大学普通物理教学课件第18章热一律

1、本章主要内容18-1 功 热量 热力学第一定律18-2 准静态过程18-3 热容18-4 绝热过程18-5 循环过程18-6 Carnot 循环18-7 致冷循环第1页，共40页。第十八章 热力学第一定律研究物质的热现象的理论有两个分支，即统计物理（统计力学）和热力学。热力学宏观理论，用实验的方法研究宏观热力学系统（特别是气体）所遵循的基本规律。它分为平衡态热力学和非平衡态热力学。 本章主要介绍平衡态热力学理论的基础知识，即热力学第一定律。它其实是能量守恒定律在热学中的形式。与统计物理不同，热力学不涉及微观领域的分子原子的运动规律，但它的一些结果与统计物理的一致。第2页，共40页。18-1 功

2、 热量 热力学第一定律Work and Quantity of Heat 第3页，共40页。功、热量、热力学第一定律实验表明：对一个热力学系统，可以通过外界对其做功的方式改变系统的宏观状态。 宏观功：系统的边界发生宏观位移。如：压缩活塞使汽缸内气体压强和温度升高等。表现为宏观的机械能转换为内能。外界对系统做的宏观功简称为功。A 微观功：系统的边界未发生宏观位移。如：热锅（外界）的分子通过不断碰撞对冷水分子做功。表现为外界的内能传递给系统（前提是温度不同)。这种内能传递的过程称为热传递，而所传递的能量叫热量。Q第4页，共40页。由上述知，做（宏观）功和热传递都可以改变热力学系统的内能。这三者的关

3、系在热力学领域中就是： 热力学第一定律：在一给定过程中，外界对系统做的功和传给系统的热量之和等于系统的内能的增量。如果以A表示过程中系统对外界做的功，由于A=A，则或说明： 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现。它适合于任何热力学系统的任何热力学过程。 Q 0 表示系统吸热，Q 0 表示系统对外做正功， A 0时， 0，(dx 0)；系统对外界作正功。当 dV 0时， 0，(dx 1，绝热线比等温线更陡证第21页，共40页。 推导理想气体的准静态过程方程： 由热力学第一定律 ， 返回由理想气体状态方程 ,求全微分有：消去 dT，得两边同除以 得： 将 代入，得将 代入，得积分，得第

4、22页，共40页。 例1 证明理想气体的准静态绝热线比等温线要陡。 解：考虑等温线与绝热线的交点 (p0,V0)。 对等温线 (p0,V0)对绝热线 注：对理想气体，由 Mayer 公式 g 1。实际上，对任何气体均有 g 1。因等体条件下，温度升高K时；而等压条件下，温度升高K时，不仅要有dE 量的内能增加，而且 ，故返回第23页，共40页。例 一定质量的理想气体，从初态 (p1, V1)开始，经过准静态绝热过程，体积膨胀到V2，求在这一过程中气体对外做的功。设该气体的比热比为 。 解：由Poisson方程，有由热力学第一定律，有第24页，共40页。例3 设有摩尔数为 n 的理想气体，定体摩

5、尔热容和定压摩尔热容为 CV 和 Cp ( g = CV/Cp)，其初态和终态的状态参量用 (p1,V1,T1) 和(p1,V1,T1) 表示。 试完成下列表格（所有过程均为准静态）：过程方程等体过程等压等温绝热第25页，共40页。 气体的自由膨胀过程 2. 绝热自由膨胀和绝热节流过程绝热自由膨胀和绝热节流过程是非准静态的绝热过程。绝热壁对于理想气体：E = E(T) ，有 T1 = T2。对于实际气体：E = E(T) ？ 气体的绝热节流过程多孔塞节流阀 通过节流过程，实际气体温度改变的现象叫Joule-Thomson效应。 正 J-T效应：即节流后气体温度降低。以此来掷去液态 CO2、空气

6、等。第26页，共40页。18-5 循环过程Cyclic Process第27页，共40页。 所谓热机（Engine）就是把热量转化为有用的功的装置。热机中必须有工作物质（即热力学系统），靠工作物质从热源吸收热量，再利用系统的体积膨胀对外做功。 蒸汽机的水蒸气、内燃机的雾化的燃油和助燃气体混合物等。 循环过程系统（即工作物质）经历一系列变化后回到初始状态的整个过程。 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。热机（蒸汽机）工作原理图：泵锅炉汽缸冷凝器水箱第28页，共40页。 准静态的循环过程在 p-V 图上的表示： 对于正循环，闭合曲线的面积表示净功 A 。正循环的一般特征如图，因此 A = Q1 - Q2（净吸热）正循环顺时针（热机）逆循环逆时针（致冷机）低温热库高温热库其中 Q1 = |Q1| 吸热（从高温热库） Q2 = |Q2| 放热（向低温热库）A 0 A 0冰箱原理示意图：abcd散热器高压缩机蒸发器冷库节流阀 Q1Q2第37页，共40页。以理想气体为工作物质的准静态 Carnot 逆循环的致冷系数： 定义：致冷系数 w实例：