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同学们好

2021/5/91第三章热力学基础结构框图热力学系统内能变化的两种量度功热量热力学第一定律热力学第二定律等值过程绝热过程循环过程卡诺循环应用（理想气体）（对热机效率的研究）2021/5/92第一节热力学第一定律一、热力学系统外界大量粒子组成的宏观、有限的体系。与热力学系统比邻的周围环境称为外界。与外界有m、E

交换与外界有E

交换，无m

交换与外界无E、m

交换开放系统孤立系统封闭系统系统绝热例开放系统封闭系统孤立系统热力学：研究热力学系统的状态及其变化的规律。2021/5/931.描述系统宏观性质的物理量：p、T、V、E...广延量强度量无可加性，如p、T平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为热力学平衡态。此时，状态参量有确定的值。二、状态参量平衡态（1）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡（2）平衡态和稳衡态

平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变

稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态2021/5/94三、准静态过程初态、末态及中间态无限接近平衡态的过程。这是一种进行得非常缓慢的过程（判据：弛豫时间）。准静态过程：热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。1.准静态过程2021/5/952.准静态过程的功注意：非静态过程不适用示功图：

p-V图上过程曲线下的面积结论：在准静态过程中，系统对外做的功在数值上等于P-V图上过程曲线下方的面积。2021/5/96思考：注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）2021/5/97四、热力学第一定律如果一个系统经过一个过程，

其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。

焦耳实验结果表明：

用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，

所需的功在实验误差范围内是相等的，

如图所示。1.焦耳实验

在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态。2021/5/982、系统的内能热量（1）系统内能

E广义：系统内所有粒子各种能量总和。包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能...等，但不包括系统整体运动的机械能。狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。实际气体理想气体2021/5/99①内能是状态函数内能变化只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。E△E②

改变内能的方式做功热传递（2）热量的计算热量：物体间由于温度差别而转移的能量热量的传递称为传热。传热有三种方式：热传导、对流、热辐射。2021/5/910摩尔热容：物质的比热容摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。注意：热量也是过程量等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）2021/5/9113.A与Q

比较改变E的方式特点能量转换量度做功热传递与宏观位移相联系通过非保守力做功实现机械运动热运动A与温差相联系通过分子碰撞实现热运动热运动Q在系统状态变化过程中，A、Q、△E之间满足一定数量关系这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转化定律热力学第一定律2021/5/9123热力学第一定律准静态过程：理想气体：微变过程：（1）热力学第一定律的数学形式2021/5/913(2)物理意义：热力学第一定律是涉及热运动和机械运动的能量转换和守恒定律。(3)其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机：系统不断经历状态变化回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。违反热力学第一定律即：AE2021/5/914第二节热力学第一定律的应用等值过程等体过程

等压过程等温过程绝热过程（1）

过程方程查理定律一、等容过程（

dV=0，V=C

)2021/5/915（2）

热力学第一定律的具体形式（3）等体摩尔热容吸热全部用于增加内能：注意：适用于一切过程2021/5/916二、等压过程

(dp=0p=C)（1）

过程方程盖.吕萨克定律（2）热力学第一定律的具体形式2021/5/917（3）等压摩尔热容由可得2021/5/918讨论：2021/5/919三、等温过程

(dT=0T=C)（1）过程方程玻意耳—马略特定律（2）热力学第一定律的具体形式吸收的热量全部用于对外做功2021/5/920四、绝热过程特点：dQ=0绝热材料快速进行（如气体自由膨胀）2021/5/921（1）过程方程热力学第一定律条件准静态：理想气体：消去dT2021/5/922消去dT令有两边同除以有两边积分，得过程方程的推导2021/5/923（2）热力学第一定律的具体形式2021/5/924*五、绝热线和等温线的比较绝热线：比等温线陡等温线：

pV=恒量双曲线过p-V图中某点（A)a.比较斜率b.比较压强变化使同一理想气体从相同初态压缩相同体积2021/5/925pVo*5.

多方过程(一般情况)2021/5/926小结：A：准静态过程非静态过程Q：等体绝热Q=0等温（准静态）等压2021/5/927练习1理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？(1)

等体加热，内能减少，压强升高(2)

等温压缩，压强升高，同时吸热(3)

等压压缩，内能增加，同时吸热(4)

绝热压缩，压强升高，内能增加答案：不可能发生的有:(1),(2),(3)2021/5/928例1.讨论理想气体在如图所示两过程中,ΔT,ΔE,A和Q的正负.判定的正负：由图知:2021/5/9292021/5/930例：有bmol理想气体，其定容摩尔热容为3R/2，若按如图所示的无摩擦准静态过程由C状态变到Z状态，求它对外所做的功和吸收的热量。2021/5/931第三节热力学第二定律一、循环过程1.定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程。准静态循环过程对应于图中的闭合曲线顺时针：正循环逆时针：逆循环OpV正逆参与循环的物质称为工作物质。2021/5/9322.循环过程的特征热力学第一定律：3.正循环及其效率dOpVabcV1V2正功负功净功AT1T2整个过程吸的净热整个过程对外做的净功d和取绝对值由于所以2021/5/933热机的能量转换:从高温热源吸热（可能不止一个）向低温热源放热（可能不止一个）对外做功效果代价热机效率:热机及其效率热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置。2021/5/934实例：蒸汽机的循环Q1Q2A1A22021/5/9354.逆循环及致冷系数OPV逆abcV1V2净功dT1T2Q1Q2A=Q1-Q2和取绝对值由于所以外界对系统做的净功2021/5/936能量转换：从低温热源吸热（效果）外界对系统做功

（代价）向高温热源放热注意：这里的Q2仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量——衡量致冷的效力致冷机及致冷系数致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。致冷系数2021/5/937实例：电冰箱Q1A2021/5/938（1）高温热源与低温热源是相对的。注意：对于热机和致冷机：正循环中，把热量传递给工作物质的热源叫高温热源；反之就是低温热源。逆循环与正循环正好相反。（2）热量逆循环（3）功正循环逆循环正循环2021/5/939季节作用低温热源高温热源效果夏天冬天冷泵（A)热泵（A)房间大气大气房间室内降温（对房间致冷)室内升温(对大气致冷)介绍：空调机的循环—

致冷机与热泵原理的结合压缩机作功，吸热传向高温热源AQ2Q1夏天AQ2Q1冬天2021/5/940二、卡诺循环

18世纪末19世纪初，蒸汽机的效率很低，不能满足资本主义大工业的需要。提高热机效率，解决动力问题就成了当时的首要任务。法国工程师卡诺认为：“要最完整地研究由热得到动力的道理，必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作”。在此思想的指导下，提出了一个十分重要的循环--卡诺循环。2021/5/9411.卡诺循环及其特点：卡诺正循环或卡诺逆循环与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）2）

不与其它热源交换能量（两个绝热过程）如何在P-V

图中表示？特点:简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的循环过程。2021/5/942高温T1低温T2高温T1低温T2Q1Q2A=Q1-Q2Q2A

Q1=A+Q2

卡诺循环过程：正循环正循环逆循环2021/5/9432.理想气体的卡诺循环1)卡诺正循环的效率等温过程：绝热过程：p2021/5/944一般地，对于一个由个分过程构成的循环有：注意：2021/5/945等温过程：绝热过程：2)

逆循环致冷系数p2021/5/946注意：2021/5/947注意：对一切循环适用只对卡诺循环适用2021/5/948练习1:20-16已知:求:

2021/5/949解：1-2:2-3:绝热膨胀2021/5/950等温压缩3-1:2021/5/951练习2.解：进行如图循环过程求：2021/5/952(2)效率2021/5/953(3)

与A内能相同的点必与A在同一条等温线上，而过A的等温线必然与CD相交。设交点为F，则所以，与A内能相同F点的状态为：2021/5/954注意是T-V

图练习3.注意是T-V

图2021/5/955总吸热总放热2021/5/956三、热力学第二定律热力学第一定律：能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律的过程都不可能发生。——第一类永动机不可能成功!是否不违反热力学第一定律的过程就一定能发生？功热转换热传导扩散…...能量转换有一定方向和限度1.自然现象的不可逆性（1）可逆过程和不可逆过程定义：设系统经历过程2021/5/957为可逆过程为不可逆过程自然界中存在大量不可逆过程：例如生物的生长发育过程、日月星辰的运行过程、化学反应过程等。大量实验事实说明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。2021/5/9582.热力学第二定律的两种典型表述及其等效性从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度。*

不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。或：*

唯一效果是热功转化的过程是不可能实现的。*

单热源热机是不可能制成的。TQA*1.开尔文表述(K)2021/5/959注意理解：

热力学第一定律和第二定律是互相独立的。比较:第一类永动机：第二类永动机：不耗能，只做功违反热力学第一定律违反热力学第二定律2021/5/960

热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功关键词：“无其它影响”热完全转变为功，而且使系统和外界均复原是不可能的。例：理想气体等温膨胀不违反热力学第二定律2021/5/961

热力学第二定律指出了热功转换的方向性功自发热100%

转换热非自发功不能100%

转换

热力学第二定律与能源危机能量做功的能力下降，能量品质下降。热力学第二定律:热力学第一定律:能量转换并守恒，何来能源危机？2021/5/962从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和限度。*热量不能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。或：*

第二类永动机是不可能成功的。*QA=0Q2.

克劳修斯表述(C)2021/5/963注意理解:

热力学第二定律指出了热传导方向性：高温自动低温低温非自动高温（外界做功）

热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体关键词：“自动”

即热量从低温物体传到高温物体不能自发进行，不产生其它影响。例：电冰箱2021/5/9643.两种表述的等效性（1）正定理：如果K成立，C一定成立逆定理：如果C成立，K一定成立（2）否定理：如果K不成立，C一定不成立逆否定理：如果C不成立，K一定不成立用反证法证明后两项可以证明，热力学第二定律的两种表述是完全等效的。2021/5/965

假设K表述不成立。则存在单热源热机，可以将热量完全转化为功而不引起其它影响