[理学]第十三章 热力学基础ppt课件

1、气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论 热力学是热学的宏观实际，它以实验为根底研讨系热力学是热学的宏观实际，它以实验为根底研讨系统阅历热力学过程所遵照的规律。统阅历热力学过程所遵照的规律。气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论 假设假设 t 弛豫时间那么可以为过程无限缓慢，弛豫时间那么可以为过程无限缓慢，为准静态过程。为准静态过程。 PV 图上恣意一点都表示一个平衡态，图上恣意一点都表示一个平衡态，恣意一条曲线都表示一个平衡过程。恣意一条曲线都表示一个平衡过程。PoVBA气体分子动理论气体分子动理论l dpS 想象气缸内的气体阅历一个无摩擦的准静态膨胀想象气

2、缸内的气体阅历一个无摩擦的准静态膨胀过程，当活塞挪动一微小位移过程，当活塞挪动一微小位移dl时，气体对外界做的时，气体对外界做的元功为元功为lFWdd lpSd Vpd 系统对外做负功系统对外做正功, 0d, 0d, 0d, 0dWVWV气体分子动理论气体分子动理论在一个有限的准静态过程中在一个有限的准静态过程中 21ddVVVpWW1VoPV2V12VdP 21dVVVPSW气体分子动理论气体分子动理论 气体分子动理论气体分子动理论 一定质量的物质，温度升高一度所吸收的一定质量的物质，温度升高一度所吸收的热量，称为热容量热量，称为热容量TQTQCTddlim0 TQMTQMcTdd11lim

3、0 气体分子动理论气体分子动理论PPTPTQTQC ddlim0VVTVTQTQC ddlim0气体分子动理论气体分子动理论 热力学系统在一定的形状下，具有一定的能量，热力学系统在一定的形状下，具有一定的能量，称为热力学系统的内能。称为热力学系统的内能。 内能的变化只决议于始、末两个形状，与所阅历内能的变化只决议于始、末两个形状，与所阅历的过程无关，即内能是系统形状的单值函数。的过程无关，即内能是系统形状的单值函数。vRTiE2 TvRiE2 气体分子动理论气体分子动理论kT21RTiMME2mol vRTi2 vv)d(dfNN 气体分子动理论气体分子动理论mol22MRTmkTp vmol

4、88MRTmkT vmol233MRTmkT v 21ddVVVpWW气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论 一定质量的物质，温度升高一度所吸收的一定质量的物质，温度升高一度所吸收的热量，称为热容量热量，称为热容量TQTQCTddlim0 TQMTQMcTdd11lim0 气体分子动理论气体分子动理论PPTPTQTQC ddlim0VVTVTQTQC ddlim0气体分子动理论气体分子动理论 热力学系统在一定的形状下，具有一定的能量，热力学系统在一定的形状下，具有一定的能量，称为热力学系统的内能。称为热力学系统的内能。 内能的变化只决议于始、末两个形状，与所阅历内能的变化只决

5、议于始、末两个形状，与所阅历的过程无关，即内能是系统形状的单值函数。的过程无关，即内能是系统形状的单值函数。vRTiE2 TvRiE2 气体分子动理论气体分子动理论WEQWEQddd 1第一类永动机是不能够实现的。 2适用于任何系统和任何过程，只需初态、终态是平衡态。气体分子动理论气体分子动理论，系统放热，系统放热，系统吸热，系统吸热00 QQ，外界对系统作功，外界对系统作功，系统对外界作功，系统对外界作功00 WW，系统内能减小，系统内能减小，系统内能增加，系统内能增加00 EEWEQ气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论恒量Vconst TP0dVP2P1POVVTvRi

6、E2 0 W12EEQVTvRi2 气体分子动理论气体分子动理论TQCVVdd TEdd TTRidd2 Ri2 RiCV2 TvCEV 气体分子动理论气体分子动理论恒量P0d PCTV PPO1VV2VWTvCEV 21dVVVPW)(12VVP 21dVVVPTvR 气体分子动理论气体分子动理论WEQp TvRTvCV TRCvV)( TQCppdd TTRCVdd)( RCVRiRCCVp22 iiCCVP2TvCQPP 气体分子动理论气体分子动理论无关。有关，与只与气体分子的自由度、TCCVP iVCPC356R325R23R25R27RR467. 140. 133. 1* 对单原子分

7、子和双原子分子，其实验值与实际值相对单原子分子和双原子分子，其实验值与实际值相符，而多原子分子其实验值与实际值有较大差别。符，而多原子分子其实验值与实际值有较大差别。气体分子动理论气体分子动理论0d TCPV 恒量TQ恒恒 温温 热热 源源TP2P1PO1VV2VTvCEV 0 气体分子动理论气体分子动理论 21dVVVPW 21dVVVVvRT12lnVVvRT 21lnPPvRT 12lnVVvRTWQT TQCTTdd21lnPPvRT气体分子动理论气体分子动理论0Q 12TTvCEV 12TTvCEWV 气体分子动理论气体分子动理论系统与外界绝热，无热量交换。系统与外界绝热，无热量交换

8、。0d Q绝热过程的摩尔热容为绝热过程的摩尔热容为0 0。0 QCWEQdd0d 即即TvCVPVdd 气体分子动理论气体分子动理论由由vRTPV 得得TvRPVVPddd TvCVPVdd 由由1、2得得VPCRPVVPVddd 即即 PVCVPCVPRCVPVddd 那么那么0dd VPPV气体分子动理论气体分子动理论0dd VVPPlnlnCVPlnCPVconst1 PVconst21 TVconst31 TP0dd VPPV气体分子动理论气体分子动理论3.过程曲线CPV0dd PVVPVPVP ddCPV 0dd1 VVPPVVPVP dd1PVA绝热绝热等温等温气体分子动理论气体分

9、子动理论oPV等温线2V1V21绝热线气体分子动理论气体分子动理论111TVP真空真空222TVP绝热自在膨胀：绝热自在膨胀：0, 0QW12, 0EEE所以所以即即12TT 212PP 气体分子动理论气体分子动理论VP(atm)atm 1 aPK 300 aTatm 3 bPK 900 aabcbTPPTTatm 1 dcPPK 450 ccddTVVTV113abV3cV4d气体分子动理论气体分子动理论11EQ 01W22WQ 02EJ1248)(25mol abTTRMMcbbPPRTMMlnmol J823 VP(atm)V113abV3cV4d气体分子动理论气体分子动理论)(3cdc

10、VVPW J1310333 EWQJ449321WWWWJ 761321QQQQJ 312WQEJ936)(25mol3 cdTTRMMEJ374 )(molcdTTRMM VP(atm)V113abV3cV4d气体分子动理论气体分子动理论000TVP真空真空设氦气开场形状为设氦气开场形状为 K273,000 TVP1先向真空作绝热自在膨胀非静态过程先向真空作绝热自在膨胀非静态过程0, 0, 0, 0 TEQW01TT 201PP 012VV 气体分子动理论气体分子动理论2再作绝热紧缩再作绝热紧缩202111,TVPTVP由绝热方程由绝热方程111210TVTV 得得01012)(TVVT 0

11、314 T 0310214TTTT K1602731431 012T 气体分子动理论气体分子动理论1气体对外做的功；气体对外做的功；2气体内能的增量；气体内能的增量；3气体吸收的热量。气体吸收的热量。P(atm)V(l)0321321cba过程曲线下的面积WJ2 .405m 102Pa 10013. 12335ccaaVPVPcaTT 0EWEQJ2 .405气体分子动理论气体分子动理论WEQTQCdd 气体分子动理论气体分子动理论0d V0d P0d T0d QCTPCTVCPV1CPV21CTV31CTP过程特点过程方程过程等容等压等温绝热内能增量TCMEVTCMEVTCMEV00VP12

12、lnVVRTM21lnPPRTMTCMVW功12lnVVRTM21lnPPRTM0TCMVTCMPQ热量气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论气体分子动理论1气体对外做的功；气体对外做的功；2气体内能的增量；气体内能的增量；3气体吸收的热量。气体吸收的热量。P(atm)V(l)0321321cba过程曲线下的面积WJ2 .405m 102Pa 10013. 12335ccaaVPVPcaTT 0EWEQJ2 .405气体分子动理论气体分子动理论 1、循环过程：物质系统阅历一系列的变化过程又、循环过程：物质系统阅历一系列的变化过程又回到初始形状，这样的周而复始的变化过程称为循环回到初始形状，

13、这样的周而复始的变化过程称为循环过程，简称循环。阅历一个循环，内能没有改动。过程，简称循环。阅历一个循环，内能没有改动。 2、任务物质：循环任务的物质，简称工质。、任务物质：循环任务的物质，简称工质。 3、热、热 机：经过工质不断地把吸收的热量转变机：经过工质不断地把吸收的热量转变为机械功的安装叫热机。内燃机，蒸汽机等。为机械功的安装叫热机。内燃机，蒸汽机等。pVabcd气体分子动理论气体分子动理论PVBAbaPBVBPAVABbAAaBWWW0AaBW0 BbAW气体分子动理论气体分子动理论0净W0净W气体分子动理论气体分子动理论 设在一次循环过程中，系统从高温热源能设在一次循环过程中，系统

14、从高温热源能够不只一个吸收热量为够不只一个吸收热量为 Q1 ，向低温热源能够，向低温热源能够不只一个放出热量的绝对值为不只一个放出热量的绝对值为 Q2 ，对外界所做，对外界所做净功为净功为 W 。WQQ21 0 E1211QQQW 定义效率：在一次循环过程中，任务物质对外定义效率：在一次循环过程中，任务物质对外作的净功与它从高温热源吸收的热量之比作的净功与它从高温热源吸收的热量之比气体分子动理论气体分子动理论液体燃料火箭液体燃料火箭燃气轮机燃气轮机柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机车蒸汽机车08. 025. 037. 046. 048. 0 气体分子动理论气体分子动理论12QQW2122QQQWQ

15、w 设在一次循环过程中，系统从低温热源吸收热量设在一次循环过程中，系统从低温热源吸收热量为为 Q2 ，向高温热源放出热量的绝对值为，向高温热源放出热量的绝对值为 Q1，外界，外界对系统所做净功为对系统所做净功为 W 。气体分子动理论气体分子动理论 1824年法国青年工程师卡诺提出一种理年法国青年工程师卡诺提出一种理想热机，假设任务物质只与两个恒温热源交想热机，假设任务物质只与两个恒温热源交换热量，即没有散热、漏气等要素存在，这换热量，即没有散热、漏气等要素存在，这种热机称为卡诺热机，其任务物质的循环过种热机称为卡诺热机，其任务物质的循环过程叫卡诺循环。程叫卡诺循环。高温热源高温热源工质工质低温

16、热源低温热源1T2T1Q2QW 理想气体准静态卡诺理想气体准静态卡诺循环由两个等温过程和循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。两个绝热过程组成。气体分子动理论气体分子动理论AB 过程：过程：1211lnVVvRTQ CD 过程：过程：4322lnVVvRTQ BC 和和 DA 过程：过程：0QV3V1VPDABCV2V4T1T2气体分子动理论气体分子动理论1211QQQW121432lnln1VVTVVT132121VTVT142111VTVT4312VVVVV3V1VPDABCV2V4T1T2121TT气体分子动理论气体分子动理论121TT* 卡诺循环的效率仅由卡诺循环的效率仅由 T1 、T

17、2 决议决议212212TTTQQQw* 效率小于效率小于 1 * 提高效率的途径：升高提高效率的途径：升高 T1 ，降低，降低 T2气体分子动理论气体分子动理论ABV2V1VP1POC1.假设假设AC为绝热线，为绝热线，AB为恣意过程，为恣意过程，AB过程吸热还是过程吸热还是放热？为什么？放热？为什么？2.假设假设AB为绝热线，为绝热线，AC为恣意过程，为恣意过程，AC过程吸热还是过程吸热还是放热？为什么？放热？为什么？气体分子动理论气体分子动理论ABV2V1VP1POC3.假设假设AC为等温线，为等温线，AB为恣意过程，为恣意过程，AB过程温度升高还过程温度升高还是降低了？为什么？是降低了

18、？为什么？4.假设假设AB为等温线，为等温线，AC为恣意过程，为恣意过程，AC过程温度升高过程温度升高还是降低了？为什么？还是降低了？为什么？气体分子动理论气体分子动理论QpVpV000等等温温abc02VQQcaabbc)(bcVbcTTvCQ )(abpabTTvCQ 002lnVVvRTQcca 121QQ )2(2ln)2(1ccpcccVTTCRTTTC )(2ln)(1abpccbVTTCRTTTC 22ln22 i%7 .18 气体分子动理论气体分子动理论CTBTABCDOPV1P2P121QQ热机效率为热机效率为:1BA）（:2CB ）（ 吸热吸热ABPTTCQ 10 Q气体分

19、子动理论气体分子动理论:3DC ）（:4AD ）（121QQ 所以所以由绝热过程方程得由绝热过程方程得 放放热热DCPTTCQ 20 QABDCTTTT 1ABCDOPV1P2P12111211 PTPTPTPTCBDA气体分子动理论气体分子动理论两式相比可得两式相比可得BACDTTTT或或所以所以BCABDCTTTTTT11BCADTTTTABDCTTTT气体分子动理论气体分子动理论fVVfVOPabcd112经过一个循环后系统经过一个循环后系统对外作净功为对外作净功为 112 fVW由图可知：由图可知：bc、cd 为为放热过程；放热过程；da、ab 为为吸热过程。吸热过程。1 fV气体分子

20、动理论气体分子动理论等压吸热过程:ba abPTTCQ 1等容吸热过程:ad daVTTCQ 2VfVOPabcd112 125 faVP abTTR 25 15 fV daTTR 23 adaVPP 23 5 . 1 气体分子动理论气体分子动理论所以所以21QQWQW 吸吸2)5 . 35() 1(5)5 . 35(dd ffffVVVV5 . 351limlim ffVVVf5 . 3515 . 1) 1(51 ffffVVVV0)5 . 35(5 . 12 fV%2051 气体分子动理论气体分子动理论1211QQQW气体分子动理论气体分子动理论CTBTABCDOPV1P2P121QQ热机

21、效率为热机效率为:1BA）（:2CB ）（ 吸热吸热ABPTTCQ 10 Q气体分子动理论气体分子动理论:3DC ）（:4AD ）（121QQ 所以所以由绝热过程方程得由绝热过程方程得 放放热热DCPTTCQ 20 QABDCTTTT 1ABCDOPV1P2P12111211 PTPTPTPTCBDA气体分子动理论气体分子动理论两式相比可得两式相比可得BACDTTTT或或所以所以BCABDCTTTTTT11BCADTTTTABDCTTTT气体分子动理论气体分子动理论fVVfVOPabcd112经过一个循环后系统经过一个循环后系统对外作净功为对外作净功为 112 fVW由图可知：由图可知：bc、

22、cd 为为放热过程；放热过程；da、ab 为为吸热过程。吸热过程。1 fV气体分子动理论气体分子动理论等压吸热过程:ba abPTTCQ 1等容吸热过程:ad daVTTCQ 2VfVOPabcd112 125 faVP abTTR 25 15 fV daTTR 23 adaVPP 23 5 . 1 气体分子动理论气体分子动理论所以所以21QQWQW 吸吸2)5 . 35() 1(5)5 . 35(dd ffffVVVV5 . 351limlim ffVVVf5 . 3515 . 1) 1(51 ffffVVVV0)5 . 35(5 . 12 fV%2051 气体分子动理论气体分子动理论 一切

23、热力学过程都必需满足热力学第一定律，一切热力学过程都必需满足热力学第一定律，但其能否一定能实现呢？但其能否一定能实现呢？低温物体低温物体高温物体高温物体热量热量 热量自动地从低温物体传送给高温物体的过热量自动地从低温物体传送给高温物体的过程是不能够发生的。程是不能够发生的。气体分子动理论气体分子动理论功功热热功功热热 静止的飞轮由于轴承变冷而使飞轮重新转动静止的飞轮由于轴承变冷而使飞轮重新转动起来的景象是不能够发生的。起来的景象是不能够发生的。 气体决不会自动收缩回容器的左边，而另一气体决不会自动收缩回容器的左边，而另一边变为真空。边变为真空。气体分子动理论气体分子动理论 均匀混合的两种气体又

24、自动分别的过程是绝均匀混合的两种气体又自动分别的过程是绝对不会发生的。对不会发生的。气体分子动理论气体分子动理论 自然界许多过程能自动发生，满足热力学第一自然界许多过程能自动发生，满足热力学第一定律；自然界许多过程不能自动发生，不违背热力定律；自然界许多过程不能自动发生，不违背热力学第一定律。学第一定律。察看不到察看不到 自然界实践上自发发生的过程自然过程都自然界实践上自发发生的过程自然过程都具有方向性。具有方向性。热力学第二定律热力学第二定律判别过程进展的方向哪些能自发进展，哪些不能判别过程进展的方向哪些能自发进展，哪些不能气体分子动理论气体分子动理论 不能够从单一热源汲取热量使之完全变不能够从单一热源汲取热量使之完全变为有用功而不产生其他影响。为有用功而不产生其他影响。气体分子动理论气体分子动理论 不能够把热量从低温物体传到高温物体而不