第九章热力学基础

第九章热力学基础第一页，共三十七页，2022年，8月28日§1热力学过程分类§2功准静态过程中体积功的计算§3热热量的计算§4热力学第一定律§5绝热过程§6循环过程和热机第二页，共三十七页，2022年，8月28日前言：热力学研究对象：物质的热运动（另一种运动形式）热运动：（固体、液体、气体）大量微粒（原子，分子等）不停地无规则运动研究对象（系统）的复杂性：大量微粒1023；速度102—103ms-1；线度10-10m；质量10-26kg；每秒碰撞次数—109第三页，共三十七页，2022年，8月28日研究方法（气体）：1、能量观点出发，以实验方法研究热现象的宏观规律（热力学）2、应用统计方法（大量无规律运动微粒的集体行为）研究其微观本质（气体动理论）一、理想气体的物态方程1、描写气体的参量—压强—体积第四页，共三十七页，2022年，8月28日2、平衡态3、理想气体的状态方程—绝对温度气体状态参量不受时间变化时称为平衡态，在图上有一确定点在平衡态时的理想气体各状态量有—气体质量，—气体的摩尔质量，（摩尔气体常量）第五页，共三十七页，2022年，8月28日二、热力学中的几个基本概念和重要物理量1、热力学系统：研究的对象孤立系统：不受外界任何影响的系统开放系统：与外界有能量等交换的系统2、热力学过程：系统从一个平衡态到另一个平衡态的变化过程 平衡（准静态）过程：过程的中间状态都可以看作平衡状态第六页，共三十七页，2022年，8月28日Ｐ－Ｖ图上可用一条曲线表示—过程曲线准静态过程是理想过程3、热力学的几个重要物理量（1）功（体积变化所作的功）Ｐ－Ｖ图上过程曲线下所包围的面积★功是过程量不是状态量第七页，共三十七页，2022年，8月28日（2）热量：系统与外界由于温差而传递的能量★热量传递与过程有关，也是过程量（3）内能：系统内部的能量是描述系统状态的一个物理量（系统内所有分子热运动的能量）复习：热量热容★内能是状态量，内能的变化（增量）与经历过程无关第八页，共三十七页，2022年，8月28日4、热力学第一定律★理想气体内能只是温度的单值函数（1）定律：系统从外界吸收热量，使系统内能增加和系统对外做功或注意的正负号规定第九页，共三十七页，2022年，8月28日即不消耗任何能量而能不断地对外做功的机器是不可能的结论：“要科学，不要永动机！”—焦耳（2）第一类永动机是不可能制作的第十页，共三十七页，2022年，8月28日三、热力学第一定律在等值过程中的应用1、等体过程（2）热力学第一定律系统（气体）吸收的热量全部用来增加气体的内能（1）特点：Ｖ=常量，Ｐ－Ｖ图上过程线图示过程方程=常量第十一页，共三十七页，2022年，8月28日（3）定体摩尔热容量对质量气体重要说明：内能增量只与状态有关与过程无关，所以是计算内能的普遍表示式，适用于任何过程定义（1摩尔）（查表）（1摩尔）第十二页，共三十七页，2022年，8月28日2、等压过程（1）特点：P=常量

Ｐ－Ｖ图上过程曲线图示过程方程=常量（2）热力学第一定律系统吸收热量是一部分增加气体的内能，另一部分气体对外做功第十三页，共三十七页，2022年，8月28日（3）定压摩尔热容量由第一定律得所以此时（查表）定义（1摩尔）第十四页，共三十七页，2022年，8月28日小结：(迈耶公式)其中摩尔热容比第十五页，共三十七页，2022年，8月28日3、等温过程（2）热力学第一定律气体吸收的热量全部用来对外做功（1）特点：Ｔ=常量Ｐ－Ｖ图上过程线图示过程方程ＰＶ=常量第十六页，共三十七页，2022年，8月28日（2）热力学第一定律绝热过程外界对气体做功使气体内能增加4、绝热过程或（1）特点：Ｐ－Ｖ图上过程曲线(?)过程方程(?)第十七页，共三十七页，2022年，8月28日讨论（1）绝热过程的绝热方程的推导（略）（2）Ｐ－Ｖ图上绝热线和等温线的比较等温线绝热线第十八页，共三十七页，2022年，8月28日解释：在改变相同的体积下，绝热过程中压强的变化要大些等温线绝热线=常量，曲线斜率因为，绝热线比等温线陡！★等值过程中和的计算第十九页，共三十七页，2022年，8月28日例1、计算2mol的氦气（He）在图示过程中的各值解：等体查表得（放热，内能减少）等压第二十页，共三十七页，2022年，8月28日②从P-V图上直接判断各量的正负③注意普遍适应讨论：①先计算再由计算（或由计算）第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日解：⑴等温过程例2、已知5mol的氢气并压缩至所做的功（1）等温过程（2）绝热过程等温线绝热线（外界对气体作功）⑵绝热过程又第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日讨论：②两者压强变化（外界对气体作功）①由=常量由=常量第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日解题思路和方法1.选好研究对象－具体的热力学系统2.弄清系统经历的状态变化过程的特征及已知状态参量和未知状态参量3.应用状态方程和过程方程先求出有关的状态参量4.再应用内能，热量，功的计算规律和热力学第一定律列出相关方程并求出结果第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日四、循环过程：系统经历一系列状态变化后，又回到原来状态1、循环过程的特点：P-V图上为一闭合曲线（正、逆循环）曲线面积为循环的净功第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日2、热机与致冷机热机效率：吸热，放热，（1）对外做功高温热源低温热源热机第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日（2）致冷机致冷系数（作逆循环）从低温热源吸热，向高温热源放热，外界作功高温热源低温热源致冷机致冷系数第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日例题、1mol单原子气体氖经历图示循环求其效率解：吸热放热第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日或第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日六、卡诺循环问题：如何提高热机效率？热机效率能否达到100%？从一个理想的热机循环着手1、卡诺循环：两个等温过程（）和两个绝热过程组成。其效率：等温（）吸热第三十页，共三十七页，2022年，8月28日等温（）放热由于绝热有绝热有比较得卡诺热机效率第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日2、讨论仿上得卡诺致冷机（1）这是完成一个循环所需的最少热源（高温热源和低温热源）（2）提高热机效率的途径或降低（提高）第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日实际上约30%！（3）卡诺热机的效率即热机效率不能达到100%（？）例如：南京发电厂某台机组则其效率为第三十三页，共三十七页，202