第11热力学基础

1、风力发电风力发电为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人们在不断的寻求新能源。目前全球们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电风力发电装机容量已超过装机容量已超过13932 mw13932 mw 11.1 热力学的研究对象和研究方法热力学的研究对象和研究方法一一. .热学的研究对象热学的研究对象热现象热现象热热 学学物体与温度有关的物理性质及状态的变化物体与温度有关的物理性质及状态的变化研究热现象的理论研究热现象的理论热力学热力学从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观从能量转换的观点研究物质的热学性质

2、和其宏观规律规律宏观量宏观量二二. 热学的研究方法热学的研究方法微观量微观量描述宏观物体特性的物理量；描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。积、热容量、密度、熵等。描述微观粒子特征的物理量；描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、如质量、速度、能量、动量等。动量等。微观粒子微观粒子观察和实验观察和实验出出 发发 点点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质力学本质二者关系二者关系无法自我验证无法自我验证不深刻不深刻缺缺 点点揭露本质揭露本质普遍，可靠普遍，可靠优优 点点统计平均方法统计平均方法力学规律

3、力学规律总结归纳总结归纳逻辑推理逻辑推理方方 法法微观量微观量宏观量宏观量物物 理理 量量热现象热现象热现象热现象研究对象研究对象微观理论微观理论（统计物理学）（统计物理学）宏观理论宏观理论（热力学）（热力学）11.2 平衡态与准静态过程平衡态与准静态过程 理想气体状态方程理想气体状态方程一一. 系统和外界系统和外界 热力学系统热力学系统热力学所研究的具体对象，简称系统。热力学所研究的具体对象，简称系统。 外界外界系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统以外的物体系统以外的物体系统与外界可以有相互作用系统与外界可以有相互作用例如：例如：热传递热传递、质量

4、交换质量交换等等系统系统系统的分类系统的分类开放系统开放系统系统与外界之间，既有物系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。质交换，又有能量交换。封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统系统与外界之间，没有物质交换，只有能系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。量交换。系统与外界之间，既无物质交换，又无能系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。量交换。二二. .气体的状态参量气体的状态参量温度温度(t)体积体积(v)压强压强(p)气体分子可能到达的整个空间的体积气体分子可能到达的整个空间的体积大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果宏观效果大量

5、分子热运动的剧烈程度大量分子热运动的剧烈程度温标：温度的温标：温度的数值数值表示方法表示方法国际上规定水的三相点温度为国际上规定水的三相点温度为273.16 k1.1.定义定义 在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。在长时间内不发生变化的状态。三三. 平衡态平衡态说明说明(1) 不受外界影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；如：式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；如： 两头两头处于冰水、沸水中的金属棒处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳

6、定态，而不是平衡态；是一种稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体系统的粒子数密处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度随高 度变化，但它是平衡态。度变化，但它是平衡态。低温低温t2高温高温t1(2) 平衡是热动平衡平衡是热动平衡(3) 平衡态的气体平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值系统宏观量可用一组确定的值(p,v,t)表示表示(4) 平衡态是一种平衡态是一种理想状态理想状态四四. .准静态过程准静态过程系统从某状态开始经历一系列的中间状态系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。到达另一状态的过程。热力学过程热力学过程1221准静态过程准静态过程在过程进行的每一时刻，系统都无

7、限地在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。接近平衡态。非准静态过程非准静态过程 系统经历一系列非平衡态的过程系统经历一系列非平衡态的过程实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。如：如：实际汽缸的实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程压缩过程可看作准静态过程 s说明说明 (1) 准静态过程是一个理想过程准静态过程是一个理想过程； (3) 准静态过程在状态图上准静态过程在状态图上可用一条曲线表示可用一条曲线表示, 如图如图. .(2) 除一些进行得极快的过程（如爆

8、炸过程）外，除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；况下都可以把实际过程看成是准静态过程；ovp五五. .理想气体的状态方程理想气体的状态方程气体的状态方程气体的状态方程),(vpft (3) 混合理想气体的状态方程为混合理想气体的状态方程为rtpvrtmmpv iippiimmiimm 其中其中理想气体的状态方程理想气体的状态方程（平衡态）（平衡态）(1) 理理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体；珀龙方程的气体；(2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下实际气体在压

9、强不太高，温度不太低的条件下，可当作，可当作理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高.说明说明（克拉珀龙方程）（克拉珀龙方程）一柴油的汽缸容积为一柴油的汽缸容积为 0.82710-3 m3 。压缩前汽缸的压缩前汽缸的 空气温空气温度为度为320 k， 压强为压强为8.4104 pa ，当活塞急速，当活塞急速 推进时可将空推进时可将空气压缩到原体积的气压缩到原体积的 1/17 ， 使压强增大使压强增大 到到 4.2106 pa 。解解222111tvptvp111222tvpvpt k941320171104 . 8102 . 4462tt2

10、柴油的燃点柴油的燃点若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。例例求求 这时空气的温度这时空气的温度11.3 功功 热量热量 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律一. 功功 热量热量 内能内能1. 概念概念热力学系统与外界传递能量的两种方式热力学系统与外界传递能量的两种方式作功作功传热传热是能量传递和转化的量度；是是能量传递和转化的量度；是过程量。过程量。功功(a)热量热量(q)是传热过程中所传递能量的多少的量度；是传热过程中所传递能量的多少的量度； 是是过程

11、量过程量内能内能(e )是物体中分子无规则运动能量的总和是物体中分子无规则运动能量的总和 ；是是状态量状态量系统吸热系统吸热 ：0a系统对外作功系统对外作功 ：； 外界对系统作功外界对系统作功 ：0a0q；系统放热；系统放热 ：0q2. 功与内能的关系功与内能的关系qaee)(1212外界仅对系统作功，无传热，则外界仅对系统作功，无传热，则qa说明说明(1) 内能的改变量可以用绝内能的改变量可以用绝 热过程中外界对系统所热过程中外界对系统所 作的功来量度；作的功来量度；绝热壁绝热壁绝热过程绝热过程(2) 此式给出此式给出过程量与状态量的关系过程量与状态量的关系3. 热量与内能的关系热量与内能的

12、关系外界与系统之间不作功，仅外界与系统之间不作功，仅传递热量传递热量系统系统)(12eeqv说明说明(1) 在外界不对系统作功时在外界不对系统作功时，内能的改变量也内能的改变量也 可以用外界对系统所传递的热量来度量；可以用外界对系统所传递的热量来度量；(2) 此式给出此式给出过程量与状态量的关系过程量与状态量的关系(3) 作功和传热作功和传热效果一样，本质不同效果一样，本质不同二二. 热力学第一定律热力学第一定律外界与系统之间不仅作功，而且外界与系统之间不仅作功，而且传递热量，则有传递热量，则有aeeq）（12系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分系统从外界吸收的热量，一部分使其内

13、能增加，另一部分则用以对外界作功。则用以对外界作功。( 热力学第一定律热力学第一定律)对于无限小的状态变化过程对于无限小的状态变化过程，热力学第一定律可表示为，热力学第一定律可表示为aeqddd(1) 热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒 与转换定律；与转换定律；说明说明(2) 第一类永动机第一类永动机是不可能实现的。这是热力学第一定律的是不可能实现的。这是热力学第一定律的 另一种表述形式；另一种表述形式；(3) 此定律此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡

14、态。经历的各状态则不一定是平衡态。(4) 适用于任何系统（气、液、固）。适用于任何系统（气、液、固）。11.4 准静态过程中功和热量的计算准静态过程中功和热量的计算一一. .准静态过程中功的计算准静态过程中功的计算sl dpvplpslfaddddv1v221vvvpad热热力学第一定律可表示为力学第一定律可表示为 21vvvpeeqd)(12vpeqdddovp(功是一个过程量功是一个过程量)1v2v12二. 准静态过程中热量的计算准静态过程中热量的计算1. 热容热容 xxtqc)(热容热容 比热容比热容 xxxtmqmcc)(xxtxtqtqc)dd()(lim0 xxtxtqmtmqc)

15、dd(1)(lim0tqctx0lim1 摩尔热容摩尔热容xxtqc)(1 注意注意: 热容是过程量，热容是过程量，式中的下标式中的下标 x 表示具体的过程。表示具体的过程。2. 定体摩尔热容定体摩尔热容cv 和定压摩尔热容和定压摩尔热容cp （1 1 摩尔物质摩尔物质） (1) 定体摩尔热容定体摩尔热容cvvvtvtetqc)dd()(lim0tvpectp0lim)dd()dd(pptvpte(2) 定压摩尔热容定压摩尔热容cp 3. 热量计算热量计算若若cx与温度无关时，则与温度无关时，则 21dttxxtcq )(22ttcqx 11.5 理想气体理想气体的内能和的内能和cv v ，c

16、p一一. 理想气体的内能理想气体的内能 气体的内能是气体的内能是 p, v, t 中任意两个参量的函数，其中任意两个参量的函数，其具体形式如何？具体形式如何？ 1. 焦耳试验焦耳试验 问题：问题：(1) 实验装置实验装置温度一样温度一样 实验结果实验结果膨胀前后温度膨胀前后温度计的读数未变计的读数未变0q12ee 气体绝热自由膨胀过程中气体绝热自由膨胀过程中0a)(tee (2) 分析分析aeeq）（12说明说明 (1) 焦耳实验室是在焦耳实验室是在18451845完成的。温度计的精度为完成的。温度计的精度为 0.010.01水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有微小水的热容比气体热容大

17、的多，因而水的温度可能有微小变化，由于温度计精度不够而未能测出。变化，由于温度计精度不够而未能测出。通过改进实验或其它实验方法通过改进实验或其它实验方法（焦耳（焦耳汤姆孙实验）汤姆孙实验）,证证实仅理想气体有上述结论。实仅理想气体有上述结论。气体的内能仅是其温度的函数。这一结论称为焦耳定律气体的内能仅是其温度的函数。这一结论称为焦耳定律 (2) 焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。二二. 理想气体的摩尔热容理想气体的摩尔热容cv 、cp 和内能的计算和内能的计算 1. 定体摩尔热容定体摩尔热容cv 和定压摩尔热容和定压摩尔热容cp 定体摩尔热容定体摩尔热容cvvvt

18、vtetqc)dd()(lim0定压摩尔热容定压摩尔热容cp ptvptecp)dd()dd(pvtvpc)dd(1 mol 理想气体的状态方程为理想气体的状态方程为trvpdd压强不变时，将状态方程两边对压强不变时，将状态方程两边对t 求导，有求导，有rtvpp)dd(rccvpv/ccp迈耶公式迈耶公式 比热容比比热容比 2. 理想气体内能的计算理想气体内能的计算tcevdd 21d12ttvtcee p根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有解解因为初、末两态是平衡态，所以有因为初、末两态是平衡态，所以有20100)2(tpvtvp0q0a0e21tt 20pp 如图，一绝热密封容器

19、，体积为如图，一绝热密封容器，体积为v0，中间用隔板分成相等，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为 p0，右边一半，右边一半为真空。为真空。 0p例例求求 把中间隔板抽去后，把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强达到新平衡时气体的压强绝热过程绝热过程自由膨胀过程自由膨胀过程 11.6 热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体 在典型准静态过程中的应用在典型准静态过程中的应用 一一. 等体过程等体过程 pl 不变不变l功功吸收的热量吸收的热量21dttvtcq)(12ttcv 内能的增量内能的增量21dttvtce)(12ttcv1p1t2t2p0asovpv1等体过程中气体等体过程中气体吸收的热量，全部用来增加它的内能，吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度上升。使其温度上升。二二. 等