【医用物理学课件】热力学基础

1、第四章 热力学根底1 热力学第一定律：能量守恒热力学第二定律：自然过程的方向第四章 热力学根底24-1 热力学的一些根本概念1.热力学系统：统系孤立系统：系统与外界没有能量和物质交换。封闭系统：系统与外界有能量而没有物质交换。开放系统：系统与外界既有能量也有物质交换。一、热力学系统及其根本描述系统：研究的热力学对象。外界环境：系统以外能影响系统的其他物体根据交换方式分为：3一、热力学系统及其根本概念平衡态：宏观性质都不随时间变化，可用状态参量来描述。热力学过程：系统从一平衡态到另一平衡态的转变过程。2.平衡态和准静态过程：准静态过程quasi-static process热力学系统从一个状态变

2、化到另一个状态，称为热力学过程简称“过程。准静态过程:系统的每一个状态都无限接近于平衡态的过程， 即准静态过程是由一系列平衡态组成的过程。 4过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态初平衡态 一系列非平衡态末平衡态热力学中，为能利用平衡态的性质，引入 准静态过程(quasi-static process) 的概念。系统状态的变化过程进行的足够缓慢而使系统在变化过程中每时每刻都非常接近平衡态的准平衡态，系统状态变化过程近似看成无数多个接近平衡态的过程组成，使系统在每时每刻都有确定的状态参量，这中间过程称为准静态过程。5快缓慢非平衡态接近平衡态 准静态过程 所以，实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看

3、作是准静态过程。 只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。6怎样算“无限缓慢弛豫时间(relaxation time)：系统由非平衡态到平衡态所需时间。 “无限缓慢 t过程进行 例如，实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程，t过程进行 = 0.1s = 容器线度/分子速度 7过程曲线准静态过程可用过程曲线表示。状态图(PV图、PT图、VT图)上一个点代表一个平衡态； 过程曲线(P2,V2)VoP过程曲线（只对准静态过程才能画出）(P,V)(P,V) 一条曲线代表一个准静态过程。8二、内能、功和热1.内能U :物体或系统内分子的各种运动的动

4、能与势能的总和。对理想气体，不计势能2.功：FdlPSABV1V2VPP1P2O在P-V图中，功在数值上等于曲边梯形的面积，作功的多少和过程有关。内能为状态的单值函数 。9体积功 过程量此外还有摩擦功、电流功、电磁场的功等。 通过作功改变系统热力学状态的微观实质：分子无规那么运动的能量分子规那么运动的能量碰撞通过作功可以改变系统的状态。V1 V V+d V V2 V0 PdW= PdV二、内能、功和热10热量和功有相同的单位。热量是能量传递和转换大小的量度。热量也是过程量。作功和热量（传热）的区别1作功是通过系统与外界发生宏观相对位移完成。2传递热量是通过接触面上分子间碰撞来完成的。3作功是能

5、量传递的宏观方式。传热是和物体微观热运动联系，是能量传递的微观方式功热内能二、内能、功和热3.热量Q：在热传递中传递的能量。11功.热量.内能与过程的关系 与过程有关 与过程无关 与过程有关12下面给出理想气体状态方程的几种微分形式，指出各表示的过程表示等压过程表示等容过程表示等温过程134-2 热力学第一定律1.系统内能：系统的每个状态都有一定的能量动能+势能。状态1 U1 状态2 U2 传热做功2.热力学第一定律：系统从一个状态U1经过任意过程到另一个状态U2，其内能的变化U 等于在过程中所作的功W与传递的热量Q 之和。U U2 -U1 Q- W符号原那么：当系统内能增加时U为正，内能减少

6、时U为负； 系统从外界吸取热量Q为正，向外界放热时为Q负； 系统对外界做功时W为正，外界对系统做功时W为负。一、热力学第一定律或：Q=W+U14二、热力学第一定律的应用主要公式：Q= U+W15二、热力学第一定律的应用1.等体过程V一定,W=0，UQ- W Q摩尔定容热容:1mol气体等体过程温度升高1K所吸收的热量.可用于求任何过程系统的内能增量。单原子刚性双原子16二、热力学第一定律的应用2.等压过程：U U2 -U1 Q- P(V2-V1)摩尔定压热容:1mol气体等压过程温度升高1K所吸收的热量。迈耶公式:摩尔热容比17二、热力学第一定律的应用3.等温过程QTP恒温热源ABV1V2VP

7、P1P2OU0，Q = W等温膨胀过程的特点：吸热全部用于对外作功。18说明： 一定，故等压过程中所吸取的热量 要比等容过程多，即在等压过程中，温度升高1K时， 1mol的理想气体除内能增加外，将多消耗8.31J的热能来转变为因膨胀而对外所作的功。与T无关。2.理想气体单位:19二、热力学第一定律的应用4.绝热过程Q=0，U - W 快速膨胀或压缩过程可以看作绝热过程。泊松公式由理想气体物态方程的微分形式联立可得20二、热力学第一定律的应用绝热线P0V等温线212等温12绝热OV P绝热功等温膨胀U不变 V n UT P2 P2PV n P由 P = nkT绝热膨胀绝热线与等温线比较：绝热线比

8、等温线陡。22 P87例：温度为300K，压强为105 Pa的氮气，经绝热压缩使其体积变为原来的20，试求压缩后的压强和温度。并将这个压强与等温压缩的压强进行比较。解：由绝热方程可得：已知：T1300K，P1105Pa，V15V2对等温过程：例 题123例 题22425主要公式：Q= U+W262728293031abcP(102Pa)V(m3)O2614是1.4的1mol理想气体进行如下图的循环，求各过程中气体所吸收的热量、作功和内能变化。：Ta=300K 解：例 题32abcP(102Pa)V(m3)O261433三、循环过程 热机和制冷机1.循环过程简称循环：循环：系统经一系列状态变化后

9、，又回到原来的状态。特点：系统经历一个循环过程，内能不变。净功：PVABPVAB顺时针WABWBAW0，正循环，热机逆时针WBA WAB W0，逆循环，制冷机正循环或热循环逆循环或制冷循环34三、循环过程 热机和制冷机2.热机和制冷机：热机从高温热源吸收热量Q1：对外做功W，同时向低温热源释放热量Q2制冷机从低温热源吸收热量Q2，外界做功W，向高温热源释放热量Q1e 越大制冷效果越好35逆向循环反映了制冷机的工作原理，其能流图如右图所示。工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温热源的温度更低，到达制冷的目的。吸热越多，外界作功越少，说明制冷机效能越好

10、。用制冷系数表示之。T1T2Q1Q2W36在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫工质。三、循环过程 热机和制冷机热循环效率 pQ1W|Q2|V0热循环（正循环）工质37例 题 1mol单原子理想气体经历如下图的循环，其中ab为等温线，求循环效率。abcP(102Pa)V(m3)OV02V0解：38abcP(102Pa)V(m3)OV02V039 吸 放 放 吸当循环是规那么的几何形状时，采用求W的方法将使计算简便准确说 明40试证明在 p V图上任意物质的一条等温线和一条绝热线不能相交两次。证明：ab绝热线等温线QW = Q pV设有两个交点a，b，假设从状态a出发，经绝热过程至b状态，不吸

11、热对外作功由于a，b在同一条等温线上，该过程内能不变，其结果不吸热，不减少内能，却对外做了功，违反了热力学第一定律。所以，不能有两个交点。例 题41一直敞开冰箱门 能制冷整个房间吗？思考：翻开冰箱凉快一下42四.卡诺循环及其效率低温热库T2|Q2|W工质 Q1高温热库T1热机循环示意图卡诺Carnot ，法国人，1796 1832提出了一个能表达热机循环根本特征的理想循环。后人称之为卡诺循环。 p0Q12134W|Q2|T1T2V绝热线等温线V1 V4 V2 V3特点：工质只和两个恒温热库交换无摩擦循环。热量的准静态、43cd：与温度为T2的低温热源接触，T2不变， 体积由V3压缩到V4，从热源放热。da：绝热压缩，体积由V4变到V1，吸热为零。ab：与温度为T1的高温热源接触，T1不变， 体积由V1膨胀到V2，从热源吸收热量。bc：绝热膨胀，体积由V2变到V3，吸热为零。abcdPV0V1V4V2V3T1T244 ab： cd： 等温过程绝热过程 bc：da：abcdPV0V1V4V2V3T1T245卡诺热机循环的效率说明： 1)c与理气种类、m、p、V的变化无关， 2)T1，T2 c ， 实用上是 T1 。现代热电厂：900K 300K理论上：c 65%，实际： 40% ， 原因：非卡诺，非准静态，有摩擦。只与T1、T2有关。46进一步说明