大学物理热力学基础习题ppt课件

1、第六章第六章热热 力力 学学 基基 础础前言：前言：热力学研讨对象：物质的热运动热力学研讨对象：物质的热运动 另一种运动方式另一种运动方式热运动：固体、液体、气体大量微粒热运动：固体、液体、气体大量微粒原子，分子等不停地无规那么运动原子，分子等不停地无规那么运动研讨对象系统的复杂性：研讨对象系统的复杂性：大量微粒1023；速度102103ms-1；线度10-10m；质量10-26kg；每秒碰撞次数109研讨方法气体：研讨方法气体：1、能量观念出发，以实验方法研讨热景象的宏观规律热力学2、运用统计方法大量无规律运动微粒的集体行为研讨其微观本质气体动实际一、理想气体的物态方程1、描写气体的参量TV

2、P,压强PPaV体积3m2、平衡态3、理想气体的形状方程绝对温度TK 气体形状参量不受时间变化 时称为平衡态，在 图上有一确定点VP 在平衡态时的理想气体各形状量有RTMmPV 气体质量， 气体的摩尔质量， 摩尔气体常量mM131. 8KmolJRPVoNoImage111,TVPA222,TVPB二、热力学中的几个根本概念和重要物理量1、热力学系统：研讨的对象孤立系统：不受外界任何影响的系统开放系统：与外界有能量等交换的系统2、热力学过程：系统从一个平衡态到另一个平衡态的变化过程平衡准静态过程：过程的中间形状都可以看作平衡形状图上可用一条曲线表示过程曲线准静态过程是理想过程3、热力学的几个重

3、要物理量1功体积变化所作的功 图上过程曲线下所包围的面积功是过程量不是形状量PVoBApdVlpSlFWpdVWPVoBA1V2V2热量：系统与外界由于温差而传送的能量热量传送与过程有关，也是过程量热量传送与过程有关，也是过程量3内能：系统内部的能量是描画系统形状的一个物理量系统内一切分子热运动的能量复习：热量热容12TTmcQmcC dtdQC 内能是形状量，内能的变化增量内能是形状量，内能的变化增量与阅历过程无关与阅历过程无关4、热力学第一定律理想气体内能只是温度理想气体内能只是温度的单值函数的单值函数 TE1定律：系统从外界吸收热量，使系统内能添加和系统对外做功WEEQ12dWdEdQ或

4、留意的正负号规定EEEWQ12,2第一类永动机是不能够制造的即不耗费任何能量而能不断即不耗费任何能量而能不断地对外做功的机器是不能够的地对外做功的机器是不能够的列举几个历史上“著名的第一类永动机结论：“要科学，不要永动机！焦耳摩托车水车转动体三、热力学第一定律在等值过程中的运用1、等体过程2热力学第一定律 系统气体吸收的热量全部用来添加气体的内能PVoBA12EEQVdEdQV1特点：=常量， 图上过程线图示 过程方程 =常量0dWTP3定体摩尔热容量对质量 气体m1212EETTCMmQVmV重要阐明：内能增量只与形状有关与过程重要阐明：内能增量只与形状有关与过程无关，所以无关，所以是计算内

5、能的普遍表示式，适用于任何过程是计算内能的普遍表示式，适用于任何过程1212TTCMmEEVm定义 1摩尔dTdQCVVm查表12TTCQVmV1摩尔2、等压过程1特点：P=常量 图上过程曲线图示过程方程=常量2112VVVVppdVWTVPVoBA2热力学第一定律系统吸收热量是一部分添加气体的内能，系统吸收热量是一部分添加气体的内能，另一部分气体对外做功另一部分气体对外做功1212VVPEEQPdWdEdQV3定压摩尔热容量由第一定律得所以12TTCQPmP12TTCMmQPmP此时查表1212TTCMmEEVm121212TTRMmTTCMmTTCMmVmPmRCCVmPm定义dTdQCP

6、Pm1摩尔小结：小结：(迈耶公式)RCCVmPm1212VVPTTCMmQVmPRCCVmPm12TTCMmQPmP其中摩尔热容比1,mVmPCC3、等温过程2热力学第一定律气体吸收的热量全部用来对外做功气体吸收的热量全部用来对外做功1特点：=常量图上过程线图示过程方程=常量0E2121VVVVTVdVRTMmpdVWQ2112lnlnPPRTMmVVRTMmPVoBA2热力学第一定律绝热过程外界对气体做功使气体内能添加4、绝热过程PVoBA12TTCMmPdVWVmdWdE 0PdVTTCMmVm120或1特点：图上过程曲线(?)过程方程0dQ常常常，rrrrTPTVPV11,(?)讨论讨论

7、1绝热过程的绝热方程的推导略2图上绝热线和等温线的比较PV=常量， (曲线斜率)AAAVPdVdPPVoAV等温线绝热线解释：在改动一样的体积解释：在改动一样的体积下，绝热过程中压强的变下，绝热过程中压强的变化要大些化要大些PVoAV等温线绝热线=常量， 曲线斜率AAAVPdVdPPV由于 ，绝热线比等温线陡！1等值过程中等值过程中 和和 的计算的计算 EQ ,W例1、计算2mol的氦气He在图示过程中的各值PVoKTAA340KTBB310KTCC330解： 等体BAABVmTTCMmEEQ12查表得152.12KmolJCVm放热，内能减少12750EEJQ等压CB1212VVPEEQJT

8、TCMmQBCPm832JTTCMmEEBCVm50012 从P-V图上直接判别各量的正负JEQW332 留意 普遍顺应 12TTCMmEVmPVoKTAA340KTBB310KTCC330讨论： 先计算再由 计算 或由 计算 JTTRMmVVPWBCBC332EQQECB解：等温过程例2、知5mol的氢气 并紧缩至 所做的功1等温过程2绝热过程1012VV PVo1V等温线绝热线2V外界对气体作功JVVRTMmWQ412111080. 2ln绝热过程1222TTCMmEWVm又常1rTVKVVTTr75312112KTPaP293,10013. 1151讨论：两者压强变化JEW4221070

9、. 4外界对气体作功12WW 由 =常量PVPaVVPPT421110013. 1由 =常量1rPVPaVVPPra42111055. 2TaPP 四、循环过程：系统阅历一系列形状变化后，又回到原来形状1、循环过程的特点：P-V图上为一闭合曲线正、逆循环曲线面积为循环的净功0E2、热机与致冷机热机效率：吸热 ，放热 ，1对外做功1Q2QW1212111QQQQQQW高温热源低温热源热机1Q2QW2致冷机 致冷系数作逆循环 从低温热源吸热 ，向高温热源放热 ，外界作功1Q2QW2122QQQWQe高温热源低温热源致冷机2Q1QW例题、1mol单原子气体氖阅历图示循环求其效率PaP510mV310

10、oCBAD4 .226 .33026. 2013. 1解：KTKTBA546,273KTKTDC409,819吸热BAABVmTTCMmEQ1CBBCVmTTCMmQ 1放热DC DCVmTTCMmQ2ADADPmTTCMmQ 2%5 .12112211 QQQQQQ或1QW1212VVPPW六、卡诺循环问题：如何提高热机效率？热机效率能否到达100%？从一个理想的热机循环着手1、卡诺循环：两个等温过程 和两个绝热过程组成。21,TTPVoCBAD1T2T1V4V2V3V其效率：121211QQQQQ等温 吸热BA1T1211lnVVRTMmQ 等温 放热DC 2T4322lnVVRTMmQ

11、12431212lnln11VVVVTTQQ由于 绝热有CB213112TVTVrr绝热有AD214111TVTVrr比较得143112rrVVVV卡诺热机效率121TTPVoCBAD1T2T1V4V2V3V2 2、讨论、讨论仿上得 卡诺致冷机ABCDA2122122TTTQQQWQe1这是完成一个循环所需的最少热源高温热源 和低温热源 2T1T2提高热机效率的途径 或降低1T2T提高 21,:TTePVoCBAD1T2T1V4V2V3V实践上约30%！3卡诺热机的效率即热机效率不能到达100%？%100例如：南京发电厂某台机组)303(30),853(5802211KTctKTct那么其效率

12、为%60112TT又例：一台致冷机(冰箱)，其致 冷系数约是卡诺致冷机的55%， 今在如下情况下任务： 室温200C293K冰箱冷室50C278K欲使从室内传入冰箱的热量(每天2.0107J)不断排出，该冰箱的功率为多大？解：冰箱的致冷系数2 .1055. 0212TTTe由 的定义e212QQQe即一昼夜耗电约0.6度所以每天其中 为从低温热源吸收的热量，那么2QJQ72100 . 2 JQeeQ721102 . 21每天又由于WQQ21JQQW721102 . 0 每天功率 瓦WtWP233“冷泵与“热泵而从另一角度来看，所放出的热量是可以利用的，把它送到高温热源中去，又是一个“热泵假设将

13、机器适当假设将机器适当“换向，一机就能两用！换向，一机就能两用！ 致冷机向高温热源放出热量 降低了低温热源的温度“冷泵WQQ21高温热源低温热源致冷机2Q1QW高温热源低温热源热机W1Q2Q3、卡诺定理、卡诺定理1在同样高低温度之间任务的一切卡诺机可逆机，其效率都相等121TT 给出提高热机效率的途径和提高效率的局限。2在同样高低温度之间任务的一切不可逆机效率121TT五、热力学第二定律1、定律的引出什么规律？热机吸收的热量不能全部转换为功不违背第一定律却又不能实现自然界是还存在着其它的定律和规律热机效率 不能等于100%1QW1除热力学第一定律外，还得有另一规律使更为完善，缺一不可！2功可以

14、全部转换为热，但热不能全部转换为功，这里有一个条件和方向性的问题2、热力学第二定律的两种表述开尔文：不能够制造出一种循环任务热机，它只使单一热源冷却来作功，而不 放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化克劳修斯：不能够把热量从低温自动传到高温物体而不引起外界变化3、对定律的阐明1其它说法：如第二类永动机不能够实现等。这是由于自然界中热功有关的景象都有内在的联络，可以有多种表述。前者两种表述最先最完好提出。2两种表述的等价性4、可逆过程和不可逆过程、可逆过程和不可逆过程1可逆过程：假设逆过程能反复正过可逆过程：假设逆过程能反复正过 程的每一形状，且不引程的每一形状，且不引 起其它变化起其它

15、变化前面提到热 功和热 功能量传送：高温 低温，高温 低温 都涉及到一个问题，即从A态 B态能够而从B态 A态能否能够的问题例如：单摆的运动有否有摩擦等耗散力气体自在膨胀热传导结论：自然界一真实践过程都是不可逆的 热力学第二定律就是反映了这一规律！2如何实现理想的可逆过程 过程无限缓慢准静态 没有摩擦、耗散力热功转换两个条件缺一不可！六、熵，熵添加原理引言：热力学第二定律的数学表达式 热力学第二定律的本质1、熵的存在热力学系统的形状函数的存在由卡诺循环：可逆卡诺循环121121TTTQQQ2211TQTQ直接以 表示，那么02211TQTQ2Q 卡诺可逆循环中，系统阅历一个循环后，其热温比的总

16、和为零推行：任一可逆循环视为假设干卡诺循环组成 循环阅历恣意可逆循环过程一周后，其热温比之和为零。那么有02211iiTQTQTQ01niiiTQ当 时，写成n0TdQVPoVPo也可写成0可逆TdQ假设取图示的可逆循环，即021ABCACTdQ对任一过程AC1B，或BC2A都是可逆的021ABCBACTdQTdQTdQBACBACTdQTdQ21VPoBA2C1C这一结果阐明可逆：2、熵的定义 与过程无关，只依赖于始末形状，即系统确实存在着一个形状函数熵TdQ可逆过程2112TdQSS或 单位 TdQdS1KJ3、关于熵概念的几点阐明1 表示任一热力学 过程中，系统从初态到末态， 系统熵的增

17、量等于从初态到末 态之间任一可逆过程热温比的积分TdQSS12 请留意从“任一热力学过程 “任一可逆过程的用词。这是由于熵是形状函数，系统平衡态确定后，熵也就确定，与过程无关2熵值具有相对性常选某一参考形状的熵值为零4假设系统由几部分组成，可计算各部分熵变之和即是系统的熵变。4、熵添加原理热力学第二定律的数学 表达式3系统形状变化时的熵变， 只需在可逆过程中才在数值上 等于热温比的积分，因此机算 时必需根据详细情况设计从初态到末态的可逆过程原理：孤立系统中的可逆过程，其熵不变；孤立系统中的不可逆过程，其熵添加可见孤立系统中不可逆过程总是朝熵添加方向进展直到最大值熵添加原理反映了过程进展的方向性

18、，是热力学第二定律的另一种表达方式即等号为可逆过程012SSS5、熵的计算举例、熵的计算举例 这是一个热量传送的不可逆过程，为此计算其熵变时我们想象其是一个等温的可逆过程，所以可用下式计算例1、 的冰变为 水，其熵变为多少？ckg 0 ,1c0解：冰的熔解热151034. 3kgJLmLTdQTTdQSSS111201023. 113KJ解：想象混合过程是在等压下进展的可逆的等压过程，于是例2、不同温度液体的混合时系统的熵变知KTkgm363,3 . 011112218. 4,293,7 . 0KkgJcKTkgm混合温度 得222111TTcmTTcmKT314热水TTTdTcmTdQS1111111111182ln1KJTTcmTdTcmTT冷水TTTdTcmTdQS22221222203lnKJTTcm对整个系统冷、热水组成的孤立系统021121KJSSS解：水的熵变 设水加热为一可逆过程无限多热源，缓慢加热例3、 的水，放在 的高