热力学基础课件

热力学基础9.1热力学第一定律9.1.1

热力学过程

开放系统:系统与外界有物质交换,功和热交换。过程：系统的状态随时间变化，系统经历一个热力学过程，简称过程。孤立系统:系统与外界间既没有物质交换,又没有功和热交换.封闭系统:系统与外界之间没有物质交换,只有功和热

交换.明白两个概念：系统、过程实际过程中，若系统状态变化的时间远远大于弛豫时间τ，可近似视为准静态过程.VpOp2p1V2V1准静态过程在p-V图中为一条连续曲线.内燃机的活塞运动速度仅每秒十余米，其内部的气体分子热运动的平均速度可达每秒数百米以上.准静态过程：当过程进行得无限缓慢时，系统的各状态就无限地接近于平衡态.气体活塞砂子A2密度大气体被迅速压缩9.1.2内能功热量

1．内能理想气体，内能只是温度的单值函数，E=E(T

)。

2．功和热量的等效性“做功”和“传热”都可以改变系统的状态，从而产生内能的变化。改变系统内能的两种不同方法：“做功”和“传热”钻木取火——通过做功的方式将机械能转换为物体的内能。烤火

——通过传递热量提高物体内能。

做功是将外界定向运动机械能转化为系统子无规则热运动能量，而传热是将外界分子无规则热运动能量转换为系统内分子无规则热运动能量.功和热量的差别：pSdl注意：做功与过程有关.3．准静态过程功气体对外界做功功为P-V曲线下V1-V2间的面积12V2V1Vpo？为变力做功系统体积膨胀dV>0，对外做正功，A>0；系统体积缩小dV<0，外界对系统做正功，系统对外做负功A<0。4．热容量

热量热容量:为系统中的物质在某一过程中，温度升高（或降低）1K，吸收（或放出）的热量.摩尔热容:

系统内物质的量为1mol时的热容，称摩尔热容.等压摩尔热容（Cp,m)──系统在压强保持不变的过程中的摩尔热容.等体摩尔热容（CV,m)──系统体积保持不变过程中的摩尔热容.

摩尔热容比（记作）(摩尔热容在温度变化的过程中为常量)温度由T1变化到T2时所吸收的热量热容量与过程有关9.1.3热力学第一定律热力学第一定律：外界向气体做功与向系统传递热量之和等于系统内能的变化量.又可表述为系统从外界吸收的热量等于系统内能增量和系统对外界做功之和.正负号规定：系统从外界吸收热量，Q为正值，即；系统向外界放热，Q为负值，即;无限小过程第一类永动机不存在.实质：包括热现象在内的能量守恒与转化定律.9.2

热力学第一定律对理想气体的应用9.2.1等体过程过程方程

常量内能增量：系统对外做功：热量：V

=常量Q请同学们自主完成以下内容过程方程：功：内能增量：热力学第一定律的形式：内能增量：等体过程的热力学第一定律:适用于其它过程在等体过程中理想气体吸收的热量全部用来增加内能.微小过程经典理论(统计和能量连续）有缺陷，需量子理论。低温时，只有平动，i=3；常温时，转动被激发，i=5；高温时，振动也被激发，i=7。氢气T(K)5/2R7/2R502701000CV3/2R

CV值和实验比较,常温（300k附近)下符合很好，而多原子分子气体则较差。pQⅠⅡ9.2.2等压过程过程p-V曲线过程方程

常量内能增量：系统做功：请同学们自主完成以下内容过程方程：功：内能增量：热力学第一定律的形式：热量：等压过程的热力学第一定律:——迈耶公式只对理想气体因为所以在等压过程中理想气体吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分用来对外做功。9.2.3等温过程恒温热源TⅠⅡ过程方程

常量系统做功：或T=恒量请同学们自主完成以下内容过程方程：功：内能增量：热力学第一定律的形式：内能增量：等温过程的热力学第一定律:等温过程系统从外界吸收的热量全部转化为对外做功.大爆炸后的宇宙温度1039K实验室能够达到的最高温度108K太阳中心的温度1.5×107K太阳表面的温度6000K地球中心的温度4000K水的三相点温度273.16K微波背景辐射温度2.7K实验室能够达到的最低温度（激光制冷）2.4×10-11K例1将500J的热量传给标准状态下的2mol氢。（1）V不变，热量变为什么？氢的温度变为多少？（2）T不变，热量变为什么？氢的p变为多少？（3）p不变，热量变为什么？氢的T

变为多少？解：（1）Q=

E，热量转变为内能Q=A，热量转变为功（2）T

不变，500J热量变为什么？氢的p变为多少？？Q=A+

E，热量转变为功和内能（3）p不变，热量变为什么？氢的T

变为多少？练习：一定量的理想气体经历acb过程时吸热500J．则经历acbda过程时，吸热为

(A)–1200J．(B)–700J．(C)–400J．(D)700J．

［B］

p(×105Pa)V(×10-3m3)abcdO14149.2.4准静态绝热过程p绝热材料

绝热过程的热力学第一定律:内能增量或功请同学们自主完成以下内容热量：内能增量：热力学第一定律的形式：功：过程方程：绝热过程方程等温线与绝热线绝热线等温线绝热过程曲线比等温过程曲线陡.绝热过程：等温过程：例

一定量的双原子分子理想气体装在封闭的汽缸里．此汽缸有可活动的活塞(活塞与气缸壁之间无摩擦且无漏气)，已知气体的初压强p1=1atm，体积V1=2L，现将该气体在等体积下加热直到压强为原来的2倍，然后作绝热膨胀，直到温度下降到初温为止。

（1）画出p-V

过程曲线；（2）试求在整个过程中气体内能的增量；（3）试求在整个过程中气体所吸收的热量；

（4）试求在整个过程中气体所作的功。

解（1）p－V图如图所示。

（3）整个过程的热量2-3为绝热过程，所以有Q23=0（2）1与3态温度相同.1atm2atm=2L

J

（4）由热力学第一定律,整个过程中气体的功为

A=Q=5.06×102

J

1atm2atm=2L特点：系统从某一状态出发，经过一系列过程，最后又回到原来的状态.规定:

顺时针的循环为正循环；反之为逆循环。A

2、循环过程功为曲线所包围的面积.9.3循环过程卡诺循环9.3.1循环过程1、⊿E=0热机：持续地将热量转变为功的机器

.

工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质.热机效率热机高温热源低温热源总吸热总放热净功1热机：工作物质作正循环的机器热一律A正还是负？冰箱循环示意图致冷机致冷系数致冷机（逆循环）致冷机高温热源低温热源AB2制冷机：工作物质作逆循环的机器正还是负？总放热总吸热例

1mol的氧气作如图所示的循环，B→A为等温过程。已知A态的压强为p1、体积为V1，设V2=2V1，求：（1）各分过程中气体从外界吸收的热量；（2）循环效率。

解：p1VV2OCBAV1p

p1VV2OCBAV1p低温热源高温热源卡诺热机ABCD1824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.

卡诺循环两个准静态等温过程两个准静态绝热过程组成9.3.2卡诺循环及其效率AAABCD

理想气体卡诺热机循环效率的计算

A—B

等温膨胀

B—C

绝热膨胀

C—D

等温压缩

D—A

绝热压缩A—B等温膨胀吸热C—D

等温压缩放热

D—A

绝热过程B—C

绝热过程AABCD

卡诺热机效率

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.AABCD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

低温热源的温度越低，ε愈小.表明在从低温热源吸热一定的情况下，需要外界做更多的功.空调9.4热力学第二定律1、功热转换：功可以自动全部转换成热。

凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程式是否都能实现呢？高温热源低温热源制冷A高温热源低温热源热机A'2、热传导：热量会自动从高温物体传向低温物体。3、气体的绝热自由膨胀9.4.1热力学第二定律自然宏观过程按一定方向进行的规律。如何精确描述？

反映自然界中宏观过程进行方向的规律为热力学第二定律.不可能从单一热源吸热，使之完全变成有用功，而

热量不可能自动地从低温物体传给高温物体。(1)开尔文表述(2)克劳修斯表述不产生其他影响.。不可能把热量从低温物体传给高温物体，而不产生其他影响。第二定律的另一种表述：第二类永动机是不可能造成的。第二定律是一个实验定律，可以有多种表述方法，但在逻辑上都是等价的。两种表述的等价性──用反证法证明（自看教材）热力学第二定律的实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.★任何一个实际宏观过程都有一定的方向性。它们可以按一定的方向自发进行，但是其逆过程是不能自发进行的。9.4.2可逆过程与不可逆过程

一个系统由某一状态出发，经过某一过程达到另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原过程称之为“可逆过程”；反之，如果用任何方法都无法使系统和外界完全复原，则原过程称之为“不可逆过程”.不可逆的原因P1A1P2A2密度小密度大活塞非常缓慢地拉动时，外界作的总功为零。可视为可逆过程。|A1|<|A2|如气体的迅速膨胀一切与热现象有关的实际宏观过程不可逆。1）准静态过程+无磨擦的过程是可逆过程。结论：2）可逆过程是理想化的过程。9.4.3卡诺定理1.在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物质，效率相等。2.在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切不可逆机的效率不可能高于可逆机的效率。

克劳修斯（1822－1888）

德国理论物理学家，他对热力学理论有杰出贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述.为了说明不可逆过程,他提出了熵的概念，并得出孤立系统的熵增加原理.他还是气体动理论的创始人之一.＊9.5熵

熵增加原理

结论

：

可逆卡诺循环中,热温比总和为零.热温比

等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比.可逆卡诺机9.5.1熵如何判断孤立系统中过程进行的方向？任一微小可逆卡诺循环对所有微小循环求和当时，则

任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成.

结论:对任一可逆循环过程,热温比之和为零.

在可逆过程中，系统从状态A改变到状态B,其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无关.据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称熵.可逆过程可逆过程

热力学系统从初态A

变化到末态B

，系统熵的增量等于初态A和末态

B之间任意一可逆过程热温比（）的积分.物理意义

熵的单位

可逆过程熵变的计算1）熵是态函数，当始末两平衡态确定后，系统的熵变也是确定的,与过程无关.因此,可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变.2）当系统分为几个部分时，各部分的熵变之和等于系统的熵变.绝热壁例

求热传导中的熵变

设在微小时间内,从A传到B的热量为.此孤立系统中不可逆过程熵是增加的.9.5.2熵增加原理熵增加原理（1）作为孤立系统自发过程进行方向的判据。当系统达到平衡态时，熵具有最大值。对孤立