大學(xué)普通物理教學(xué)課件第18章熱一律

1、本章主要內(nèi)容18-1 功 熱量 熱力學(xué)第一定律18-2 準(zhǔn)靜態(tài)過程18-3 熱容18-4 絕熱過程18-5 循環(huán)過程18-6 Carnot 循環(huán)18-7 致冷循環(huán)第1頁，共40頁。第十八章 熱力學(xué)第一定律研究物質(zhì)的熱現(xiàn)象的理論有兩個(gè)分支，即統(tǒng)計(jì)物理（統(tǒng)計(jì)力學(xué)）和熱力學(xué)。熱力學(xué)宏觀理論，用實(shí)驗(yàn)的方法研究宏觀熱力學(xué)系統(tǒng)（特別是氣體）所遵循的基本規(guī)律。它分為平衡態(tài)熱力學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)。 本章主要介紹平衡態(tài)熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)知識(shí)，即熱力學(xué)第一定律。它其實(shí)是能量守恒定律在熱學(xué)中的形式。與統(tǒng)計(jì)物理不同，熱力學(xué)不涉及微觀領(lǐng)域的分子原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但它的一些結(jié)果與統(tǒng)計(jì)物理的一致。第2頁，共40頁。18-1 功

2、 熱量 熱力學(xué)第一定律Work and Quantity of Heat 第3頁，共40頁。功、熱量、熱力學(xué)第一定律實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，可以通過外界對(duì)其做功的方式改變系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)。 宏觀功：系統(tǒng)的邊界發(fā)生宏觀位移。如：壓縮活塞使汽缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)和溫度升高等。表現(xiàn)為宏觀的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。外界對(duì)系統(tǒng)做的宏觀功簡(jiǎn)稱為功。A 微觀功：系統(tǒng)的邊界未發(fā)生宏觀位移。如：熱鍋（外界）的分子通過不斷碰撞對(duì)冷水分子做功。表現(xiàn)為外界的內(nèi)能傳遞給系統(tǒng)（前提是溫度不同)。這種內(nèi)能傳遞的過程稱為熱傳遞，而所傳遞的能量叫熱量。Q第4頁，共40頁。由上述知，做（宏觀）功和熱傳遞都可以改變熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能。這三者的關(guān)

3、系在熱力學(xué)領(lǐng)域中就是： 熱力學(xué)第一定律：在一給定過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做的功和傳給系統(tǒng)的熱量之和等于系統(tǒng)的內(nèi)能的增量。如果以A表示過程中系統(tǒng)對(duì)外界做的功，由于A=A，則或說明： 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的具體表現(xiàn)。它適合于任何熱力學(xué)系統(tǒng)的任何熱力學(xué)過程。 Q 0 表示系統(tǒng)吸熱，Q 0 表示系統(tǒng)對(duì)外做正功， A 0時(shí)， 0，(dx 0)；系統(tǒng)對(duì)外界作正功。當(dāng) dV 0時(shí)， 0，(dx 1，絕熱線比等溫線更陡證第21頁，共40頁。 推導(dǎo)理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)過程方程： 由熱力學(xué)第一定律 ， 返回由理想氣體狀態(tài)方程 ,求全微分有：消去 dT，得兩邊同除以 得： 將 代入，得將 代入，得積分，得第

4、22頁，共40頁。 例1 證明理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱線比等溫線要陡。 解：考慮等溫線與絕熱線的交點(diǎn) (p0,V0)。 對(duì)等溫線 (p0,V0)對(duì)絕熱線 注：對(duì)理想氣體，由 Mayer 公式 g 1。實(shí)際上，對(duì)任何氣體均有 g 1。因等體條件下，溫度升高K時(shí)；而等壓條件下，溫度升高K時(shí)，不僅要有dE 量的內(nèi)能增加，而且 ，故返回第23頁，共40頁。例 一定質(zhì)量的理想氣體，從初態(tài) (p1, V1)開始，經(jīng)過準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程，體積膨脹到V2，求在這一過程中氣體對(duì)外做的功。設(shè)該氣體的比熱比為 。 解：由Poisson方程，有由熱力學(xué)第一定律，有第24頁，共40頁。例3 設(shè)有摩爾數(shù)為 n 的理想氣體，定體摩

5、爾熱容和定壓摩爾熱容為 CV 和 Cp ( g = CV/Cp)，其初態(tài)和終態(tài)的狀態(tài)參量用 (p1,V1,T1) 和(p1,V1,T1) 表示。 試完成下列表格（所有過程均為準(zhǔn)靜態(tài)）：過程方程等體過程等壓等溫絕熱第25頁，共40頁。 氣體的自由膨脹過程 2. 絕熱自由膨脹和絕熱節(jié)流過程絕熱自由膨脹和絕熱節(jié)流過程是非準(zhǔn)靜態(tài)的絕熱過程。絕熱壁對(duì)于理想氣體：E = E(T) ，有 T1 = T2。對(duì)于實(shí)際氣體：E = E(T) ？ 氣體的絕熱節(jié)流過程多孔塞節(jié)流閥 通過節(jié)流過程，實(shí)際氣體溫度改變的現(xiàn)象叫Joule-Thomson效應(yīng)。 正 J-T效應(yīng)：即節(jié)流后氣體溫度降低。以此來擲去液態(tài) CO2、空氣

6、等。第26頁，共40頁。18-5 循環(huán)過程Cyclic Process第27頁，共40頁。 所謂熱機(jī)（Engine）就是把熱量轉(zhuǎn)化為有用的功的裝置。熱機(jī)中必須有工作物質(zhì)（即熱力學(xué)系統(tǒng)），靠工作物質(zhì)從熱源吸收熱量，再利用系統(tǒng)的體積膨脹對(duì)外做功。 蒸汽機(jī)的水蒸氣、內(nèi)燃機(jī)的霧化的燃油和助燃?xì)怏w混合物等。 循環(huán)過程系統(tǒng)（即工作物質(zhì)）經(jīng)歷一系列變化后回到初始狀態(tài)的整個(gè)過程。 熱力學(xué)理論最初是在研究熱機(jī)工作過程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。熱機(jī)（蒸汽機(jī)）工作原理圖：泵鍋爐汽缸冷凝器水箱第28頁，共40頁。 準(zhǔn)靜態(tài)的循環(huán)過程在 p-V 圖上的表示： 對(duì)于正循環(huán)，閉合曲線的面積表示凈功 A 。正循環(huán)的一般特征如圖，因此 A = Q1 - Q2（凈吸熱）正循環(huán)順時(shí)針（熱機(jī)）逆循環(huán)逆時(shí)針（致冷機(jī)）低溫?zé)釒旄邷責(zé)釒炱渲?Q1 = |Q1| 吸熱（從高溫?zé)釒欤?Q2 = |Q2| 放熱（向低溫?zé)釒欤〢 0 A 0冰箱原理示意圖：abcd散熱器高壓縮機(jī)蒸發(fā)器冷庫節(jié)流閥 Q1Q2第37頁，共40頁。以理想氣體為工作物質(zhì)的準(zhǔn)靜態(tài) Carnot 逆循環(huán)的致冷系數(shù)： 定義：致冷系數(shù) w實(shí)例：