大学物理_热力学基础PPT课件

1、 一 掌握内能、功和热量等概念 . 二 掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量 . 三 理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计算卡诺循环和其他简单循环的效率 . 四 了解可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律和熵增加原理 .第1页/共60页一 功 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化 .准静态过程功的计算lpSlFWdddVpWdd21dVVVpW注意：作功与过程有关 .宏观运动能量热运动能量7-1 热力学第一定律（过程量）第2页/共60页1T2T21TT 二 热 量（过程量） 通过传热方式传递能量的量度，系统

2、和外界之间存在温差而发生的能量传递 .1）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 宏观运动分子热运动功分子热运动分子热运动热量Q3）功与热量的物理本质不同 .1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡功与热量的异同系统和外界的分子之间通过杂乱碰撞交换能量的结果第3页/共60页作机械功改变系统 状态的焦耳实验AV作电功改变系统 状态的实验第4页/共60页 实验证明系统从 A 状态变化到 B 状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变 .三 内 能 （状态量）2AB1*pVo02121ABAABAQWBABABABAQ

3、WQW22112AB1*pVo第5页/共60页 系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关 .)(TEE 理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 ,理想气体的内能仅是温度的函数 .021ABAECEAB2AB1*pVo2AB1*pVo改变系统内能的两种等效方式: 作功, 传递热量第6页/共60页四 热力学第一定律AEEQ 12 系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加, 另一部分使系统对外界做功 .21dVVVpEQ准静态过程VpEAEQddddd 微小过程12*pVo1V2VAEAEEQ 12第7页/共60页 1）能量转换和守恒定律 . 第一类永动机是不可能制成的

4、 . 2）实验经验总结，自然界的普遍规律 .AEAEEQ 12+12EE 系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功第一定律的符号规定QA讨论第8页/共60页3）对于循环过程:dAdQdE 0AQ 吸收的热量全部用于对外作功4）热力学第一定律适用于任何系统的任何过程, 不管是否是准静态过程5）一个系统与外界的热传递不一定引起系统本身温度的变化.第9页/共60页 计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础RTMpV （1）（理想气体的共性）21dVVVpEQVpEQddd（2）解决过程中能量转换的问题)(TEE （3）（理想气体的状态函数） （4） 各等值过程的特性 .第10页/

5、共60页一、热容量与摩尔热容量表示升高1K所吸收的热量dTdQC 热容量：系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温度增量dT的比值称为系统在该过程的热容量（C）1 KJ摩尔热容量：1mol物质的热容量（Cm）mCMC 单位质量的热容量叫比热容( (比热) )。11 kgKJ11 molKJMcC 7-2 气体的摩尔热容第11页/共60页热容量CY与过程有关:热容量C的可能值:0 C0 T0 C0 C0 Q C0 TYYdTdQC)( 0 T吸热且升温放热且升温绝热过程等温过程稳定性要求0 C第12页/共60页二、理想气体的摩尔热容量1 1、理想气体的定体( (定容) )摩尔热容量VV)dTdQ(

6、C V)dTdE( RiCV2 RdTidE2 理想气体RCV23 RCV25 RCV3 单原子理想气体双原子理想气体多原子理想气体理想气体的内能另一表述TCEV VTE)( dTCdEV 理想气体的内能TCEV RTiE2 第13页/共60页梅逸公式RiRCCVp22 2、理想气体的定压摩尔热容量pp)dTdQ(C dTdVpdTdE dTCdEV RdTpdV TRiTCQmolpp 22, RiCV2 RCp25 RCp27 RCp4 单原子理想气体双原子理想气体多原子理想气体第14页/共60页VpCC RCCVp 3、比热容比ii2 理想气体RiCV2 P229 表7-1例7-1 教材

7、 P230第15页/共60页一 等体(定容)过程0d, 0d AV热力学第一定律EQVddTCQVVdd 特性 常量V),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo7-3 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用过程方程 常量 1PT)(1212TTCEEEQVV mol 理想气体:第16页/共60页1E2EVQ1EVQ2E),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等体升压 12),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等体降压 12定容过程中外界传给气体的热量, , 全部用来增加气体的内能TCQVVdd )(1212TTCEEEQVV 第17页/共60页2V),(11TVp)

8、,(22TVpp1VpVo12二 等压过程过程方程 常量1VT热一律AEQpddd 特 性 常量p)(12VVpA 功TCQppdd Amol 理想气体:TCEVdd TCQpp TRTCV E A第18页/共60页2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12A等 压 膨 胀2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12A等 压 压 缩1E2EpQ1EpQ2E A A所吸收的热量的去向?第19页/共60页三 等温过程热力学第一定律0dE恒温热源TVRTMp 21dVVTVpAQVpAQTddd 12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoVd特征 常量T过程方程pV

9、常量第20页/共60页EE VVRTMAQVVTd21 12lnVVRTM21lnppRTM 12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVo等温膨胀A12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoA等温压缩TQTQ A A第21页/共60页),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo四 绝热过程与外界无热量交换的过程)(12TTCMV OdQ特征TCMVTTd21 TCMEVdd 21dVVVpAVd绝热的汽缸壁和活塞EAdd 热一律0dd EA第22页/共60页)(2211VpVpCCCAVpV 12211 VpVpA)(21TTCMAV 若已知 及

10、2211,VpVp),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoAEA )(2211RVpRVpCAV RTMpV 从 可得由热力学第一定律有第23页/共60页 绝热过程方程的推导EAQdd,0d TCMVpVdd RTMpV TCMVVRTMVdd TTVVd11dTTRCVVVdd 分离变量得),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo0Q绝 热 方 程TV1pVTp1常量C1常量C2常量C3第24页/共60页),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoA绝 热 膨 胀),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoA绝 热

11、 压 缩1E2E1E2E A A获取低温的一个方法第25页/共60页五 绝热线和等温线绝热过程曲线的斜率等温过程曲线的斜率0ddpVVp0dd1pVVpVAAaVpVp)dd(AATVpVp)dd( 在数值上绝热线的斜率大于等温线的斜率( (物理解释).).pV常量pV常量ApBVAVApVoT0QVapTpBC常量第26页/共60页过程特征过程方程AEQ气体摩尔热容量等体等压等温绝热V=CA=0P=CCTp CTV T=CdE=0CpV 0TR 12lnVVR TCV 0A TCp E TCV 2iRCV RiCp22 TCdQ=0CpV 0TCV 12211 VpVpA0 QC第27页/共

12、60页 例7-2 设有 5 mol 的氢气，最初的压强为 温度为 C，求经过1）等温过程，2）绝热过程 把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功; 3）并求经这两过程后，气体的压强各为多少？Pa10013. 1520J4121080. 2 A1T2T121p2p1V10122VVVpVo2p12TT 0QT 2常量J4121070. 4 APa6210013.1 pPa621055. 2 p第28页/共60页 例7-3 氮气液化， 把氮气放在一个绝热的汽缸中.开始时,氮气的压强为50个标准大气压、温度为300K; 经急速膨胀后,其压强降至 1个标准大气压,从而使氮气液化 . 试问此时氮的温度为

13、多少 ? 解 氮气可视为理想气体, 其液化过程为绝热过程.氮气为双原子气体由表查得40. 1K0 .98)(/ ) 1(1212ppTTPa10013. 15051pK3001TPa5210013. 1 p(近似值)第29页/共60页 例7-4 在一气缸内放有一定量的水，活塞与汽缸间的摩擦不计, 缸壁由良导热材料制成. 作用于活塞上的压强 . 开始时, 活塞与水面接触. 若使环境 (热源) 温度非常缓慢地升高到 . 求把单位质量的水汽化为水蒸汽 , 水的内能改变了多少?Pa10013. 15pC100已知水的汽化热为 16kgJ1026. 2L水的密度3mkg1040水水蒸汽的密度3mkg59

14、8. 0蒸汽水水蒸气 热源100mp1kgJ 61009. 2)11(水蒸汽 pLmE第30页/共60页 热机发展简介 热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .如蒸汽机,内燃机等. 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 .各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机%48%8%37%257-4 卡诺循环第31页/共60页 工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质,

15、 可以是气体, 液体等 .第32页/共60页冰箱循环示意图冰箱循环示意图第33页/共60页pVoA 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程 .热力学第一定律AQ QQQA 21净功0E特征一 循环过程ABAVBVcd总吸热1Q总放热（取绝对值）2Q第34页/共60页热机二 热机效率和致冷机的致冷系数热机效率1212111QQQQQQA 高温热源低温热源1Q热机（正循环）0 A2QAApVoABAVBVcd从高温热源吸取的热量有多少用于对外作功第35页/共60页A致冷机致冷系数2122QQQAQe 致冷机（逆循环）0 A致冷机高温热源低温热源pVoABAVBVcd1

16、Q2QA外界对工质作的功A中, 用于从低温热源提取热量Q2的多少第36页/共60页141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q 例 7-5 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其中 , 求12、23、34、41各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .122 pp142VV%3 .15)23(, RCRV m 第37页/共60页 卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成 .三 卡诺循环 低温热源2T高温热源1T卡诺热机1Q2QAVop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环卡诺循环.

17、给出了热机效率的理论极限值; 他还提出了著名的卡诺定理.第38页/共60页Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V 理想气体卡诺循环热机效率的计算 A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩卡诺循环21TT abQcdQ1211lnVVRTQQab A B 等温膨胀吸热第39页/共60页4322lnVVRTQQcd C D 等温压缩放热1211lnVVRTQ Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 绝热过程214111TVTVB C 绝热过程 213112TV

18、TV 第40页/共60页4312VVVV121TT 卡诺热机效率Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 . 热机效率不可能大于1.提高热机效率的途径?第41页/共60页Vop2TA1TABCD21TT 高温热源1T低温热源2T卡诺致冷机1Q2QA 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数212212TTTQQQe2Q1QT2越小, 致冷系数越小第42页/共60页 图中两卡诺循环 吗 ？2121212T1T2A1A21A

19、A poV讨 论poV2T1T2A1A3T21AA 第43页/共60页 例7-6 一台电冰箱放在室温为 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 之间运转的致冷机 ( 冰箱 ) 的致冷系数, 是卡诺致冷机致冷系数的 55% .C5C20J100 . 27C5C20保持冰箱在 至 之间运转, 每天需作功 C5C20J7102 . 0 AW23360024102 . 07 WtAP功率第44页/共60页 1 开尔文表述：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而

20、不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化 . 第二定律的提出1 第一定律无法说明功热转换的条件. 2 第一定律无法说明热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性等问题. 一 热力学第二定律的两种表述 7-5 热力学第二定律第45页/共60页 等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoAETQ A低温热源2T高温热源1T卡诺热机1Q2QAVop2TA1TABCD21TT 卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.第46页/共60页 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使

21、环境发生变化 . 2 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化 .高温热源1T低温热源2T卡诺致冷机1Q2QAVop2TA1TABCD21TT 2Q1Q第47页/共60页注 意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结. 3 热力学第二定律可有多种表述，每一种表述都反映了自然界过程进行的方向性 . 2 热力学第二定律的开尔文表述与克劳修斯表述具有等效性 .第48页/共60页 可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .二 可逆过程与不可逆过程 不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过

22、程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程. 准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 . 可逆过程的条件第49页/共60页非自发传热自发传热高温物体低温物体 热传导 热功转换完全功不完全热 自然界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第50页/共60页 1） 在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率 . 三 卡诺定理 2） 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率 .可逆循环 不可逆循环可逆热机 不可逆热机第51页/共60页121121TTTQQQ( 不可逆机 )（可逆机）以卡诺机为例，有分析:1) 是热机效率的上限.121TT 2) 提高热机效率的途径: 使实际的不可逆热机尽量地接近可逆机,消除摩擦, 准静态过程. 3) 从热源的角度, 应尽量提高高温热源温度.第52页/共60页 不可逆过程的本质 系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程 . 一切自发过程的普遍规律 概率小的状态概率大的状态 讨论 个粒子在空间的分布问题N 可分辨的粒子集中在左空间的概率21, 1WN41,2WN一 热力学第二定律的统计意义7-6 熵 热力