大学物理热学2

1、7 热力学基础热力学研究热现象的宏观理论 从能量观点出发,以观察和实验事实为依据,分析研究物态变化过程中有关热、功转化的关系和条件.阐述热、功转化的关系的是热力学第一定律阐述热、功转化的条件的是热力学第二定律开放系统：系统与外界既有能量传递，又有质量传递的系统。孤立系统：系统与外界既没能量传递，又没质量传递的系统。封闭系统：系统与外界只有能量传递，没有质量传递的系统。（a）一般系统：与外界既有功又有热量的传递（b）透热系统：与外界没有功的交换但有热量的传递（c）绝热系统：与外界没有热量的传递但有功的交换*热力学过程：热力学系统状态随时间变化的过程非静态过程（非平衡过程）实际过程7.1.1 关于

2、热力学的一些基本概念7.1 热力学第一定律* 热力学系统（热力学研究对象，简称系统） 准静态过程（平衡过程）理想过程：过程所经历的所有中间状态都可近似看作平衡态。*系统的内能理想气体的内能 内能是状态参量的函数，内能的变化由状态变化单值决定。PV图上PT图上VT图上平衡态一个点准静态过程一条曲线VP1(T1)2(T2)* 准静态过程的功 体系对外作功，消耗体系的内能，体系的温度降低。所以做功是体系与外界能量交换的一种方法。是系统内分子无序运动的能量向外界有序运动能量的转换能量传递的宏观形式。A=12p dVVVp1212pdoVVVVuS功的几何意义: 功在数值上等于pv图上过曲线下的面积。a

3、babpVomnVV.nambAanbA功和所经历的过程有关* 热量 热量不是一种物质，它是物质之间进行能量交换的一种方式，这种方式是通过分子的热运动以及分子间的碰撞来实现的能量传递的微观形式。C物质的比热容实验证明：外界对系统做功外界对系统传热系统内能改变在使系统的状态改变上传热和作功具有等效性。7.1.2 热力学第一定律对于一微小的过程第一定律可表示为：物理意义：包括热量在内的能量守恒定律 表明：热（无规则运动）和功（有规则运动）的转换可通过系统内能变化来实现。3.热力学第一定律适用于任何系统的任何过程（包括非静态过程）2.正负号的规定:注意：4.对于准静态过程热力学第一定律可表达为：1.

4、Q是一个过程量7.2 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用V热源Q7.2.2 等容过程TT12pVoab.过程方程：（吸热）等容降压：（放热）特征：dp = 012p21o.VVV 7.2.3 等压过程热源pQ7.2.4 等温过程恒温大热源TTQ特征：dT = 0pV1122ppIII.oVV过程方程：PV=常量（吸热）（放热）7.3 绝热过程 多方过程特征：dQ = 0IIIpVo.7.3.1绝热过程绝热套一、准静态绝热过程* 绝热过程中P，V，T三者同时变化 例：绝热膨胀VA0EOTP* 绝热过程的过程方程RTpmV= M RdTVdppdV= Mm+(2)dA =dEpdV =V Mm

5、 C dT(1)(1) 、(2) 中消去dT，得：两边积分lnV+lnp=CVC=p 泊松方程(绝热方程)p=VC 将理想气体状态方程代入上式，并从中消去p 或V 就可以得到另外两个泊松方程：a.图形上：绝热线比等温线陡b.数学解释：pV=Cdp=+dVpV0等温过程：dppV=TdV绝热等温A.* 绝热线与等温线比较pVodpdpTQAAdVdVc.物理解释：膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快Vnp等温绝热VnpVTpV+dpVV=p10d绝热过程：pV=C绝热等温A.pVodppV=QdV例题71设有8g氧气，体积为0.4110-3m3,温度为300K，如氧气作绝热膨胀，膨胀后的体积为4

6、.1010-3 m3,问气体作功多少？如氧气作等温膨胀，膨胀后的体积也是4.1010-3 m3 ，问这时气体作功多少？解：气体若作绝热膨胀，所作的功为：气体若作等温膨胀，所作的功为：热力学第一定律:A=12p dVVV过程量三种等值过程：1.等容过程2.等压过程3.等温过程绝热过程热力学第一定律:A=12p dVVV过程量三种等值过程：1.等容过程2.等压过程3.等温过程绝热过程例题72 1mol单原子理想气体,由状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大1倍,再等体加热至压力增大1倍,最后再经绝热膨胀,使其温度降至初始温度,如图所示,试求:(1)状态d的体积Vd;(2)整个过程对外所做的功;(

7、3)整个过程吸收的热量.p2p1p12v1v1oabcdv解:(1)由绝热过程方程：根据题意：p2p1p12v1v1oabcdv(2)整个过程对外所做的功;方法一：p2p1p12v1v1oabcdv(3)整个过程吸收的热量.方法二：对abcd整个应用热力学第一定律acb（吸热）(放热)dpv例题74绝热过程而 A=0始末两态满足状态方程二、非静态绝热过程绝热自由膨胀真空三、多方过程*过程方程CVnp=n多方指数 n =1 等温过程 n = 绝热过程 n= 0 等压过程 n = 等容过程*多方过程的功*摩尔热容T Q0 吸热 T Q0 吸热T Q0 放热例题75A=P0V0n=1.5解：解：例题

8、76分子平均动能减少一、特点:pVoa7.4 循环过程 物质系统经历一系列状态变化过程又回到初始状态，称这一周而复始的变化过程为循环过程.7.4.1 循环过程=QQ12*净功 A = 循环过程曲线所包围的面积AQQ21b发电厂蒸汽动力循环示意图550C0过热器锅炉给水泵冷凝器冷却水气轮机发电机QQ12A20C0高温高压蒸汽7.4.2 热机和热机效率PVabcd正循环0AQQ12高温热源低温热源热机工作示意图系统从外界吸收的净热量转化系统对外作功注意：热机效率：PVabcd正循环0循环过程：E=0 a b c Q1 = Ec - Ea + A1 c d a - |Q2|= Ea - Ec -|A

9、2|Q1 |Q2| = A1 - |A2| = AVOpaV1V2cbdAQ1|Q2|系统从外界吸收的净热量转化系统对外作功注意：热机效率：家用电冰箱循环散热器冷冻室蒸发器节流阀储液器压缩机2QQ112A高温热源低温热源QQ(冷冻室)(周围环境)7.4.3 致冷机和致冷系数pVo负循环ab外界对系统作功，实现从低温源吸热向高温源放热。制冷系数：例题78 1mol 氢气作如图所示的循环过程计算此循环之效率。V2211abcdo(l )p(atm)=QQQ+daab吸解：=Q吸A=219=10.5%cdQabQdaQbcQ例1. 一定质量的氮气在 7oC 时自 a 态开始做 abca 循环。求：1

10、.净功 A = ? 2.Tb = ? Tc = ? 3.计算各分过程吸收或放出的热量? 4. 效率 = ?130p(大气压)V(升)0.20.4abc解： 1. 净功：2. 3. a b 等容过程(吸热)c a 等压过程(放热)b c(放热)4.求效率abQbcQcaQ解：=Q放Q吸1= 例题79 1mol 氧气作如图所示的循环。求：循环效率pVpV000等温abco2VbacT(k)V(10-3m3)o12pvabc012等容等压等温例题710pvabc012等容等压等温放热吸热吸热 解一：解二：pvabc012等容等压等温多方过程 n =1 等温过程 n = 绝热过程 n= 0 等压过程

11、n = 等容过程正循环ovp（热机）从外界吸热对外作功7.4.4卡诺循环为了提高热机效率，1824年法国青年工程师卡诺提出了一个理想循环，它体现了热机循环的基本特怔，我们称它为卡诺循环。卡诺循环条件1. 准静态循环，可以正逆循环。2. 工质为理想气体。3. 工质只和两个温度不同的恒 温热库交换热量。卡诺循环组成 卡诺(1796-1832)顺时针转组成正卡诺循环，逆时针转组成逆卡诺循环。OVpT112T234由上两式得到一、卡诺热机dVVVpVV2o2314T.T1c.ba.2.指明了提高热机效率的方向 (1).提高高温热源的温度。(2).可用更优的工作物质取代蒸汽。1.指明了两个热源是热机工作

12、的必要前提，即1意义：二、卡诺制冷机1234PQ0V1V4V2V3T1T2例题711某理想气体准静态卡诺循环，当高温热源温度T1=400k,低温热源温度T2=300k时,对外作功A=8000J,今维持低温热源温度不变,提高高温热源温度,使其对外作功增至A=10000J, 若两次卡诺循环都工作在相同的两绝热线间,试求:(1).第二次循环效率=？(2).第二次循环中高温热源温度T1=？PVT1T2解：VPT1T2 7.5 热力学第二定律 热力学第一定律： 说明一切热力学过程中能量必须守恒但满足能量守恒的热力学过程是否都能实现？可以功全部热高温自动低温有条件有条件表明自然界里的热功转换热传递过程具有

13、方向性热力学第二定律指明了过程进行的方向和限度7.5.2 热力学第二定律的两种表述这两种叙述是完全等价的 不可能制造成功一种循环动作的机器，它只从单一热源吸热，使之全部变为功而对外界不发生任何影响。 热量不可能自动地从低温热源传给高温热源。一、开耳芬叙述：英国物理学家 开耳芬二、克劳修斯叙述：德国物理学家克劳修斯一、违背了克劳修斯叙述也就是违背了开耳芬叙述7.5.3 两种表示的等价性TT12EB对于热源T2并没有损失热量 对于E、B 组合的结果等效为从单一热源吸收了热量,并全部变为功，而低温源无任何变化。若低温热源自动地将热量Q2传给高温热源TT12E二、违背了开耳芬叙述也必然违背了克劳修斯叙述若热机C 能从单一热源T1吸收热量Q1并全部变为功利用热机C 的功A去推动制冷机D，从低温热源吸收热量Q2，再将热Q1+Q2量传给高温热源 总体来看，整个系统唯一的效果是有热量Q2自动地传给了高温热源TT112Q1A=QC高温热源低温热源TT12CD1A=Q三、热力学第二定律的意义 1.宏观意义：一切与热相联系的现象中，自发实现的过程都是不可逆的。 2.微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行初始状态几率大摇动后几率很小 3.热力学第二定律是一个统计规律只有对有大量分子所组成的系统才正确。 本学期“大学物理”课程教学到此结束，谢谢同学们配合。预