第06章_热力学基础课件

1、6-1 6-1 热力学第一定律热力学第一定律6-2 6-2 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用6-3 6-3 循环过程循环过程6-4 6-4 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理6-5 6-5 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义 熵的概念熵的概念1 1热力学过程热力学过程1.1 1.1 热力学过程热力学过程1112221(,)2(,)p V Tp V T1.2 1.2 准静态过程准静态过程111iii2221(,)(,)2(,)p V Tp V Tp V T系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统的热

2、力学过程进行得无限缓慢，以致于每一系统的热力学过程进行得无限缓慢，以致于每一个中间状态都可视为平衡态个中间状态都可视为平衡态p12一个点：一个点：表示一个平衡态表示一个平衡态一条曲线：一条曲线：表示一个准静态过程表示一个准静态过程O2(p2,V2,T) V 1(p1,V1,T)p 内能是状态量：内能是状态量：实际气体：实际气体：( , )Ef V T理想气体：理想气体： 内能是温度的单值函数：内能是温度的单值函数： 内能不包括系统整体的机械能内能不包括系统整体的机械能2.1 2.1 内能内能 系统内分子热运动的动能和分子之间相互作用系统内分子热运动的动能和分子之间相互作用势能的总和。势能的总和

3、。1.1.改变系统内能的两种途径改变系统内能的两种途径 热功当量热功当量 ( )2iEf TRT 能 量 均 分做功：做功：通过宏观力的作用使系统与外界之间产生能量通过宏观力的作用使系统与外界之间产生能量交换，从而使系统的状态发生改变。交换，从而使系统的状态发生改变。做功的大小做功的大小等于等于此过程中系统与外界之间交换的能量。此过程中系统与外界之间交换的能量。pF钻木取火钻木取火2.2 2.2 改变系统内能的两种途径与热功当量改变系统内能的两种途径与热功当量热传递：热传递：通过热相互作用使系统与外界之间产生能通过热相互作用使系统与外界之间产生能量交换，从而使系统的状态发生改变的方式。此过量交

4、换，从而使系统的状态发生改变的方式。此过程中程中系统与外界之间交换的能量，称为系统与外界之间交换的能量，称为热量。热量。Q热量当量：热量当量：热量与其它形式的能量（机械能、电能、热量与其它形式的能量（机械能、电能、化学能等）可以相互转换。一定热量的产生（消失）化学能等）可以相互转换。一定热量的产生（消失）总是伴随着其它形式的能量的消失（产生）。热功总是伴随着其它形式的能量的消失（产生）。热功当量为：当量为：J/cal18. 4J3.3.热力学第一定律热力学第一定律 系统所吸收的热量，一部分使系统的内能增加，系统所吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分用于系统对外做功：另一部分用于系统对外

5、做功： QEW 无限小过程：无限小过程： dQdEdWQAp1E1p2E24.4.准静态过程中的功与热量准静态过程中的功与热量4.1 4.1 准静态过程中的功准静态过程中的功pFdldddWpS lp V21dVVWp V 12mn VV2V1Op4.2 4.2 准静态过程中的热量准静态过程中的热量 热容热容准静态过程中的热量：准静态过程中的热量：QEW dQdEdW 12mn VV2V1Op热容、比热容和摩尔热容：热容、比热容和摩尔热容：使物质温度升高单位温度所需的热量称为使物质温度升高单位温度所需的热量称为热容：热容： C、c和和Cm与过程有关与过程有关 dQCdT使单位质量的物质温度升高

6、单位温度所需的热量使单位质量的物质温度升高单位温度所需的热量称为称为比热容：比热容：/cC m使单位摩尔的物质温度升高单位温度所需的热量使单位摩尔的物质温度升高单位温度所需的热量称为称为摩尔热容：摩尔热容：/mCCMc热量与热容：热量与热容：dQCdT222111TTTmTTTQCdTmcdTC dT212121mQC TTmc TTC TT( ) =( ) =( )const.mCcC、 、作业：作业：9-4Vconst.Q1(p1, V1, T1) 2(p2, V1, T2) p O V(p1/T1=p2/T2)1 1等容过程等容过程 2 2等压过程等压过程 pconst.QW1(p1,

7、V1, T1)2(p1, V2, T2) pO V(V1/T1=V2/T2)3 3等温过程等温过程 Tconst.QW(p1V1=p2V2)1(p1, V1, T1)2(p2, V2, T1) V O p4.1 4.1 绝热过程的过程方程绝热过程的过程方程 021()2dQdEpdVidQdERdTpVRTdTpdVVdpRdpidVdVpiVV 31211CTpCTVCpV泊松公式泊松公式4 4绝热过程绝热过程 Q0W 绝热线与等温线绝热线与等温线: (): ()()()ATAASASTpdpdVVpdpdVVdpdpdVdV 等温线绝热线绝热线 等温线 O V pA(pA, VA, TA)

8、 4.2 4.2 绝热过程的绝热过程的 E、W、Q和和Cm1122111122111122pVp VTVT VpTpT p O V 1(p1, V1, T1)2(p2, V2, T2) 22111 11 111121 122() 11 ()1p =1VVVVpVWpdVdVVpVVVVp VV(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 作业：作业：9-5、9-81 1循环过程循环过程 系统由某一状态出发，经过一系列变化过程后系统由某一状态出发，经过一系列变化过程后又回到原来的状态，这样的过程称为循环过程：又回到原来的状态，这样的过程称为循环过程： 111iii1111(,)(,)1(,)

9、p V Tp V Tp V TpV曲线为闭合曲线曲线为闭合曲线 p O V abmn 顺时针：顺时针：W=WambWbna0热机循环热机循环 逆时针：逆时针：W=WanbWbma0致冷循环致冷循环12WQQ2 2热机与致冷机热机与致冷机 2.1 2.1 热机循环及其效率热机循环及其效率 热机：热机：能够不断地把热转变成功的装置。能够不断地把热转变成功的装置。 热机通过循环过程热机通过循环过程不断地不断地把热转变成功把热转变成功 热机循环为正循环热机循环为正循环 p O V 锅炉冷却器水泵气缸 WQ1Q2 蒸汽机工作简图蒸汽机工作简图 热机的效率：热机的效率： 2111QWQQ 12:WQQ系统

10、对外所做净功吸热分过程所吸收的热量放热分过程所放出的热量 WQ2Q1工作物质T1T2 2.2 2.2 致冷机及其致冷系数致冷机及其致冷系数 致冷机：致冷机：使热量从低温热源向高温热源传递的装置。使热量从低温热源向高温热源传递的装置。 致冷循环为负循环致冷循环为负循环 p O V 致冷机通过循环过程不断致冷机通过循环过程不断地地使热量从低温热源向高温热使热量从低温热源向高温热源传递源传递热交换器蒸发器节流阀压缩机WQ1Q2 致冷剂机工作简图致冷剂机工作简图致冷机的致冷系数致冷机的致冷系数 2212QQeWQQ12:WQQ外界对系统所做净功放热分过程所放出的热量吸热分过程所吸收的热量 WQ2Q1工

11、作物质T1T2 3.1 3.1 卡诺循环卡诺循环3 21 4 O V pT=T1绝热T=T2绝热3.3.卡诺循环及其效率卡诺循环及其效率由两个等温过程和两个绝热过程组成由两个等温过程和两个绝热过程组成: :3.2 3.2 卡诺热机的效率卡诺热机的效率 3(p3, V3, T2) 2(p2, V2, T1)1(p1, V1, T1) 4(p4, V4, T2) O V pQ1Q2 WQ2Q1工作物质T1T2 321112321432242111111223321114241 1ln,lnln11lnVVQWRTQWRTVVVTQVVQTVTVTVVVVVTVTV 211TT 结论：结论：1） 只

12、与只与T1和和T2有关，而与工质无关有关，而与工质无关2） =1-T2/T1100%3.3 3.3 卡诺致冷机的致冷系数卡诺致冷机的致冷系数 WQ2Q1工作物质T1T2 3(p3, V3, T2) 2(p2, V2, T1)1(p1, V1, T1) 4(p4, V4, T2) O V pQ1Q2结论结论：2212QTeWTT 2）1）e只与只与T1和和T2有关，而与工质无关有关，而与工质无关萨 迪萨 迪 - - 卡 诺 （卡 诺 （ S a d i S a d i CarnotCarnot）, 1796, 17961832, 1832, 法法国物理学家。国物理学家。18241824年，他年，

13、他（2828岁）创立理想热机理论，岁）创立理想热机理论，“卡诺热机卡诺热机”、“卡诺循环卡诺循环”和和“卡诺定理卡诺定理”，已是大家，已是大家所熟悉的科学名词。但卡诺所熟悉的科学名词。但卡诺的理论在创立后长期未能得的理论在创立后长期未能得到应有的重视。到应有的重视。 V V2 V1 p Oac b作业：作业：9-10、9-11问题的提出问题的提出 是否满足热力学第一定律的过程就一定会发生？是否满足热力学第一定律的过程就一定会发生？ 热力学过程必须满足热力学第一定律。热力学过程必须满足热力学第一定律。T1W=QQEQT1ET2Q1.1.热力学第二定律的两种典型表述热力学第二定律的两种典型表述1.

14、1 1.1 开尔文表达开尔文表达 不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其功而不产生其它它影响。影响。 理解理解“不产生其影响不产生其影响”的含义的含义 W=Q1-Q2Q2Q1ET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2T1W=QQE 单热源热机（第二类永动机）是不可能制成的单热源热机（第二类永动机）是不可能制成的 实际热机最少要有两个高低温热源（实际热机最少要有两个高低温热源（T1，T2），）， 热机的效率热机的效率 T2)T1T2Q(T1T2)2.2.两种表述的等效性两种表述的等效性1.1 如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立如果开尔文表

15、述不成立，则克劳修斯表述也不成立Q2Q1+Q2EW=Q1EQ1高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2Q2Q2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T22.2 如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立Q2W=Q1-Q2Q2Q1E高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2W=Q1-Q2EQ1-Q2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2开尔文开尔文Kelvin，William Thomson，Lord（18241907）克劳修斯（克劳修斯（Ruelolf Clausius,1822-1888）, 设在某一过程设在某一过程 L 中，系统从状态中，系统从状

16、态 A 变化到状态变化到状态B。如果能使系统从状态。如果能使系统从状态 B 逆向回复到初状态逆向回复到初状态 A ，而同时外界也恢复原状，过程而同时外界也恢复原状，过程 L 就称为就称为可逆过程。可逆过程。 如果系统不能回复到原状态如果系统不能回复到原状态 A ，或者虽然能回，或者虽然能回复到初态复到初态 A ，但外界不能恢复原状，那么过程，但外界不能恢复原状，那么过程 L 称称为为不可逆过程。不可逆过程。3.3.自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性3.1 3.1 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程 3.2 3.2 自然过程的不可逆性自然过程的不可逆性热功转换的方向性：热功转换的方向性：

17、 AQ100AQ100T1T2Q(T1T2)T1T2Q(T1T2)热传递的不可逆性：热传递的不可逆性： 气体绝热自由膨胀的不可逆性：气体绝热自由膨胀的不可逆性： 墨水扩散是一个不可逆过程墨水扩散是一个不可逆过程泼水难收泼水难收破镜难圆破镜难圆楼倒塌是一个不可逆过程楼倒塌是一个不可逆过程生命过程是一个不可逆过程生命过程是一个不可逆过程结论：结论： 大量事实表明：一切与热现象有关的实际宏观大量事实表明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，热力学第二定律的实质在于过程都是不可逆的，热力学第二定律的实质在于揭揭示了自然过程的不可逆性。示了自然过程的不可逆性。?君不见黄河之水天上来奔君不见黄河之

18、水天上来奔流到海不复回流到海不复回君不见高堂明镜悲白发朝君不见高堂明镜悲白发朝如青丝暮成雪如青丝暮成雪不可逆过程4.4.卡诺定理卡诺定理1 1）在相同的高温热源与相同的）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，低温热源之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物质，效率相等。不论用什么工作物质，效率相等。2 2）在相同的高温热源与相同的）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切不可逆低温热源之间工作的一切不可逆机的效率小于可逆机的效率。机的效率小于可逆机的效率。221111QTQT = : 对应可逆机对应可逆机 : 对应不可逆机对应不可逆机 AQ2Q1ET1T2AQ2Q1ET1

19、T2 可逆热机与不可逆热机可逆热机与不可逆热机AQ2Q1ET1 T2可逆热机可逆热机: :AQ2Q1E高温热源高温热源T1 低温热源低温热源T2不可逆热机：不可逆热机：AE高温热源高温热源T1 低温热源低温热源T21Q2QAE高温热源高温热源T1 低温热源低温热源T21Q2Q22)QQ 11(QQ 致冷机的性能界限致冷机的性能界限221212QTeQQTTAQ2Q1ET1T2* *能源问题：能源问题： 热力学第一定律：热力学第一定律：第一类永动机不存在：第一类永动机不存在：T1W=QQEWE 热力学第二定律：热力学第二定律：第一类永动机不存在：第一类永动机不存在：实际热机：实际热机：最少要有两个高低温热源（最少要有两个高低温热源（T1，T2）：）： W=Q1-Q2Q2Q1ET1T2能源问题的实质：能源问题的实质：寻找有温差的热源！寻找有温差的热源！作业：作业：9-121.1.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义1.1 1.1 几种自然过程不可逆的统计意义几种自然过程不可逆的统计意义 扩散过程扩散过程 a bcdO N左左10推广：推广：N个粒子的系统个粒子的系统热功转换热功转换 热功转换的实质是大量分子的有序运动向无热功转换的实质是大量分子的有序运动向无序运动的转化过程序运动的转