热力学第一定律zq北邮

1、热力学基础开尔文卡诺克劳修斯1电源R本章对热力学系统，从能量观点出发，分析、说明热力学系统热、功转换的关系和条件。2一、功：功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化.二、热量：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 .3（1）都是过程量：与过程有关；（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 宏观运动分子热运动功分子热运动分子热运动热量（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END4三、内能：系统状态的单值函数。内能的增量 只取决于系统的始末状态，而与过程无关。理想气体内能：5改变系统内

2、能的两种不同方法： 钻木取火 通过做功的方式将机械能转换为物体的内能。烤火 通过热量传递提高物体内能。6一、准静态过程气体砂堆准静态过程 P-V图上一个点表示一个平衡态；一条曲线表示一个准静态过程。系统所经历的中间态都无限接近于平衡态。71 准静态过程 体积功 热量7当气体进行准静态膨胀时，气体对外界作的元功为：二、 体积功系统对外作正功；系统对外作负功；系统不作功。活塞与汽缸无摩擦PSdl8 功的大小等于PV 图上过程曲线P=P(V)下的面积。功与过程的路径有关。PABV0思考：注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）972 热力学第一定律法卡诺，工程师，第一个把热与功联

3、系起来。（34岁）迈耶，医生，第一个作出热功当量的定量计算。（28岁）德焦耳，工业管理家，精确求出热功当量的关系。（25岁）英赫姆霍兹，生理学家。多方面论证了能量转化和守恒定律。（32岁）德10一、 热力学第一定律：包括热现象的能量守恒外界传给系统热量内能增量系统对外作功对于元过程：得到的=留下的+付出的P、V、T第一类永动机不可能实现。11+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12 一定量的理想气体经历acb过程时吸热500J, 则经历acbda过程时吸热为?P(105Pa)V(10-3m3)abc1414de(A) -1200J(B) 700J(C

4、) -700J(D) 1000J思路:137-3 气体的摩尔热容量（Jmol -1 K-1)单位： 一、摩尔热容的定义：1mol 物质温度升高1K时所吸收的热量。1、理想气体的定容摩尔热容：对于理想气体：任何过程142、理想气体的定压摩尔热容：(迈耶公式)说明： 在等压过程中，1mol理想气体，温度升高1K时，要比其在等体过程中多吸收8.31的热量，用于对外作功。153、比热容比 理想气体的热容与温度无关。这一结论在低温时与实验值相符，在高温时与实验值不符。16理论值与实验值的差异注意：17实验结果：CV随温度变化显示经典理论缺陷，是导致近代物理革命原因之一。理论值与实验值差异的原因：经典理论

5、认为能量连续分布，实际上只有 近似连续， 均是量子化的。随T升高，转动、振动能量相继解冻（被激发），曲线出现三个台阶。18依据：1、 等体过程：特征：dV=0 dA=0系统从外界吸收的热量全部用来增加气体内能。二、热力学第一定律对等体和等压过程的应用等体过程的热力学第一定律:pVV0O192、等压过程特征： dP=0等压过程中，系统从外界吸热，一部分用来增加气体内能，一部分用来对外作功。等压过程的热力学第一定律:pVV1V2p0O 20吸收热量：等压过程的功：等压过程系统内能的增量：213、等温过程:PV恒温热源QTTP特征：T不变。 dE=0说明： 在P-V图上，等温过程是一系列双曲线，双曲

6、线位置越高，代表的温度越高。等温过程的热力学第一定律:22等温过程中，系统从外界吸热全部用来对外作功。等温过程系统内能的增量：等温过程系统做功和吸热：23* 比热热容比热END24分别计算A与Q。（1）a b等温，（2）a c等容，然后c b等压，例：有1mol理想气体P(atm)V(l)abc22.444.812解：257-4 绝热过程特征：dQ=0无论过程是准静态的还是非准静态的绝热过程的热力学第一定律:261、准静态绝热过程的过程方程对其微分得:联立（1）、（2），得：理想气体状态方程(1)(2)27将 与 联立得:说明：（3）、（4）、(5)式称为绝热方程，但式中的各常数不相同。281

7、mol理想气体的循环过程如TV图所示，其中CA为绝热线，T1、V1、V2、四个量均为已知量，则：Vc=Tc=Pc=0VTABCT1T2V1V2例：29绝热线比等温线陡(1)、等温：A点的斜率：(2)、绝热：A点的斜率：绝热线比等温线陡微观解释：等温绝热dT=0VPdQ=00A30准静态绝热过程功：方法1：第一定律计算方法2：若已知 及可用绝热方程计算：312、绝热自由膨胀（非准静态）：气体真空Q=0， A=0，E=032练习1: 理想气体绝热自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强 p=?由绝热方程解1：解2：哪一个解对？为什么？绝热方程对非静态过程不适用33解：由气体状态方程可得答案：（D） 一定量

8、的理想气体，在 pT 图上沿着一条直线从平衡态 a 变化到 b 则这是 一个：（ ） (A) 绝热膨 胀（B）等容吸热 (C) 吸热压缩（D）吸热膨 胀练习 2abp2p1T1T2Tp034一定量的理想气体在PV图中的等温线与绝热线交点处两线的斜率之比为0.714，求Cv。解：由例2：3564g氧气，温度为300K，体积为3l，（1）绝热膨胀到12l（2）等温膨胀到12l，再等容冷却到同一状态试作PV图并分别计算作功。解：例4：Pa0VcbV1V136 例5 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

9、）经这两过程后，气体的压强各为多少？12常量37 解 （1）等温过程（2）氢气 已知： 12常量38（3）对等温过程对绝热过程， 有12常量39 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 (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 例6 40解 水汽化所需的热量水汽化后体积膨胀为水水蒸气 热源41END42 气体的许多过程，既不是等值过程，也不是绝热过程，其压力和体积的关系满足：n =1 等温过程； n = 绝热过程n= 0 等压过程； n = 等体过程 PVn =常量 （

10、n为多方指数） 一般情况1 n ，多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。*四、 多方过程 ( ,当 n = 时，V = 常数)43多方过程中的功： 由多方过程方程：内能增量：44多方过程吸收热量：得：由和多方过程的摩尔热容：设多方过程的摩尔热容为 Cn457-5 循环过程 卡诺循环一、循环过程1、系统经历一系列状态变化过程以后又回到初始状态。2、在P-V图上的，循环过程是一条闭合曲线。特征：内能不变。0VPa热机： 顺时针循环制冷机：逆时针循环46热机 ：持续地将热量转变为功的机器 . 工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .47顺时针循环（正循环） 系统对外作净功为正。

11、二、热机 热机效率0VPabcd锅炉 冷凝器泵涡轮机锅炉Q2冷凝器Q148锅炉 冷凝器泵涡轮机锅炉Q2冷凝器Q1其中：即（净功）高温T1低温T2Q1Q2A热电厂水循环过程效率:49Q1为 循环分过程吸取热量的总和。 Q2循环分过程放出热量的总和。 Q1、Q2、A均表示数值大小。50例：PVabcd0T2T1吸热：放热：51例6：320g氧气如图循环，设V2=2V1,求。（其中T1=300K，T2=200K。）PABCDV1V2T1T2V解：AB:吸热CD:放热DA:吸热BC:放热52 热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机 ，当时蒸汽机的效率极低 . 1765年瓦特进

12、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 .各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机53“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，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作” 卡诺卡诺：Sadi Carnot 17961832法国青年工程师，具有科学家素质。着眼点高，热力学创始人之一。54卡诺循环研究循环过程的理想模型PV0PV0是否最简单？思考：试设想最简单的循

13、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55三、卡诺循环（1824年）1、工质：理想气体2、准静态过程。两个等温过程，两个绝热过程。PABCDV1V4V2V3T1T2特点简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环56四、 卡诺循环效率AB：PABCDV1V4V2V3T1T2CD：Q1Q257可以证明，在同样两个温度T1和T2之间工作的各种工质的卡诺循环的效率都为 ，而且是实际热机的可能效率的最大值。卡诺循环指出了提高热机效率的途径：尽量的提高两热源的温度差。581.卡诺机必须有两个热源。其效率与工作物质无关，只与两热源温度有关

14、.波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。日本开发出陶瓷发动机，其良好的绝热性能可保持高温热源的温度。信息：2、为提高 ，要求 越小越好，但低温热源的温度为外界大气的温度，不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。591342PV0V1V4V2V3T1T2S1S2例1 如图所示的卡诺循环中，证明：S1S260 图中两卡诺循环 吗 ？讨 论61例2. 设氮气的质量为 , 开始处于 态,先等容升压, 由 , 再等温膨胀由 , 最后等压压缩到 .求: 循环的效率解:求 的步骤:判断吸热、放热过程;求 ;求 、 ;求 .已知:62等温线解:已知:63冰箱循环示意图五、制冷机64反时针循环（逆循环 ） 系统对外作功为负。制冷机0VPacbd65 可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。T1T2Q1Q2A 显然，从低温热源吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。制冷系数：注意：这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量 衡量致冷的效力66（对大气致冷）冷泵（A)房间大气室内降温（对房间致冷）热泵（A)大气房间室内升温季节作用低温热源高温热源效果夏天冬天AQ2Q1夏天AQ2Q1冬天介绍：空调机的循环67六、卡诺制冷机致冷系数：2 1：4 3：68 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 . 现每天有 的热