大物 热力学精品课件

1、大物 热力学第1页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二（一）理解内能E、热量Q、摩尔热容量C以 及可逆过程、不可逆过程、熵等概念。基本要求：（二）掌握热力学第一定律，并能熟练地分 析、计算理想气体三个等值过程和绝 热过程中的功、热量及内能增量 。第2页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二（三）理解正循环、逆循环的特点，掌握热 机效率的计算方法，并了解致冷机的 制冷系数。（四）理解热力学第二定律的两种叙述方法、 热力学过程的方向性、熵和熵增加原理。 第3页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二7-1 热力学第一定律3. 系统和外界间可以有相互作

2、用： a)交换能量 作功、传热。 b)交换质量。2. 外界(环境，周围): 除系统之外的称外界。 1. 热力学系统 (工作物质): 热力学中所研究 的对象 (由大量粒子组成的宏观客体）。 一.系统和外界 第4页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二4. 热力学系统的分类: c)开放系统-和外界既有能量交换 又有质量交换。b)封闭系统-和外界仅有能量交换， 无质量交换。a)孤立系统-和外界无相互作用。第5页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二1. 状态：系统在某一时刻所处的运动状态。 分平衡态和非平衡态。 二. 状态和过程 2. 过程：从一状态到另一个状态的中间

3、过程。 分为平衡态过程（准静态过程）和 非平衡态过程（非准静态过程） 。第6页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二3. p-v 图 a)p-v 图上任一点为一平衡态(P,V,T确定） b)p-v 图上任一曲线为一平衡过程 c)注意p-T图和T-v图。P1P2第7页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二三.系统和外界的第一类相互作用功1. 气体作功公式 如图所示汽缸中气体膨胀作功 SdlF元功功第8页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2. 功的特性 a)功的正负 dV0 气体膨胀, dA0 气体（对外）作正功 dV0 气体压缩, dA0 V1

4、 V2 P V第10页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二c)功是过程量，和过程有关。图中 0, 放热 Q0, 外界作功 A0, 内能减少 0 对外作功,则 T2 T1 温度下降,实质:对外作功,内能减少. 二.绝热过程中的功和内能变化 第29页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二三. 绝热过程方程 1. 泊松方程的推导(练习) - 泊松方程第30页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二泊松方程的推导第31页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2 由泊松方程求功:A第32页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期

5、二3. 绝热过程的图示 p-v图上绝热线比等温线陡VT=Const.P绝热 原因: 绝热过程 体积增大（对外作功）时,温度下降。第33页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二物理意义：等温时，压强仅随体积变化而变 绝热时，压强变化不仅随体积变 化，还随温度变化。斜率（的绝对值）大可证明:P=nkT第34页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二四.（真空）绝热自由膨胀Q=0 A=0E=0温度T不变 T=0第35页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二理想气体各等值过程和绝热过程 有关公式对照表：第36页，共80页，2022年，5月20日，15点3分

6、，星期二过程特征方程EQA等容v一定P/T=C Cv(T2-T1)Cv(T2-T1)0等压P一定v/T=C Cv(T2-T1) Cp(T2-T1)P(V2-V1)等温T一定PV=C0RTln(V2/V1) RTln(V2/V1)绝热dQ=0PV=C Cv(T2-T1)0- Cv(T2-T1)第37页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二7-4. 循环过程 卡诺循环 一. 循环过程 (cycle process)1. 定义: 系统经历一系列的变化过程，又回到原来的初始状态，这样的一个周而复始的过程. 实例: 汽缸F第38页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2.

7、 特征: a)循环一周,内能不变。 b)PV图上为一闭合曲线,其包围面积为净功。 正循环 逆循环PV3. 分类： 顺时针-正循环：热机 逆时针-逆循环：致冷机第39页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二二. 热机1. 热机(heat engine)-通过循环过程，连续不断地把热量转换成功的装置。（工作物质作正循环）第40页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二蒸 汽 机 第41页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2. 热机效率(efficiency of heat engine) 高温热源低温热源Q1 A Q2 Q1-吸收的热量Q2 -放出

8、的热量（绝对值）a) 公式 :第42页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二b)物理意义: 吸收的热量转化为功的比例。亦即：循环效率。 第43页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二 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 .几种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机第44页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二例1

9、：1mol双原子分子理想气体的初态A的温度T0，它经历图示的循环，求循环过程中:（1）气体对外做的净功； （2）传递的净热量；（3）气体从外界吸收的热量；（4）循环的效率。V03V0p03p0ACBDVp解：（2）Q净吸热=A=4RT0（1）A=SABCD=2P02V0 =4RT0（3）Q吸=QAB+QBC =CvTAB+ CpTBC 第45页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二V03V0p03p0ACBDVp（4）=5/2R（3T0-T0）+7/2R（9T0-3T0）=26RT0 （3）Q吸=QAB+QBC =CvTAB+ CpTBC 第46页，共80页，2022年，5月2

10、0日，15点3分，星期二例2：双原子刚性理想气体，作如图所示的循环，A-B-C-A，BC是等温过程，求（1）各过程中吸收的热量。（2）循环一周，气体作的功。（3）循环效率。解：TB =TC =2TAAp0V02V02p0BCVpQAB= CvTAB = (5/2)R（2TA-TA) = ( 5/2)RTA=5/2P0V0 吸热QBC= RTBln(vc/vB)=2RTAln2 = 2ln2 P0V0 吸热QCA =CpTCA= (7/2)R（TA-2TA) = -( 7/2)RTA =-7/2 P0V0 放热(1)第47页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二V02V0p02p

11、0ABCVp(2) A=Q净吸 =QAB+QBC +QCA = (5/2+2ln2-7/2) P0V0 (3)第48页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二三. 致冷机1. 致冷机：通过外界对工作物质做功，把低温物体的热量传递给高温物体的装置。（工作物质作逆循环） “热 泵”第49页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二冰箱循环示意图第50页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2. 致冷系数：高温热源低温热源Q1 A Q2 Q2-吸收的热量Q1 -放出的热量（绝对值）A -外界作功（绝对值）第51页，共80页，2022年，5月20日，15点3分

12、，星期二物理意义:做功的目的和效率第52页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二四. 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle) -由两个等温过程和两个绝热过程组成.abdcT1T2PV1.卡诺热机-卡诺正循环第53页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二（1） 具体过程分析 a). a b 等温膨胀. -吸热,对外作功. b). c d 等温压缩. -放热,外界作功. abdcT1T2PV第54页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二c). b c 绝热膨胀. -温度下降d). d a 绝热压缩 - 温度升高 abdcT1T2PV第55页，共

13、80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二（2）卡诺热机的效率第56页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2.卡诺致冷机-卡诺负循环abdcT1T2PV卡诺致冷机的致冷系数：第57页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二7-5. 热力学第二定律一.问题的引出1.能否制成一种热机，从单一热源吸热完全用来作功 ？2.能否制成一种致冷机，不需外界作功，能使热量从低温物体传到高温物体？ 自然界中并不是所有符合热力学第一定律的过程都能发生。第58页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二二.热力学第二定律(second law of thermod

14、ynamics)1. 开尔文(Kelvin)表述：不可能实现从单一热源吸热全部用于对外做功,而不产生任何其它影响的循环过程。第59页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二a) 从单一热源吸热全部用于对外做功是可能的，但要完成一个循环,则会引起其它影响。b) 从卡诺循环可见，要使工作物质恢复原态,总要释放一部分热量给冷源。c).另一种叙述：第二类永动机造不成 第二类永动热机 -效率等于100 的热机% 说明：第60页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2. 克劳修斯(Clausius)表述: 热量不能自动地从低温热源传到高温热源,而不产生其它影响. a) 热量从

15、低温热源传到高温热源是可能的， 但外界要做功。 b) 排除了第二类永动制冷机的可能。说明：第61页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二3. 两类表述的等价性a) 违背开耳文说法,同时违背克劳修斯说法。b) 违背克劳修斯说法,则同时违背开尔文说法。第62页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二1. 一般热力学系统中宏观过程的不可逆性 开耳文表述说明了：功变热过程不可逆 克劳修斯表述说明了：热传递过程的不可逆2. 孤立系统中宏观自发过程的单向性。三. 热力学第二定律的实质第63页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二7-6可逆过程和不可逆过程卡诺定

16、理一.定义 1.可逆过程：系统状态变化过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态，且不引起其他变化。 2.不可逆过程：无论我们用何种手段，系统不能恢复原状态; 或能恢复原状态,但要引起周围发生变化.第64页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二三.自然界中一切宏观过程都是不可逆的 可逆过程是一种理想的近似。二.可逆过程的条件 （1）过程无限缓慢，属准静态（平衡态）过程。 （2）无能量耗散效应。 准静态（平衡态）过程是可逆过程的必要条件。第65页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二四.卡诺定理(Carnot theorem) 卡诺 （N.Carnot) 1796-

17、1832 法国物理学家，大学毕业以后入梅斯工兵学校深造，担任了少尉军事工程师，退役后研究热机。1824年发表关于热机的理论分析论文，即以他的命名“卡诺循环”及“卡诺定理”，36岁因霍乱早逝。死后他的论文才被开尔文发现，是建立热力学第二定律的先驱。第66页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二四.卡诺定理(Carnot theorem)1. 定理: a) 在相同高温热源T1和相同低温热源T2间工作的一切 可逆机，不论工作物质如何，效率都相同：第67页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二 b) 在相同高温热源T1和相同低温热源T2间工作的一切不可逆机的效率：2.卡

18、诺定理指出了提高热机效率的途径。第68页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二7-7 熵 热力学第二定律的统计意义一. 熵(entropy)(1) 概念: 一个状态函数-S ，用其变化（S）描述热力学过程进行的方向。(2) 熵增加原理：在孤立系统中发生任何不可逆过程，其熵增加。只有可逆过程熵才保持不变。第69页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二 封闭系统内发生的一切过程，总是由几率小的状态向几率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。二. 热力学第二定律的统计意义一切自发过程总是朝着熵增加的方向进行。第70页，共80页

19、，2022年，5月20日，15点3分，星期二1. 自由度为i的理想气体，在等压过程中吸热Q，对外作功A，内能增加 E，则A/Q= E /Q=解:练 习第71页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二2.下列四个假想的循环过程，哪个可行？PPPVVV等温绝热绝热绝热绝热绝热等温PV绝热等温ACBD答案：B第72页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二3.如图为一定质量的单原子理想气体的循环过程图，由两个等压和两个绝热过程组成.已知P1、P2 求循环的效率.解:Padcp2p1Vb第73页，共80页，2022年，5月20日，15点3分，星期二Padcp2p1Vb第74页，共80页，2022年，5月20日，15