大学物理课件：热力学基础

热力学基础

8.1热力学第一定律8.2理想气体的定值过程8.3绝热过程8.4循环过程卡诺循环8.5热力学第二定律卡诺

热学的发展与当年技术的进步相辅相成，是热力学与社会生产的关系的典型表现。热力学规律运用的范围已超过物理学自身，其意义渗透到社会科学的领域。热力学第一、第二定律及其典型的应用构成本章的主要内容。

一.热力学过程1.

热力学过程

系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。2.准静态过程

在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。无限缓慢进行的过程可按准静态过程处理,准静态过程是理想过程8.1热力学第一定律二.功热量内能1.功热量

做功可以改变系统的状态摩擦升温（机械功）电加热（电功）功

焦耳实验绝热壁P1FP2FxdxP0VP1V1P2V2系统作功活塞位移P1V1P2V2dV>0

đ

A>0

系统作正功dV

<0

đ

A<0

系统作负功

A气体膨胀功热量传热—改变系统状态的另一种方法

条件：系统与外界的温度不同绝热壁恒温热源TQ3.内能系统在一定状态下的能量包括所有分子的动能EK与分子间的势能EP

内能是状态量，与过程无关三.热力学第一定律

某一过程，系统从外界吸热Q，对外界做功

A，系统内能从初始态E1变为

E2，则由能量守恒：对微小过程：12E1E2注意：1.功、热量为过程量，内能为状态量2.A、Q的正负号3.适用任何系统的任何过程永动机不可能制成

历史上有不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器被称为永动机，又叫第一类永动机。

热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，它指明：热是物质运动的一种形式。这说明外界传给物质系统的能量（热量），等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。它否认了能量的无中生有，所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。

图为“魔轮”永动机图为伍斯特改进的"魔轮"

根据热力学第一定律，有解如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为p0，右边一半为真空。

例1求把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强

绝热过程自由膨胀过程因为初、末两态是平衡态，所以有

一.等体过程等体过程V一定PVOP-V图上对应一直线过程方程特点Ⅱ（P2,V1,T2)Ⅰ（P1,V1,T1)V1等体摩尔热容8.2理想气体的定值过程PVOP-V图上对应一直线过程方程1212系统做正功

Q>021系统做负功

Q<0

二.等压过程

P一定V1V2P迈耶公式：等压摩尔热容比热容比三.等温过程T一定P-V图上对应一曲线PVO过程方程V1V212例5.1质量为，温度为300K，压强为1atm的氮气，等压膨胀至原来体积的二倍。求氮气对外所做的功；内能的增量以及吸收的热量。解根据等压过程方程，有因为是双原子气体例5.2容器内储有氧气，温度为300K，等温膨胀为原来体积的二倍，求体对外所做的功和吸收的热量。解在本题中，已知氧气的质量氧的摩尔质量，则氧气中包含的摩尔数并已知温T=300K和氧气在等温过程中吸收的热量为1.等体过程V一定2.等压过程P一定3.等温过程T一定

一.绝热过程

系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。良好绝热材料包围的系统发生的过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程1.过程方程

V1V2p1p2绝热壁p8.3绝热过程泊松方程对无限小的准静态绝热过程

有V1V2p1p2绝热壁p3.绝热过程功和内能

绝热过程中，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外作功。

二.绝热线与等温线

过程曲线微分A绝热线等温线由于

＞1，所以绝热线要比等温线陡一些。VpO思考题？一定量氮气，其初始温度为300K，压强为1atm。将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的1/5.解例1求压缩后的压强和温度。A绝热线等温线VpO一.循环过程系统的状态经历一系列的变化后又回到了原状态循环过程准静态循环过程：在p—V

图上是一闭合曲线VpOⅡⅠ··A1蒸汽机：工质水锅炉冷却器汽缸泵Q1Q2´A2´8.4循环过程卡诺循环正循环(P-V图沿顺时针方向进行)逆循环(P-V图沿逆时针方向进行)（系统对外作功）ⅠⅡQ1Q2abVpO（系统对外作负功）正循环也称为热机循环逆循环也称为致冷循环··ⅠⅡQ1Q2abVpO··T1T2Q1A=Q1-Q2Q2T1T2-Q1A外Q2热机热机制冷机制冷机二.循环效率（正循环）热机效率：（逆循环）致冷系数：三.卡诺循环卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成。

卡诺热机的效率

pVabC

d绝热线

等温线

吸热

卡诺致冷机的致冷系数放热

例1.1mol氦气经图示的循环，其中p2=2p1,v2=2v1,求该的循环效率。解1234P0VP1

P2V1V2

气体经循环过程所做的净功为图中过程曲线所围面积，即由图可见在循环过程中1→2为等体升压过程,系统从外界吸热2→3

为等压膨胀过程,系统从外界吸热3→4

为等体降压过程,系统向外界放热4→5

为等压压缩过程,系统向外界放热整个循环过程吸收的总热量为其中氦气为单原子气体，自由度根据理想气体状态方程得此循环的效率为地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度为100℃，而夜间温度为

100℃，起居室温度要保持在20℃，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差0.5kW，白昼和夜间给卡诺机所供的功率。解例2求在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量Q2

，放入室外热量Q1则每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即在黑夜欲保持室内温度高，卡诺机工作于致冷机状态，从室外吸取热量Q1，放入室内热量Q2每秒钟放入室内的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即解得此种用可逆循环即是所谓的冷暖双制空调的原理。循环效率（正循环）热机效率：（逆循环）致冷系数：一.可逆过程与不可逆过程满足能量守恒的过程一定会实现吗？1.自然过程进行的方向性（1）热功转换不可逆热

刹车摩擦生热。烘烤车轮，车不开。8.5热力学第二定律（2）热传导不可逆热量不能自动从低温

高温（3）扩散不可逆自由膨胀，不可自动收缩2.可逆过程与不可逆过程(1)可逆过程其逆过程能使一切恢复原状的过程。例如:真空中的单摆,无摩擦耗散的准静态过程。理想的卡诺循环。(2)不可逆过程其逆过程不能使一切恢复原状的过程。例如:自然界的一切自发过程都是不可逆的。高处东西自由下落。气体扩散。生命的生老病死。二.热力学第二定律

描述自然宏观过程按一定方向进行的规律定律的两种表述1.开尔文表述(从热功转换的方向性)

不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化。说明(1)吸收的热量可以转化为功（热机）。(2)吸收的热量可以完全转化为功（等温膨胀）。2.克劳修斯表述

不可能把热量从低温传向高温物体而不引起其它变化。(从热传递的方向性)说明热量可以从低温物体传向高温物体(致冷机)。(2)热力学第二定律开尔文表述的另一叙述形式:第二类永动机不可能制成。热功转化具有方向性。3.两种表述等价性假设开尔文表述不成立克劳修斯表述不成立高温热源低温热源(1)假设开尔文表述不成立证明（用反证法）(2)假设克劳修斯表述不成立开尔文表述不成立类似证明克劳修斯表述不成立三.