热学第五章热学第一定律课件

1、1热 学2第5章 热力学第一定律 （ the first law of thermodynamics)5.1 热力学过程5.2 功5.3 热量5.4 热力学第一定律5.5 热容 焓5.6 气体的内能 焦耳-汤姆孙试验5.7 热力学第一定律对理想气体的应用5.8 循环过程和卡诺循环3 5.1 热力学过程 热力学系统从一个状态变化到另一个状态 ,称为热力学过程（简称“过程”）。始平衡态 一系列非平衡态末平衡态 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。 热力学中，为能利用平衡态的性质，引入准静态过程（quasi-static process）的概念。34准静态过程：系统的每一状态都无限接近于平衡态的

2、过程。态组成的过程。即准静态过程是由一系列平衡快非平衡态缓慢接近平衡态 准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。非准静态过程准静态过程45统一于“无限缓慢”矛盾平衡即不变过程即变化 只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。 如何判断“无限缓慢”？ 引入弛豫时间（relaxation time） ：平衡破坏 恢复平衡 t过程 ： 过程就可视为准静态过程所以无限缓慢只是个相对的概念。56气体压强的弛豫时间：气缸线度：L 10 1 m分子平均速率： 10-3 s 容器的线度分子热运动平均速率 102 m/s 内燃机活塞运动周期 t 10 2 s p（10 3s）所以汽缸的压缩过程

3、可认为是准静态过程。例如分析内燃机气缸内的气体经历的过程：67(p2 ,V2)( p1 ,V1)(p ,V )过程曲线准静态过程可以用过程曲线来表示： VO p改变系统状态的方法：1.作功 2.传热一个点代表一个平衡态78 5.2 功一 .功是力学相互作用下的能量转移 力学相互作用：将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响。 在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。热力学认为力是一种广义力，所以功也是广义功。1）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）作用下产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后才作了功。3）在非准静态过程中很难计算系统对

4、外作的功。4）功有正负之分。注意：89二 .体积功(只对准静态过程)例右图活塞与汽缸无摩擦，当流体（气体或液体）作准静态压缩或膨胀时，外界的压强Pe必等于此时流体内部的压强P。PS设活塞的面积为S,则当活塞移动dl，活塞对流体所做的元功dA9注意功是过程量。 是一个微小的过程的功，称为元功，因为它不具有数学中全微分的意义，所以严格说应用 （ ）这个公式没有涉及作功的具体方式，只要是准静态过程中的体积变化都适用。10当系统体积变化从 V1V2，外界对系统做的总功结论：PV 图上过程曲线P=P(V)下的面积等于功的大小。气体膨胀时，系统对外界作功，A0.1011 1-2与1-1-2两个过程的始末状

5、态相同，但过程曲线不同，两条曲线下的面积不同，则作功也不同。 功的大小不仅取决于系统的始末状态，且与系统经历的过程有关。功是过程量功不是系统状态的特征，而是过程的特征1112理想气体在几种可逆过程中功的计算等温过程：等压过程：等体过程：1213三 .其他形式的功1、拉伸弹簧棒所作的功l0l0+dlFFA2、表面张力功LxdxFS是表面张力系数13143、可逆电池所作的功GCuSO4ZnSO4CuZnab可逆电池14dq0，可逆电池被外电路充电，外界作正功154、功的一般表达式 x是 广义坐标，它是广延量，广延量的特征是：若系统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一倍。Y是广义力，它是强度量

6、，强度量的特征是：当系统在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。通过作功改变系统热力学状态的微观实质：分子无规则运动的能量分子规则运动的能量1516 5.3 热量一.热量 传热也可以改变系统 的热力学状态。 传热的微观本质是： 分子无规则运动的能量 从高温物体向低温物体传递。 说明两个概念： 热量也是过程量。 dQ系统外界由于温度差而传递的能量。1617T2系统T1系统 （T1）直接与 热源 （T2）有限温差传热的热传导为非准静态过程系统T1T1+TT1+2TT1+3TT2若传热过程“无限缓慢”，或保持系统与外界无穷小温差，可看成准静态传热过程。. 1.热库或热源(热容量无限大、温度不变)。2

7、.准静态传热过程(温差无限小)：1718二.热本质的认识过程两种观点：热素(质)说：热是无重量的流体，可透入一切物体中，不生不灭；热物体热质多，冷物体少，冷热物体接触时，热持从热到冷，从而可以解释很多自然现象。(如燃烧、热传递等)但后来人们发现它解释不了的现象是：摩擦生热 热动说：经过伦福德发现，及后来焦耳不断的实验测定，认为热乃能量的另一种形式，可以和其它的能量形式互相转换。后来更了解到热是组成物质的微小粒子运动的表现，即原子、分子间的力学能。伦福德1819三.焦耳实验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 焦耳(Joule 1818-1889)于1840年最早研究了电流

8、的热效应，1840-1879年焦耳进行了大量的实验，测定了功与热相互转化的数值关系-热功当量。19201956年国际规定的热功当量精确值为: J = 4.1868 J.cal-1 焦耳实验结果表明：1用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的2 一定量的功与一定量的热量相当；3 绝热过程的功只与过程的始末状态有关，与做功所经历的过程无关；4 做功和传热都是运动转化或传递的方式和量度；5一定热量的产生（或消失）总是伴随着等量的其它形式能量（如机械能，电能等）的消失（或产生），热能与机械能，电能等一起是守恒的焦 耳2021 5.4 热力学第一定律 (first la

9、w of thermodynamics）21一 .能量转化和守恒定律自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。第一类永动机是不可能制造的。22二 . 内能 微观上内能是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）的微观的无序运动能以及相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应关系。内能一般有 U =U（T，V ） 或 U = U（T，P ）对于一定质量的理想气体：对于一定质量的气体: 宏观上内能是从绝热（adiabatic）过程来定义的。22231212A

10、a外Aa外绝热壁Aa外水Aa外绝热壁RI水宏观上（热力学中）内能的定义：实验：记说明存在一个可以被绝热功度量的状态量。2324真正要确定某系统内能的多少要选定一个作参考的内能零点。( 实际有意义的是 内能的差值 ) 系统内能的增量等于系统对外界作的 绝热功的负值-热力学对内能的宏观定义。（右为外界对系统作的绝热功）问题：上面绝热情况下，它们之间有什么关系？定义：内能 U 的增量 U1 U2作功A若有传热Q2425三.热力学第一定律 实验结果：对于任一过程 符号规定: Q 0 系统从外界吸收热量； Q 0 外界对系统作功； A 0 系统内能增加 ; U H(l) H(s)(2) 当某一过程或反应

11、逆向进行时，其H要改变符号即： H（正）= -H（逆）(3) 对于任何化学反应而言，其恒压反应热Qp可由下式求出： Qp=H= H生成物-H反应物 （在化学反应中，可把反应物看作始态，而把生成物看作终态） H0为吸热反应，H 时：Cn,m 0, T0, Q0 吸热若1n 时：Cn,m 0, Q0由热一律对绝热过程 Cm =0, 现因dT 0, 若 dQ 0 则 Cm 0 若 dQ 0 则 Cm 0, 吸热,Cm 0对31过程 Q=EU-A0, 放热,Cm0【解】绝热12348485方法二.从循环来分析1431循环：Q=U-A=-A0 总的吸热因14绝热；42放热(?)；所以21必吸热!Cm 0

12、对31过程:温度升高,反而放热？因为A外大。绝热12348586 5.8 循环过程和卡诺循环 (cycle process and Carnot cycle)一 .循环过程及其效率 历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的。在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫工质。工质往往经历一系列变化后又回到初始状态。1.循环过程：热力学系统经历了一系列热力学过程后又回到初始状态的过程。 如果循环过程中各个分过程都是准静态过程，这个循环可用P-V图上的一条闭合曲线表示，并用箭头表示过程进行的方向。PVabcd8687(3) 在任何一个循环过程中，系统所做的净功在数值上等于p V 图上

13、循环曲线所包围的面积。(1) 循环曲线为闭合曲线。2.准静态循环过程的特点：(2) 经历一个循环过程后，内能不变U=0。aIb 为膨胀过程：bIIa为压缩过程：系统对外界做的净功：pVbaIIIpbVbpaVa外界对系统做的净功：87883.循环过程的分类：正循环（热机循环）：在 p V 图上循环过程按顺时针进行逆循环（制冷循环）：在p V 图上循环过程按逆时针进行热机：工作物质作正循环的机器制冷机：工作物质作逆循环的机器在一般情况下，系统要将从某些高温热源处吸收热量，部分用来对外作功，部分在某些低温热源处放出，而系统回到原来的状态。正循环在一般情况下，对于逆循环过程，通过外界对系统作功，系统

14、要从某些低温热源处吸收热量，并向高温热源处放出热量，而系统回到原来的状态。88894.热机效率 制冷系数工作物质：在热机中被用来吸收热量、并对外做功的物质。热机效率：在一次循环过程中，工作物质对外做的净功与它从高温热源吸收的热量之比。(1)热机的效率设：系统吸热 Q1 ， 系统放热 Q2 (Q20) 。8990水泵W1W2 Q1锅炉 汽轮机冷凝器电力输出Q2 实例：火力发电厂的热力循环 绝热VO|Q2| p饱 pQ1W火力发电厂的热力循环四大件: 1 锅炉. 2 汽轮机. 3 冷凝器. 4 水泵.9091锅炉水泵冷却塔涡轮机现代火力发电厂结构示意图9192现代“火力发电厂”外貌：9293(2)

15、制冷系数 制冷过程：外界做功W，系统吸热 Q2，放热 Q1。制冷系数：制冷机从低温热源吸取的热量与外界做功之比。 或写为：9394二 .卡诺循环及其效率 1824年，法国青年科学家卡诺（1796 1832）提出一种理想热机，工作物质只与两个恒定热源（一个高温热源，一个低温热源）交换热量。整个循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程构成，这样的循环过程称为卡诺循环。9495卡诺循环： 只和两个恒温热库传递热量并对外作功的准静态、无摩擦循环。设系统是理想气体：低温热库T2|Q2|A工质 Q1高温热库T1热机循环示意图 p0Q12134A|Q2|T1T2V绝热线等温线V1 V4 V2 V39596对理

16、想气体工质： 12： 34： 等温过程绝热过程 23： 41：（闭合条件）2341等温T1等温T2绝热绝热V1V4V3V2PV卡诺循环的效率9697卡诺热机循环的效率说明： c与理气种类、M、p、V 的变化无关， T1，T2 c ， 实用上是 T1 。现代热电厂：（900K） （300K）理论上：c 65%，实际： 40% ， 原因：非卡诺，非准静态，有摩擦。只与T1、T2有关。 热机效率不能大于 1 或等于 1，只能小于 1。9798同理，可得卡诺制冷机的制冷系数：|A|Q1|Q2T1T2致冷系数 卡诺致冷机 9899例6 3.210 -2 kg氧气作ABCD循环过程。AB和C D都为等温过

17、程，设T1 = 300 K，T2 = 200 K，V2 = 2V1。求循环效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1Vp解：吸热放热99100吸热放热DABCT1=300KT2=200KV2V1Vp100101例7 计算奥托机(定容加热循环)的循环效率。c d, e b为等体过程； b c，d e为绝热过程。解：吸热放热V0VpVacdebO 102V0VpVacdebO 结论：奥托循环的效率完全由绝热压缩比r所决定一般r为8，如采用双原子分子气体为工作物质，在理想情况下，其热机效率为：103定压加热循环（笛塞尔循环）PVV2V1Q1Q2O1234绝热线V3103104逆向斯特林循环Q2Q11234VPV1V2由两条等温线和两条等体线组成从低温吸热向外界放热外界对工作物质作功制冷系数注意：气体在两个等体过程与外界交换的热量代数和为零104105萨迪.卡诺(Sadi Carnot 1796-1