Chapter-6-热力学基础课件

1、热力学基础1 当一个科学家发现，自然界的结构有这么多不可思议的奥妙，他会有一个触及灵魂的震动。而这个时候的感觉，我想是和最真诚的宗教信仰很接近的。 杨振宁2结构框图热力学系统内能变化的两种量度功热量热力学 第一定律热力学 第二定律等值过程绝热过程循环过程卡诺循环应用（理想气体）（对热机效率的研究）31)微观理论统计物理物质的微观结构粒子的热运动统计方法平均效果确定宏观量与微观量的联系，描述热现象的规律和本质由基本假设构造性理论热学发展历史的两大特征：技术物理技术模式两种研究方法两种理论2)宏观理论热力学归纳观测实验热现象基本定律，宏观过程进行的方向和限度，不涉及微观本质永动机是不可能成功的自然

2、遵循什么法则由现象出发原理性理论43)相互关系：互相补充，相辅相成统计物理热力学宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，但不能解释其本质微观理论，揭示热现象本质验证解释热力学第一定律的创始人热力学第二定律的创始人5大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。与其比邻的环境称为外界。与外界有 E 交换，无 m 交换开放系统： 封闭系统：孤立系统：与外界有 m、E 交换与外界无 E、m 交换绝热开放系统 封闭系统孤立系统6一 准静态过程（理想化的过程） 从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程 .气体活塞砂子127二 功（过程量） 1 功是能量传递和转换的量度，它引

3、起系统热运动状态的变化.2 准静态过程功的计算8注意： 作功与过程有关 .9P - V 图上过程曲线下的面积系统对外界做功外界对系统做功循环过程的功三 热 量（过程量） 通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递 .11系统比热的定义摩尔热容定压和定容摩尔热容系统温度变化吸收和放出的热量12（1）都是过程量：与过程有关； （3）功与热量的物理本质不同 .1 cal = 4.18 J ， 1 J = 0.24 cal功与热量的异同（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 13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14 实验证明系统从状态A 变化到

4、状态B，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.四 内能 （状态量）152AB1*2AB1*16 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 .17 系统内能的增量只与系统的初态和末态有关，与系统所经历的过程无关 .2AB1*2AB1*18热力学理论19一 热力学第一定律 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 .12*20准静态过程微变过程21+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22（1）能量转换和守恒定律. 第一类永动机是不可能制成的.（2

5、）实验经验总结，自然界的普遍规律.物理意义23 计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础.（1）（理想气体的共性）（2）解决过程中能量转换的问题24（3）（理想气体的状态函数） （4） 各等值过程的特性 .25热力学第一定律对理想气体在准静态过程中的应用26一 等体过程 摩尔定体热容由热力学第一定律特性 常量过程方程 常量27单位 摩尔定体热容: 理想气体在等体过程中吸收热量 ，使温度升高 ，其摩尔定体热容为:28由热力学第一定律理想气体29 等体升压 12 等体降压 123012二 等压过程 摩尔定压热容过程方程 常量由热力学第一定律特性 常量 功W31 摩尔定压热容: 理想气体在等压过程中

6、吸收热量 ，温度升高 ，其摩尔定压热容为：32 可得摩尔定压热容和摩尔定体热容的关系 摩尔热容比 33泊松比34补充 *理想气体等容摩尔热容 *理想气体等压摩尔热容迈耶公式刚性单原子刚性双原子刚性多原子三个量：3512W等 压 膨 胀 W W12W等 压 压 缩36* 比热容热容比热容37三 等温过程由热力学第一定律恒温热源T12特征 常量过程方程常量383912等温膨胀W12W等温压缩 W W4012四 绝热过程与外界无热量交换的过程特征由热力学第一定律绝热的汽缸壁和活塞41由热力学第一定律有12W42若已知 及由 可得43 绝热过程做功 绝热过程方程的推导1244分离变量得绝 热 方 程常

7、量常量常量常量4512W绝热膨胀12W绝热压缩 W W46五 绝热线和等温线绝热过程曲线的斜率常量47 绝热线的斜率大于等温线的斜率.等温过程曲线的斜率常量ABC常量48 例1 设有 5 mol 的氢气，最初温度 ，压强 ，求下列过程中把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功: （1）等温过程（2）绝热过程 （3）经这两过程后，气体的压强各为多少？12常量49 解 （1）等温过程（2）氢气为双原子气体由表查得 ，有 已知： 12常量50（3）对等温过程对绝热过程， 有12常量51 例2 一汽缸内有一定的水，缸壁由良导热材料制成. 作用于活塞上的压强 摩擦不计. 开始时，活塞与水面接触. 若环境

8、 (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气，内能改变多少？已知 汽化热密度52解 水汽化所需的热量水汽化后体积膨胀为水水蒸气 热源535455循环过程 热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸气机 ，当时蒸气机的效率极低 . 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 .56各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸气机57热机 : 持续地将热量转变为功的机器 .58冰箱循环示意图59 系统经过一系列变化状态过程后，又回到

9、原来的状态的过程叫热力学循环过程 .由热力学第一定律特征一 循环过程AB60净功总吸热二 热机效率和致冷机的致冷系数热机（正循环）致冷机（逆循环）净吸热总放热（取绝对值）2Q61热机热机效率高温热源低温热源AB62致冷机致冷系数致冷机高温热源AB低温热源63 例 1 汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环)，其中AB和CD为绝热过程，求此循环效率.解吸放CDBApV1V2o64又BC和DA是绝热过程：所以V吸放CDBApV1V2o6566“为了最完整地研究由热得到动力的道理，必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，

10、不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作” 卡诺三 卡诺循环 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. 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.67循环过程的理想模型卡诺循环PV0PV0是否最简单？思考：试设想最简单的循环模型怎样才简单？ 热源最少。要无穷多个热源才能得以实现，循环图形的外形简单，实际过程复杂。等温线等温线卡诺循环：卡诺正循环卡诺逆循环1）与两个恒温热源交换能量2）不与其它热源交换能量两个等温过程两个绝热过程 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 .卡诺热机WABCD低温热源T2高温热源T121TT70 理

11、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WABCD71特点简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环A B 等温膨胀吸热C D 等温压缩放热WABCD73 D A 绝热过程B C 绝热过程 所以WABCD74 卡诺热机效率 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 . 75WABCD高温热源T1卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数低温热源T276 图中两卡诺循环 吗 ？讨 论77 例2 一电冰箱放在室温为 的房 间里 ，冰箱储藏柜中的温度维持在 . 现每天

12、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 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的 55% .解78房间传入冰箱的热量 热平衡时由 得79保持冰箱在 至 之间运转，每天需作功 功率80实际技术中的典型循环汽油机：奥托循环等体升压柴油机： 狄塞尔循环两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程斯特林循环 （多用于致冷机）两个等温过程两个等体过程84热力学第二定律 第二定律的提出 1 功热转换的条件，第一定律无法说明. 2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题，第一定律无法说明.85 1 开尔文说法 不可能制造出这样一种

13、循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化 . 一 热力学第二定律的两种表述 86 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，但它是非循环过程.12W W87低温热源高温热源卡诺热机WABCD 卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.88 永 动 机 的 设 想 图89 2 克劳修斯说法 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 .90 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化 .高温热源低温热源卡诺致冷机WABCD91注 意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结

14、. 3 热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自然界过程进行的方向性 . 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性 .92 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，而且不引起其它变化，这样的过程叫做可逆过程 .二 可逆过程与不可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程93 不可逆过程：在不引起其它变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其它变化，这样的过程叫做不可逆过程.非准静态过程为不可逆过程.94 准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量耗散的过程 . 可逆过程的条件95非自发传热自发传

15、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无序有序自发非均匀、非平衡均匀、平衡自发96 (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 .97以卡诺机为例，有( 不可逆机 )（可逆机）9899熵可逆卡诺机一 熵如何判断孤立系统中过程进行的方向？1 熵概念的引入100 结论 ：可逆卡诺循环中，热温比总和为零 .热温比 等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比 . 任意的可逆循环

16、可视为由许多可逆卡诺循环所组成.101一微小可逆卡诺循环对所有微小循环求和时，则 结论 : 对任一可逆循环过程，热温比之和为零 .1022 熵是态函数 可逆过程 ABCD可逆过程103 在可逆过程中，系统从状态A变化到状态B ，其热温比的积分只决定于初末状态而与过程无关. 可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称为熵(符号为S）. 热力学系统从初态 A 变化到末态 B ，系统熵的增量等于初态 A 和末态 B 之间任意一可逆过程热温比（ ）的积分.物理意义104无限小可逆过程 熵的单位 可逆过程 105二 熵变的计算 （1）熵是态函数，与过程无关. 因此, 可在两平衡态之间假设任一可逆过程，

17、从而可计算熵变 . （2）当系统分为几个部分时， 各部分的熵变之和等于系统的熵变 .106 例1 计算不同温度液体混合后的熵变 . 质量为0.30 kg、温度为 的水，与质量为 0.70 kg、 温度为 的水混合后，最后达到平衡状态. 试求水的熵变. 设整个系统与外界间无能量传递 . 解 系统为孤立系统，混合是不可逆的等压过程. 为计算熵变，可假设一可逆等压混合过程.107 设平衡时水温为 ，水的定压比热容为由能量守恒得108各部分热水的熵变109绝热壁例2 求热传导中的熵变. 设在微小时间 内，从 A 传到 B 的热量为 .110 同样，此孤立系统中不可逆过程熵亦是增加的 .111三 熵增加

18、原理： 孤立系统中的熵永不减少. 孤立系统不可逆过程孤立系统可逆过程 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，其熵要增加 .112平衡态 A平衡态 B （熵不变）可逆过程非平衡态平衡态（熵增加） 不可逆过程自发过程 熵增加原理成立的条件: 孤立系统或绝热过程. 熵增加原理的应用 ：给出自发过程进行方向的判据 .113 热力学第二定律亦可表述为 ：一切自发过程总是向着熵增加的方向进行 .四 熵增加原理与热力学第二定律114 证明 理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆的 .115 在态1和态2之间假设一可逆等温膨胀过程不可逆12116无序有序热功转换完全功不完全热 热力学第二定律的实质：自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .一 熵与无序117补充：非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导非均匀、非平衡均匀、平衡扩散过