山东农业工程学院《大学物理》课件-第6章热力学基础

山东农业工程学院《大学物理》第6章-热力学基础6.1热力学第一定律6.３循环过程6.４热力学第二定律6.２理想气体等值过程和绝热过程第6章热力学基础热力学过程:

在外界影响下，系统从一个状态到另一个状态的变化过程，简称过程。非静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态的过程中，所有中间态为非平衡态的过程。热力学过程准静态过程非静态过程准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似看做平衡态的过程.一、准静态过程1.准静态过程是理想化过程非平衡态←快←无限缓慢接近平衡态

如何判断“无限缓慢”？

弛豫时间:

系统从一个平衡态变到相邻平衡态所经过的时间平衡破坏→新的平衡

t过程

>>

：过程就可视为准静态过程所以无限缓慢只是个相对的概念。ⅠⅡ2.准静态过程可用过程曲线来表示p－V图上，一点代表一个平衡态，一条连续曲线代表一个准静态过程。1.功：能量传递和转换的量度，引起系统热运动状态的变化.

体积功的计算注意：做功与过程有关.二、准静态过程的功与热量●摩尔热容摩尔热容Cm为过程量热量是过程量2.热量：热传递过程中,系统吸收或放出能量的多少.

实际气体内能：所有分子热运动的动能和分子势能的总和。内能是状态量:

E=E(T,V)理想气体内能:是状态参量T的单值函数。系统内能改变的两种方式1.做功可以改变系统的状态

摩擦升温（机械功）、电加热（电功）

功是过程量三、内能做功是系统热能与外界其它形式能量转换的量度。2.热量传递可以改变系统的内能

热量是过程量热量是系统与外界热能转换的量度。使系统的状态改变，传热和做功是等效的。1）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；

宏观运动能量分子热运动能量功分子热运动能量分子热运动能量热量3）功与热量的物理本质（能量转换）不同.1卡

=4.18J，1J=0.24

卡功与热量的异同系统吸收的热量，一部分转化成系统的内能；另一部分转化为系统对外所做的功.准静态过程ⅠⅡ**四、热力学第一定律+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

1）包括热现象在内的能量转换和守恒定律.2）实验经验总结，自然界的普遍规律.物理意义对无限小过程准静态过程：热力学第一定律另一表述：

制造第一类永动机（能对外不断自动作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器）是不可能的。6.1热力学第一定律6.３循环过程6.４热力学第二定律6.２理想气体等值过程和绝热过程第6章热力学基础热力学第一定律特征恒量过程方程恒量一、等容过程定容摩尔热容摩尔热容定容摩尔热容热力学第一定律

等容升压

12

等容降压

12ⅠⅡ过程方程恒量特征恒量功W二、等压过程微分得pdV=RdT绝热系数理想气体

的理论值：对单原子分子,i=3,=1.67对刚性双原子分子,i=5,=1.40对刚性多原子分子,i=6,=1.3312W等压膨胀

W

W12W等压压缩ⅠⅡ特征恒量过程方程恒量功三、等温过程12等温膨胀W12W等温压缩

W

WⅠⅡ在系统不与外界交换热量的条件下，系统的状态变化过程叫做绝热过程.

特征气体对外做功:

绝热

方程恒量恒量恒量四、绝热过程绝热

方程恒量恒量恒量绝热过程曲线的斜率等温过程曲线的斜率绝热线的斜率大于等温线的斜率.ABC常量A处斜率为A处斜率为12W绝热膨胀12W绝热压缩

W

W例6-1有2mol氦气，由初始状态a(T1，V1)等压加热至体积增大1倍，再经绝热膨胀，使其温度降至初始温度，如图所示．把氦气视为理想气体，试求：(1)整个过程氦气吸收的热量．(2)氦气所做的总功是多少．解:(1)根据状态方程有各过程吸收的热量为(2)对整个过程应用热力学第一定律依题意，Ta＝Tc，故ΔE＝0，总功为Q＝ΔE＋W例6-2

1mol双原子分子理想气体的pV关系如图所示，由初态A(p1，V1)经准静态过程直线变到终态B(p2，V2)．试求该理想气体在A→B过程中：(1)内能增量．(2)对外界所做的功．(3)吸收的热量．(4)A→B过程的摩尔热容．解(1)内能增量(2)A→B过程所做的功为曲线下梯形面积，故因AB为过原点的直线，根据相似三角形有p1V2＝p2V1，则(3)由热力学第一定律，吸收的热量为(4)根据状态方程，热量可写成对于A→B过程中，任一微小状态变化均应有由摩尔热容定义,得6.1热力学第一定律6.３循环过程6.４热力学第二定律6.２理想气体等值过程和绝热过程第6章热力学基础ac

系统从某一状态出发，经过一系列状态变化过程以后，又回到原来出发时的状态，这样的过程叫做循环过程，简称循环.热力学第一定律特征ac正循环:W净

>0逆循环:W净

<0净功总吸热总放热（取绝对值）正循环过程对应热机，逆循环过程对应致冷机。W净热机

：通过工质使热量不断转换为功的机器.

工作物质（工质）：循环工作的物质系统一、循环效率热机热机的效率热机效率高温热源低温热源热机（正循环）ac制冷系数制冷机（逆循环）制冷机高温热源低温热源ac制冷系数冰箱循环示意图例6-3内燃机的一种循环叫作奥托(Otto)循环，其工质为燃料与空气的混合物，利用燃料的燃烧热产生巨大压力而做功．图615为一内燃机结构示意图和它作四冲程循环的pV图．其中(1)ab为绝热压缩过程；(2)bc为电火花引起燃料爆炸瞬间的等容过程；(3)cd为绝热膨胀对外做功过程；(4)da为打开排气阀瞬间的等容过程．在bc过程中工质吸取燃料的燃烧热Q1，da过程排出废气带走了热量Q2，奥托循环的效率决定于汽缸活塞的压缩比V2/V1，试计算其热机效率．

解：气体在等容升压过程bc中吸热Q1，在等容降压过程da中放热Q2，Q1和Q2大小分别为热机效率为因为cd和ab均为绝热过程

两式相减，得得于是得

令

称为压缩比，则有低温热源高温热源卡诺热机

卡诺循环两个准静态等温过程两个准静态绝热过程组成1234二、卡诺循环1234

理想气体卡诺循环热机效率的计算

1—2

等温膨胀

2—3

绝热膨胀

3—4

等温压缩

4—1

绝热压缩卡诺循环1—2等温膨胀吸热3—4等温压缩放热12344—1绝热压缩2—3绝热膨胀

卡诺热机效率1234

卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高.

1234高温热源低温热源卡诺制冷机

卡诺制冷机（卡诺逆循环）卡诺制冷机制冷系数

图中两卡诺循环吗？讨论奥托循环例6-4一卡诺制冷机从温度为－10℃的冷库中吸取热量，释放到温度为26℃的室外空气中，若制冷机耗费的功率是1.5kW，求(1)每分钟从冷库中吸取的热量；(2)每分钟向室外空气中释放的热量．

解(1)根据卡诺制冷系数有

所以，从冷库中吸取的热量为(2)释放到室外的热量为例

:1mol氧气作如图所示的循环.求循环效率.abcQabQbcQca等温线0V02V0Vp0p解:6.1热力学第一定律6.３循环过程6.４热力学第二定律6.２理想气体等值过程和绝热过程第6章热力学基础问题:热力学第一定律:

一切热力学过程都应满足能量守恒。但满足能量守恒的过程是否一定都能进行?热力学第二定律:

满足能量守恒的过程不一定都能进行!过程的进行还有个方向性的问题。一、热力学第二定律

不可能制成一种循环动作的热机，它只从一个单一温度的热源吸取热量，并使其全部变为有用功，而不引起其他变化.这就是热力学第二定律的开尔文表述.1.开尔文表述

等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它不是循环过程.12

卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.低温热源高温热源卡诺热机1234

永动机的设想图

虽然卡诺制冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化.热量不可能自动地由低温物体传向高温物体.

高温热源低温热源卡诺制冷机2.克劳修斯表述1234

对于孤立系统，从非平衡态向平衡态过渡是自动进行的，这样的过程叫自然过程.功热转换的过程是有方向性的（单摆）热传导过程也具有方向性气体向真空中绝热自由膨胀的过程是有方向性的

二、可逆过程与不可逆过程自然过程不受外来干预(孤立系统),因此一切与热现象有关的自然过程都都是按一定方向进行的,反方向的逆过程不可能自动地进行。

热力学第二定律不仅指出了自然过程具有方向性，而且进一步指明了非孤立系统中,一切实际的宏观热力学过程都是不可逆的。

可逆过程

:如果存在一个逆过程，该逆过程能使系统和外界同时完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原来过程对外界引起的一切影响），则原来的过程称为可逆过程.

可逆过程是理想过程无耗散+准静态

可逆过程必然可以沿原路径的反向进行,系统和外界的变化可以完全被消除的过程。

非准静态过程为不可逆过程.

不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.注意：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行