大学物理下册教学课件第十一章热力学基础

1、第十一章 热力学基础 111 内能 功 热量 二、内能 对于理想气体，由于分子间无相互作用力，所以，理想气体的内能等于所有气体分子的动能之和一.热力学系统（系统） 需研究的对象气、液、固，也称为工作物质。以理想气体为系统，与之相互作用的环境称为外界。内能：大量分子的平均动能与分子间相互作用的势能的总和实际气体：E=E (T,V )V PoA（PVT）C （PVT）确定的状态确定的E确定的E确定的状态定T总能量机械能+ 内能（忽略）（热运动的内能）系统的内能取决于系统的温度，是系统温度的单值函数.三传热Q传热与过程相系，说某状态有多少热量是无意义的热量传递是能量转换的形式传热是通过分子间的相互作

2、用来完成四作功W传热与作功均能改变系统的内能行为方式上存在本质区别：作功是通过物体作宏观位移来完成的传热是通过分子间相互作用来完成的注意：内能是状态量，作功与传热是过程量112 热力学第一定律一.热力学第一定律WQ改变系统内能通过大量的事实总结得出：热力学第一定律的形式：系统吸收的热量，一部分使自身内能改变，另一部分对外作功热力学第一定律中各量的符号：Q：系统吸热热量：系统放出热量W：系统对外界作功：外界对系统作功：系统内能增加：系统内能减少热一定律是热学中能量的转换与守恒定律第一类永机：QW知第一类永动机不可能实现二热一中各量在平衡过程中的表示：内能V PoA（PVT）C （PVT）对于理想

3、气体，内能暗量只与始末态的温度有关，而与过程无关. 功的计算 以气体膨胀过程中气体作功为例. 仍从功的定义出发.过程进行缓慢，认为活塞匀速向右运动，则当体从 ,气体所作的功为P与V有关P与V无关 从数学上看, P-V 图过程曲线下所围的面积=W 由PV图可知：功的大小与所经历的过程有关, 即为所对应的过程曲线下的面积，因而功是过程量. W吸热从热力学第一定律知, 热量与功有关,因而热量 也是过程量.p-V 图: 平行于p 轴的直线.113 热力学第一定律对理想气体三等值过程及绝热过程的应用一等体过程pOp1p2热一的具体形式:V =恒量 特征: 即V =恒量或 一系列温度渐增热源p,TQV定体

4、摩尔热容CV:传热的多少，只取决于内能的增加，即温度的增加在等体过程中,气体不对外作功, 气体从外界吸收的能量全部转化为气体的内能.中学比热a定体摩尔热容定义：在等体过程中，对1mol的气体，当其温度升高（或降低）1k时所吸收（或放出）的热量b表示及计算等体摩尔热容：对元过程来说，热一在等体过程中理想气体CV，只与气体自由度有关，与温度无关5.过程方程二等压过程特征: p =恒量或 . pVOpp-V 图: 平行于V 轴的直线.热一的具体形式:Q一系列温度渐增热源V，Tp当气体从状态I(p,V1, T1)变到状态II(p,V2, T2)时在等压过程中增加系统内能系统从外界吸收的热量对外作功可见

5、吸收的热量 一部分用来增加内能,一部分对外作功.4.等压摩尔热容：热一的元过程等压下，除吸放热外，还要作功.过程方程迈耶公式泊松比三等温过程特征: T=恒量或 .p-V 图: 双曲线的一支.VOpp1p2热一的具体形式:恒温热源 T TV，pQ逐点取下砂粒等温膨胀可见吸收的热量全部用来对外作功.过程方程四绝热过程的应用特征: 系统与外界无热量交换.过程方程记住热一的具体形式: 系统要对外做功，必须以牺牲自身的内能为代价绝热线比等温线陡.4P-V 图: 一条曲线.绝热线等温线pVOA三、绝热线和等温线的比较绝热曲线的斜率等温曲线的斜率因为 1，绝热线斜率的绝对值比等温线的大，II IO V1 V

6、2 V pp等温线绝热线所以绝热线要陡一些由 pV = C 和 pV = C 得g 由(PA,VA)膨胀同样体积微观解释：等温绝热故对相同的体积变化，绝热过程的压强变化更大O V V pp等温线绝热线pT 例题11-1 (p.195) 设一定质量的单原子理想气体,开始时压强为3.039105Pa, 体积为1L,先作等压膨胀到体积为2L, 再作等温膨胀至体积为3L, 最后被等体冷却到压强为 1.013105Pa, 求在全过程中内能的变化、所作有功和吸收的热量。OP(1.013105Pa) V(L)bacd132123 解: 作出过程曲线, 各状态分别标以a、b、c、d。 各点状态参量如下 ：a点

7、：pa= 3.039105Pa ，Va =1L ，Ta=？b点：pb= 3.039105Pa ，Vb =2L ，Tb=Tc =？c点： pc= ？，Vc =3L ，Tb=Tc =？d点： pd= 1.013105Pa, ，Vd =3L ，Td=？全过程内能的变化 OP(1.013105Pa) V(L)bacd132123全过程所作的功 W=Wp+WT+WV从热力学第一定律得II IO V 2V V p等温线绝热线300 K解作 p V图例题11-2 1.210-2 kg的氦气原温度为300 K，作绝热膨胀至原体积的2 倍，求氦气所作的功。氦气从同一初态作等温膨胀到相同的体积气体作的功将此结果与

8、绝热过程中的功作比较，并说明其原因。气体在绝热过程中所作的功为把氦气当作单原子理想气体，i =3， =1.67由绝热过程方程得= 3 12.5 111.4 J = 4177 J如果氦气作等温膨胀至体积为原来的2倍由此可以看出WT WQ 因为绝热线比等温线陡从同一初始态开始膨胀到同一体积的条件下等温线下的面积大于绝热线下面的面积之故II IO V 2V V p等温线绝热线300 K什么过程能将热持续的转变为功?等体过程： W=0等压过程：等温过程：绝热过程：Q=0可以，但需机械尺度无限大，无实际意义114 循环过程 卡诺循环 热机的效率一、循环过程1. 定义：系统经历一系列变化后又回到初始状态的

9、整 个过程。准静态循环过程 p-V图中的闭合曲线顺时针：正循环逆时针：逆循环OpV正逆2. 共同特征热力学第一定律：3. 正循环及其效率特征：OpV正abcdV1V2正功负功净功WT1T2实例：蒸汽机的循环效率:蒸汽机工作原理示意图锅炉冷凝器冷水蒸汽排气阀进气阀高温热源低温热源作功热机的能量转换:从高温热源吸热（可能不止一个）向低温热源放热（可能不止一个）对外做功效果代价热机效率:4. 逆循环及致冷系数外界对系统做功 系统向外界放热致冷机的循环：OPV逆abcV1V2净功d特点：Q1Q2W高温热库T1低温热库T2工质实例：电冰箱能量转换：从低温热源吸热（效果）外界对系统做功 W（代价）向高温热

10、源放热致冷系数：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Q1W开始 例2. ( 书习题7-18) 1 双原子分子理想气体,原来压力 2 ,体积 20L. 先等压膨胀至原来体积 2 倍,再等容冷却到原温度,最后等温压缩至初态. (1)作出p-V 图. (2)求各过程W.(3)求 . 解: (1)先求出各点的参量 1点: 2点: 3点:)8.487,20,2(8.487111=KRVpT)6.975,40,2(6.97521212=KTRVpTh)8.487,40,1(1211213=atmpVRTpmolatmVpO213121V12V(atm)-2806JLatm=

11、-=-7.27ln21113VVRTW=-=-0405240)()2(321221VpWVVpWdJLatm1. 研究循环过程的理想模型 卡诺循环二、卡诺循环卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环卡诺正循环或卡诺逆循环1) 与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）2) 不与其它热源交换能量（两个绝热过程）特点：简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环高温T1低温T2高温T1低温T2Q1Q2W = Q1 -Q2Q2W Q1= W+ Q2 卡诺循环过程：正循环2. 理想气体的卡诺循环p 正循环效率等温过程：p绝热过程：p等温过程： 逆循环致冷系数p注意：对一切循环适用只对卡诺循环适

12、用练习1.如图两个卡诺循环, 下列表述正确的是：（1）（2）（3）（4）答案：（4）正确c1abcd 2 ab c d 将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在求做一盘冰所需的功、所需的时间和所要求的电功率各为多少？练习2解：致冷系数例： 通过绝热过程把标准状态下0.014kg氮气压缩到原体积的一半。求：气体内能的改变，传递的热量和外界对气体所做的功。设氮气为理想气体，且解：11-7 热力学第二定律热力学第一定律：能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律的过程 不可能发生。第一类永动机不可能成功！是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？热力学第二定律：描述自然界能量转换的方向和限度。一.热力学第

13、二定律的两种典型表述及其等效性1.开尔文表述 (K) 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。 2. 克劳修斯说法(C) 不可能把热量从低温物传到高温物体而不引起其他变化。 热力学第二定律是在研究热机效率和制冷系数时提出的，是大量实验事实的概括与总结，是物理学的基本定律之一对热机，不可能将吸收的热量全部用来对外作功对制冷机，无外界作功热量不可能从低温物体传到高温物体 热力学第二定律的两种表述形式解决了物理过程进行的方向问题注意理解(k)： 热力学第一定律和第二定律是互相独立的。比较：第一类永动机：第二类永动机：不耗能，只做功违反热力学第一定律违反热力学第二定律热力学第二定

14、律并不意味着热不能完全转变为功关键词：“无其它影响” 热完全转变为功，而且系统和外界均复原是不可能的。例：理想气体等温膨胀不违反热力学第一定律其它影响热力学第二定律指出了热功转换的方向性功自发热100 % 转换热非自发功不能 100% 转换注意理解(C)：热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体关键词：“自动” 即热量从低温物体传到高温物体不能自发进行，不产生其它影响。例：电冰箱热力学第二定律指出了热传导方向性：高温自动低温低温非自动高温 （外界做功）练习：判断正误 热量不能从低温物体传向高温物体 热不能全部转变为功能够用某种方法使系统回到原状态而不引起其他变化二. 可逆过程和不

15、可逆过程 卡诺定理1.可逆过程 不可逆过程 不可逆过程自然界中发生的一切热力学过程都是不可逆过程a.热传导过程 热传导过程的不可逆性是热力学第二定律克氏说法的直接结果高温物体低温物体传热 可逆过程 不可能用任何方法使系统回到原状态而不引起其他变化b. 功热转换过程其不可逆性是功转变为热c. 气体的自由膨胀过程d. 气体迅速膨胀的过程自由膨胀抽掉隔板回到原状态要压缩作功，内能增加绝热p ppp 对应不可逆过程与过程无关，只与初、末态有关。熵是态函数可以在初、末态间设计恰当可逆过程来计算熵变1. 用熵S表述热力学第二定律二、熵增加原理孤立系统中自然发生的热力学过程总是向着熵增大的方向进行。条件孤立系统（绝热、无外界影响，Q = 0 A =