第四章热力学第一定律2012

1、 从宏观上讨论热力学系统的状态发生变从宏观上讨论热力学系统的状态发生变化时，化时，热量、功、内能热量、功、内能的变化规律。的变化规律。 一、过程一、过程 当热力学系统在外界影响下，从一个状当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称过程过程。非静态过程非静态过程准静态过程准静态过程 ifif系统系统T1T1+TT1+2TT1+3TT2从从 T1 T2 是准静态过程是准静态过程非静态过程非静态过程：系统系统 温度温度 T1 直接与直接与 热源热源 T2接触，接触， 最终达到热平衡，不是最终达到热平衡，不是 准静态过

2、程。准静态过程。u 过程曲线：过程曲线： 对一定量的气体系统的准静态过程，中间的每一个状态都对一定量的气体系统的准静态过程，中间的每一个状态都是平衡态，可用是平衡态，可用P PV V图上的一个点来表示，图上的一个点来表示，所以所以对准静态过程可用对准静态过程可用P P V V图上一条线来表示，反之亦如此。图上一条线来表示，反之亦如此。如何改变系统的状态？如何改变系统的状态？做功或传递热量。做功或传递热量。等压过程等压过程VPo等温过程等温过程等容过程等容过程循环过程循环过程 拉动活塞，使系统由平衡态拉动活塞，使系统由平衡态1 1状状态态2 2，过程中系统内各处的密度，过程中系统内各处的密度(

3、( 压压强、温度强、温度 ) ) 并不完全相同，要过一并不完全相同，要过一段时间，状态段时间，状态2 2才能达到新的平衡。才能达到新的平衡。 只有过程进行得无限缓慢，每个中间只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。态才可看作是平衡态。 怎样判断怎样判断“无限缓慢无限缓慢”？ 弛豫时间弛豫时间 ： 系统由非平衡态到平衡态所需时间。系统由非平衡态到平衡态所需时间。t ：过程进行的时间。：过程进行的时间。 准静态过程条件：准静态过程条件： t 二二 弛豫时间弛豫时间三、可逆与不可逆过程三、可逆与不可逆过程 系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可

4、以找到一个能使系统和外界找到一个能使系统和外界都复原都复原的过程（这时系统回的过程（这时系统回到初态，对外界也不产生任何影响），则到初态，对外界也不产生任何影响），则原过程是可原过程是可逆的逆的。若总是。若总是找不到找不到一个能使系统与外界同时复原的一个能使系统与外界同时复原的过程，则过程，则原过程是不可逆的原过程是不可逆的。 真空真空例如：气体向真空自由膨胀就是一个不可逆过程。不可逆过程。判断判断条件条件系统回到初态系统回到初态对外界也不产生对外界也不产生 任何影响任何影响只有无耗散的准静态过程才是可逆过程。才是可逆过程。耗散过程：耗散过程：要使系统恢复到初态，外界要花费比正向过程中得到的功

5、更多，那么，在外界就遗留下变化，因此这种过程不具有可逆性。 一、功是力学相互作用下的能量转移一、功是力学相互作用下的能量转移 力学相互作用力学相互作用：力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状：力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响。态的影响。 在力学相互作用过程中系统和外界之间在力学相互作用过程中系统和外界之间转移转移的的能量能量就是就是功功。热力学认为力是一种热力学认为力是一种广义力广义力，所以功也是，所以功也是广义功广义功。注意：注意：1）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。2）、只有在广义力（如压强、电动势等）作用下）、只有在广义力（如压

6、强、电动势等）作用下产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后才作了功。才作了功。3）、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功）、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。4）、功有正负之分。）、功有正负之分。当活塞移动微小位移当活塞移动微小位移dl时，时，系统对外界所作的元功为：系统对外界所作的元功为：pdVpSdlFdldA 系统体积由系统体积由V1变为变为V2，系统对外界作总功为：系统对外界作总功为： 21VVpdVdAA外界对系统作功外界对系统作功eedWdAp Sdlp dV 21VeVWAdAp dV 准静态过程准静态过程ppe dWdApd

7、V 21VVWApdV 二、体积膨胀功二、体积膨胀功 dleppSF光滑光滑pF,dA,dV00 系统对外作正功；系统对外作正功；,dA,dV00 系统对外作负功；系统对外作负功；,dA,dV00 系统不作功。系统不作功。 21VVpdVdAApp1 p2 0V1 V2 VV V+dV 比较比较 a , b过程可知，功的数值不仅与初态和过程可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功功与过程的路径有关与过程的路径有关。 功是过程量功是过程量由积分意义可知，功的大小等由积分意义可知，功的大小等于于pV 图上过程曲线图上过程曲线p(V

8、)下下的的面积面积。 21VVpdVA pVpba2VVdVV 1VIoII2p1p结论结论 系统所做的功在数值系统所做的功在数值上等于上等于p -V 图上过程曲线图上过程曲线以下的面积。以下的面积。功与变化的功与变化的路径有关路径有关，它不是状态的函数，它不是状态的函数A0A0Q0，系统吸收热量；，系统吸收热量；Q0Q0W0, ,系统对外作负功；系统对外作负功；W0W0U0, ,系统内能系统内能增加，增加， U0U 时：时：Cn,m 0, T0, Q0 吸热吸热若若1n 时：时：Cn,m 0, Q0 ，放热，放热 ,称为称为多方负热容多方负热容 DpVo热机循环热机循环ACAVBVB净A热机

9、工作示意图热机工作示意图高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2工质工质1Q2Q21QQA 净净61 二、循环过程二、循环过程 ABCDpV0顺时针顺时针-正循环正循环(热机热机)逆时针逆时针-逆循环逆循环(制冷机制冷机)二、热机及其效率二、热机及其效率ABCDA所围成的面积就是正循环所做的所围成的面积就是正循环所做的净功净功W热机的效率：热机的效率：吸热QW62 由热力学第一定律：由热力学第一定律：WQQ放吸热机效率热机效率吸放吸放吸吸QQQQQQW1四、内燃机循环四、内燃机循环内燃机内燃机将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机将燃料燃烧过程移到汽缸内部的热机内燃机类型：内燃机类型：奥托循环奥托循

10、环与狄塞尔循环与狄塞尔循环 如果热机将从高温热源吸收的热全部对外做功，热机的效率不就可以达到100%？！定体加热循环 定压加热循环致冷系数致冷系数2212QQWQQ冷一、制冷循环和制冷系数一、制冷循环和制冷系数高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T2工质工质1Q2QW21QWQ 4.9 制冷机及焦耳制冷机及焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应71 二、焦耳二、焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应高压高压低压低压多孔塞多孔塞实验发现实验发现，这时在多孔塞两边的气体的温度一般并，这时在多孔塞两边的气体的温度一般并不相等不相等温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的压强的数值有关。温度差的大小和气体种类及多孔塞两边

11、的压强的数值有关。绝热条件下，高压绝热条件下，高压气体经过多孔塞、气体经过多孔塞、小孔、通径很小的小孔、通径很小的阀门、毛细管等流阀门、毛细管等流到低压一边的稳定到低压一边的稳定流动过程称为流动过程称为节流节流过程。过程。111111VplApW222222VplApW设气体都在左边时的内能为设气体都在左边时的内能为U U1 1 ，气体都在右边时的内能为气体都在右边时的内能为 U U2 2 。气体推动右边活塞做功气体推动右边活塞做功气体穿过多孔塞过程中，左气体穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体做功边活塞对气体做功 221121VpVpWWW221112VpVpUUWQU 外界对定量气体所做的净功

12、为外界对定量气体所做的净功为绝热过程中绝热过程中 Q Q = 0= 0，则由第一定律，则由第一定律21HH 绝热节流过程前后的焓不变绝热节流过程前后的焓不变。这些点的焓和这些点的焓和i i点的焓是点的焓是相等的。这些点连接成相等的。这些点连接成的线就是的线就是等焓线等焓线三、卡诺制冷机三、卡诺制冷机 逆向卡诺循环反映了制冷机的工作原理，其逆向卡诺循环反映了制冷机的工作原理，其能流图如图所示。能流图如图所示。pV432V1V1o21Q2Q3V4V1T2T高温热源高温热源T T1 1低温热源低温热源T2工质工质1Q2QW21QWQ 致冷系数致冷系数4322lnVVRTQ 1243VVVV 212TTT冷212QQQ冷1211lnVVTQpV432V1V1o21Q2Q3V4V1T2T12与34等温过程23与41绝热过程 电动压缩泵将电动