热量内能与过程的关系与过程有关与过程无关与过程有关12下面给出理想气体状态方程的几种微分形式，指出各表示的过程表示等压过程表示等容过程表示等温过程1342热力学第一定律1系统内能系统的每个状态都有一定的能量（动能势能）。状态1（U1）状态2（U2）传热做功2热力学第一定律系统从一个状态（U1）经过任意过程到另一个状态（U2），其内能的变化U等于在过程中所作的功W与传递的热量Q之和。UU2U1QW符号原则当系统内能增加时U为正，内能减少时U为负；系统从外界吸取热量Q为正，向外界放热时为Q负；系统对外界做功时W为正，外界对系统做功时W为负。一、热力学第一定律一、热力学第一定律或QWU14二、热力学第一定律的应用主要公式QUW15二、热力学第一定律的应用1等体过程V一定,W0，UQWQ摩尔定容热容1MOL气体等体过程温度升高1K所吸收的热量可用于求任何过程系统的内能增量。单原子刚性双原子16二、热力学第一定律的应用2等压过程UU2U1QPV2V1摩尔定压热容1MOL气体等压过程温度升高1K所吸收的热量。迈耶公式摩尔热容比17二、热力学第一定律的应用3等温过程QTP恒温热源ABV1V2VPP1P2OU0，QW等温膨胀过程的特点吸热全部用于对外作功。18说明一定，故等压过程中所吸取的热量要比等容过程多，即在等压过程中，温度升高1K时，1MOL的理想气体除内能增加外，将多消耗831J的热能来转变为因膨胀而对外所作的功。与T无关。2理想气体单位19二、热力学第一定律的应用4绝热过程Q0，UW快速膨胀或压缩过程可以看作绝热过程。泊松公式由理想气体物态方程的微分形式联立可得20二、热力学第一定律的应用绝热线P0V等温线212等温12绝热OVP绝热功等温膨胀（U不变）VNUTP2P2PVNP由PNKT绝热膨胀绝热线与等温线比较绝热线比等温线陡。22P87例温度为300K，压强为105PA的氮气，经绝热压缩使其体积变为原来的20，试求压缩后的压强和温度。并将这个压强与等温压缩的压强进行比较。解由绝热方程可得已知T1300K，P1105PA，V15V2对等温过程例题123例题22425主要公式QUW262728293031ABCP102PAVM3O2614是14的1MOL理想气体进行如图所示的循环，求各过程中气体所吸收的热量、作功和内能变化。已知TA300K解例题32ABCP102PAVM3O261433三、循环过程热机和制冷机1循环过程简称循环循环系统经一系列状态变化后，又回到原来的状态。特点系统经历一个循环过程，内能不变。净功PVABPVAB顺时针WABWBAW0，正循环，热机逆时针WBAWAB