物理课件章热力学基础

第5章热力学基础5.1热力学第一定律及其应用

实验证明系统从A

状态变化到B

状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功Q和传热W之和保持不变.2AB1**2AB1**5.1.1热量,功和热力学能系统热力学能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关。热力学能

:

表征系统状态的单值函数,理想气体的热力学能仅是温度的函数.2AB1**2AB1**5.1.2热力学第一定律

系统从外界吸收的热量,一部分使系统的热力学能增加,另一部分使系统对外界做功.微小过程12**1）能量转换和守恒定律.第一类永动机是不可能制成的.2）实验经验总结，自然界的普遍规律.+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物理意义5.1.3准静态过程（理想化的过程）

从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均为平衡态的过程.气体活塞砂子12一.准静态过程

对非常缓慢的过程可近似认为是准静态过程。例如气缸活塞的速度大约为10m/s,而气缸内气体密度、压强趋于均匀的过程以声速进行，此时则可看成是准静态过程。例如：气缸活塞压缩的速度过快，气体的状态发生变化，还来不及恢复，P、V、T无确定关系，则此过程为非准静态过程。准静态过程可以用系统的状态图表示，如：在状态图中，任何一点都表示系统的一个平衡态。任何一条曲线都可以表示一个准静态过程。二.功（过程量）

功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化.准静态过程功的计算注意：作功与过程有关.宏观运动能量热运动能量在P~V图中曲线下的面积为功曲线下的面积：功的大小不仅取决于系统的始末状态，且与系统经历的过程有关。功是过程量注意功的正负规定：体积膨胀，则系统对外界做正功，外界对系统做负功。体积减小，则系统对外界做负功，外界对系统做正功。注意分清系统对外界做功还是外界对系统做功。

的理想气体，在保持温度不变的情况下，体积从经过准静态过程变化到，求在这一过程中，系统对外界做的功？计算各等值过程的热量、功和热力学能的理论基础（1）（理想气体的共性）（2）解决过程中能量转换的问题（3）（理想气体的状态函数）

（4）各等值过程的特性.5.1.4理想气体的等体,等压和等温过程一.等体过程等体摩尔热容量热力学第一定律单位特性

定体摩尔热容:

理想气体在等体过程中吸收的热量，使温度升高,其定体摩尔热容为过程方程热力学第一定律

等体升压

12

等体降压

12注意：此式对任意的热力学过程都是适用的！？因为热力学能的变化跟过程无关，是状态量。12二.等压过程

定压摩尔热容热一律特性

功

定压摩尔热容:

理想气体在等压过程中吸收的热量，温度升高，其定压摩尔热容为W过程方程

可得定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系

摩尔热容比

12W等压膨胀12W等压压缩

W

W12三.等温过程热力学第一定律特征恒温热源T过程方程12等温膨胀W12W等温压缩

W

W

通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.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；

宏观运动分子热运动功分子热运动分子热运动热量3）功与热量的物理本质不同.1卡

=4.18J，1J=0.24

卡功与热量的异同5.1.5气体的摩尔热容热量的计算c是比热：1kg物质升高1

ºC吸收的热量；Mc是热容：Mkg物质升高1

ºC吸收的热量；摩尔热容还可定成

对于固体吸热体积变化很小，用一个比热即可。而气体吸热后，对不同的过程吸热也不一样。因此对不同过程引入不同的摩尔热容。等容过程：引入等容摩尔热容CV，表示在等容过程中，1mol气体升高单位温度所吸收的热量。符号表示“元”，因为Q不是状态函数，不能写成微分。等压过程：引入等压摩尔热容CP，表示在等压过程中，1mol气体升高单位温度所吸收的热量。热量热量注意热量的正负规定：系统吸热为正，放热为负125.1.6理想气体的绝热过程与外界无热量交换的过程特征绝热的汽缸壁和活塞热一律12W由热力学第一定律有

绝热过程方程的推导绝热方程分离变量得12绝热线和等温线绝热过程曲线的斜率等温过程曲线的斜率ABC

绝热线的斜率大于等温线的斜率.12W绝热膨胀12W绝热压缩

W

W

如图所示，一定量的理想气体从体积膨胀到体积分别经历的过程是：等压过程，等温过程，绝热过程，其中吸热最多的过程是？热力学第一定律的应用以等温过程为参考吸热最多

下面给出理想气体状态方程的几种微分形式，指出它们各表示什么过程？（1）表示过程。（2）表示过程。（3）表示过程。等温等压等体

处于平衡态内A的热力学系统，若经准静态等容过程，变到平衡态B，将从外界吸收热量416J；若经准静态等压过程变到与平衡态B有相同温度的平衡态C，将从外界吸收热量582J，所以，从A到C的准静态等压过程中系统对外界所做的功为？

如图所示，有一定量的理想气体，从初状态开始，经过一个等容过程达到压强为的态，在经过一个等压过程达到状态，最后经等温过程完成一个循环，求该循环过程中系统对外做的功和所吸收的热量。

汽缸内有氦气，初始温度为，体积为，先将氦气定压膨胀，直至体积加倍，然后，绝热膨胀，直至回复初温为止，若把氦气视为理想气体，试求：（1）在图上大致画出气体的状态变化过程。（3）在这过程中氦气吸热多少？（2）氦气的内能变化多少？（4）氦气所做的总功？（2）（3）（4）

如图，体积为的圆柱形容器内，有一能上下自由滑动的活塞（活塞的质量和厚度可忽略），容器内盛有1摩尔、温度为的单原子分子理想气体，若容器外大气压强为1个标准大气压，气体温度为，求当容器内气体与周围达到平衡时，需向外界放热多少？末态体积：过程图5.3循环过程卡诺循环

系统经过一系列的变化状态后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程，简称循环.热力学第一定律净功特征5.3.1.循环过程AB总放热（取绝对值）总吸热在图中，若循环为顺时针，则，系统对外做功，此循环为正循环。若循环为逆时针，则系统对外做功，此循环为逆循环。热机：持续地将热量转变为功的机器.即工作物质做正循环。致冷机：通过做功将热量从从低温温传到高温的机器，或者将功变成热量。即工作物质做逆循环

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.各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机热机热机效率和致冷机的致冷系数热机效率高温热源低温热源热机（正循环）AB致冷机致冷系数致冷机（逆循环）致冷机高温热源低温热源AB

卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成.5.3.2卡诺循环

低温热源高温热源卡诺热机WABCD

1824年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环—卡诺循环.给出了热机效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理.WABCD

理想气体卡诺循环热机效率的计算

A—B

等温膨胀

B—C

绝热膨胀

C—D

等温压缩

D—A

绝热压缩卡诺循环A—B等温膨胀吸热C—D

等温压缩放热WABCD

D—A

绝热过程B—C

绝热过程

卡诺热机效率WABCD

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.

WABCD高温热源低温热源卡诺致冷机

卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数

图中两卡诺循环吗？讨论

有一卡诺热机，用空气为工作物质，工作在的高温与的低温之间，此热机的效率为？若在等温膨胀过程中汽缸的体积增大2.718倍，则此热机每一循环所作的功为？5.3热力学第二定律

1

开尔文说法：不可能制造出这样一种循环动作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化.5.3.1.热力学第二定律的两种表述

热一律阐明了热力学过程应满足能量守恒定律，但满足热一律的过程不一定能够发生，即过程进行具有一定的方向性（比如：功热转换，热传导，气体自由膨胀）。热二律阐明热力学过程进行的方向和限度。

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,但它非循环过程.12W

W低温热源高温热源卡诺热机WABCD

卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.高温热源T1第二类永动机不能制成。=0由于

=1是不可能的，效率为百分之百的热机（单热机）是不存在的。想一想：第二类永动机违反热力学第一定律吗？

虽然卡诺致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.2、克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.高温热源低温热源卡诺致冷机WABCD注意

1

热力学第二定律是大量实验和经验的总结.3热力学第二定律每一种说反映了自然界过程进行的方向性.2

热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性.

左边四图是某人设计的理想气体的四种循环过程，哪种是物理上可能实现的循环过程？

答B等温等温等温绝热绝热绝热绝热绝热绝热等体等体等压ABCD讨论准静态无摩擦过程为可逆过程

可逆过程

:在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,而不引起其它变化,这样的过程叫做可逆过程.5.3.2.可逆过程与不可逆过程

准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程.

可逆过程的条件

非准静态过程为不可逆过程.

不可逆过程：在不引起其它变化的条件下，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它变化，这样的过程叫做不可逆过程.热传导高温源低温源Q

气体自由膨胀大小V

气体混合分离混合

非自发传热自发传热高温物体低温物体

热传导

热功转换完全功不完全热

自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，都是有一定方向性的.

热力学第