第三熱力學(xué)第一定律

第三熱力學(xué)第一定律演示文稿當(dāng)前1頁，總共112頁。（優(yōu)選）第三熱力學(xué)第一定律當(dāng)前2頁，總共112頁。如果其中有一個狀態(tài)為非平衡態(tài)，則此過程為非準靜過程。如果系統(tǒng)進行的速度過快，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化后，還未來得及恢復(fù)新的平衡態(tài)，系統(tǒng)又發(fā)生了變化，則該過程為非準靜過程。例如：氣缸活塞壓縮的速度過快，氣體的狀態(tài)發(fā)生變化，還來不及恢復(fù)，P、V、T無確定關(guān)系，則此過程為非準靜過程。當(dāng)前3頁，總共112頁。

對非常緩慢的過程可近似認為是準靜態(tài)過程。準靜態(tài)過程中氣體的各狀態(tài)參量都有確定的值，可在P~V

圖上作出連續(xù)的過程曲線。當(dāng)前4頁，總共112頁。如果過程進行的時間t>可視為準靜過程；如果過程進行的時間t<則為非準靜過程；系統(tǒng)來得及恢復(fù)平衡態(tài)。系統(tǒng)來不及恢復(fù)平衡態(tài)。馳豫時間系統(tǒng)從非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)所用的時間。當(dāng)前5頁，總共112頁。

1.功是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。系統(tǒng)作功是通過物體作宏觀位移來完成的。例如：氣缸內(nèi)的氣壓大于外界大氣壓，氣體膨脹推動氣缸活塞對外作功。二、功2.氣體作功的計算由功的定義：當(dāng)前6頁，總共112頁。如果體積變化從V1—V2，在整個過程中氣體作功為：元功壓強當(dāng)前7頁，總共112頁。3.在P-V圖中曲線下的面積為功曲線下的面積：功的大小不僅取決于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，且與系統(tǒng)經(jīng)歷的過程有關(guān).4.功是過程量當(dāng)前8頁，總共112頁。從圖中可看出，1-2與1-1’-2兩個過程的始末狀態(tài)相同，但過程曲線不同，兩條曲線下的面積不同，則作功也不同。當(dāng)前9頁，總共112頁。熱量是高溫物體向低溫物體傳遞的能量。熱量是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，是過程量。如一杯80oC的熱水，向周圍溫度較低的空氣放出熱量，這是一個過程，而說這杯水具有多少熱量是錯的，具有的是內(nèi)能，當(dāng)水溫度下降時，內(nèi)能也減小。2.熱量與溫度的區(qū)別熱量是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，是過程量。溫度反映物體冷熱程度，是分子平均平動動能的標(biāo)志，是狀態(tài)量。1.概念§2熱量當(dāng)前10頁，總共112頁。c是比熱：1kg物質(zhì)升高1oC吸收的熱量；Mc是熱容：Mkg物質(zhì)升高1oC吸收的熱量；定義

c

為摩爾熱容：1mol氣體升高1

oC所吸收的熱量。熱量摩爾熱容還可寫成1mol物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量。3.熱量的計算當(dāng)前11頁，總共112頁。

對于固體吸熱體積變化很小，用一個比熱即可。而氣體吸熱后，對不同的過程吸熱也不一樣。因此對不同過程引入不同的摩爾熱容。等容過程：引入等容摩爾熱容CV，表示在等容過程中，1mol氣體升高單位溫度所吸收的熱量。符號表示“元”，因為Q不是狀態(tài)函數(shù)，不能寫成全微分d。當(dāng)前12頁，總共112頁。等壓過程：引入等壓摩爾熱容CP，表示在等壓過程中，1mol氣體升高單位溫度所吸收的熱量。熱量熱量當(dāng)前13頁，總共112頁。

熱力學(xué)第一定律實際上是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。一、規(guī)定內(nèi)能增量、功、熱量的正負1.內(nèi)能增量系統(tǒng)溫度升高系統(tǒng)溫度降低2.功體積膨脹系統(tǒng)對外界做正功。體積收縮系統(tǒng)對外界做負功?！?熱力學(xué)第一定律當(dāng)前14頁，總共112頁?；蛲饨鐚ο到y(tǒng)作功。3.熱量系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱二、熱力學(xué)第一定律

設(shè)一熱力學(xué)系統(tǒng)，初始時內(nèi)能為E1，如果系統(tǒng)吸熱，使系統(tǒng)內(nèi)能增加到E2，系統(tǒng)對外作功A。當(dāng)前15頁，總共112頁。系統(tǒng)由能量守恒與轉(zhuǎn)換定律1.熱力學(xué)第一定律

系統(tǒng)吸收的熱量，轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)的內(nèi)能和系統(tǒng)對外做的功。2.熱力學(xué)第一定律對微小過程的應(yīng)用當(dāng)前16頁，總共112頁。符號表示“元”，因為Q、W不是狀態(tài)函數(shù)，不能寫成全微分d。3.明確幾點①.注意內(nèi)能增量、功、熱量的正負規(guī)定。②.熱—功轉(zhuǎn)換不是直接進行的，而是間接的，內(nèi)能是傳遞工具。系統(tǒng)吸熱后，先使內(nèi)能增加，再通過降低內(nèi)能對外作功。由，當(dāng)前17頁，總共112頁。③.熱力學(xué)第一定律是從實驗中總結(jié)出來的。外界對系統(tǒng)作功，使內(nèi)能增加，再通過內(nèi)能降低，系統(tǒng)放熱。所以內(nèi)能是傳遞工具。第一類永動機：即不從外界吸收能量，而不斷對外作功的機械。第一類永動機違反能量守恒定律,即熱力學(xué)第一定律------------------不可能制造出來。當(dāng)前18頁，總共112頁。等容過程也稱等體過程。1.過程特點系統(tǒng)的體積不變2.過程方程3.過程曲線§4熱力學(xué)第一定律在等值過程中的應(yīng)用一、等容過程當(dāng)前19頁，總共112頁。4.內(nèi)能增量5.功由于等容過程體積不變，P~V

圖曲線下的面積為0，氣體作功為0。6.熱量7.熱力學(xué)第一定律應(yīng)用當(dāng)前20頁，總共112頁。等容摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子氣體意義：等容過程系統(tǒng)吸熱全部轉(zhuǎn)變成內(nèi)能。多原子分子氣體當(dāng)前21頁，總共112頁。內(nèi)能增量又可寫成

此公式不僅適用于等容過程，對任何過程都適用。當(dāng)前22頁，總共112頁。二、等壓過程1.過程特點系統(tǒng)的壓強不變2.過程方程3.過程曲線當(dāng)前23頁，總共112頁。4.內(nèi)能增量5.功6.熱量7.熱力學(xué)第一定律應(yīng)用壓強不變當(dāng)前24頁，總共112頁。等壓摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子氣體Mayer邁耶公式當(dāng)前25頁，總共112頁。多原子分子氣體CP>CV的物理意義:

1mol理想氣體溫度升高1oC，對于等容過程,體積不變吸熱只增加系統(tǒng)內(nèi)能，而對于等壓過程除了增加系統(tǒng)內(nèi)能外，還要對外作功，所吸收的熱量要更多一些。當(dāng)前26頁，總共112頁。三、等溫過程1.過程特點系統(tǒng)的溫度不變2.過程方程3.過程曲線恒溫源當(dāng)前27頁，總共112頁。4.內(nèi)能增量5.功由理想氣體狀態(tài)方程等溫過程的功（1）當(dāng)前28頁，總共112頁。由過程方程則等溫過程的功（2）7.熱力學(xué)第一定律應(yīng)用等溫過程則意義：等溫過程系統(tǒng)吸熱全部用來對外作功。當(dāng)前29頁，總共112頁。四、絕熱過程1.過程特點系統(tǒng)與外界絕熱。無熱量交換。絕熱材料系統(tǒng)對外作功全部靠內(nèi)能提供。絕熱過程摩爾熱容為0。當(dāng)前30頁，總共112頁。2.內(nèi)能增量3.熱力學(xué)第一定律應(yīng)用

絕熱過程系統(tǒng)對外作功，全部是靠降低系統(tǒng)內(nèi)能實現(xiàn)的。絕熱過程當(dāng)前31頁，總共112頁。4.功由和上下同除以CV

,（1）當(dāng)前32頁，總共112頁。定義摩爾熱容比

則（2）由（3）有氣體絕熱膨脹氣體絕熱壓縮當(dāng)前33頁，總共112頁。例如壓縮空氣從噴嘴中急速噴出，氣體絕熱膨脹，溫度下降，甚至液化。再如氣缸活塞急速下壓，氣體絕熱壓縮,溫度升高，使乙醚燃燒。比熱比

—摩爾熱容比單原子分子氣體當(dāng)前34頁，總共112頁。5.過程方程由熱力學(xué)第一定律的微小過程應(yīng)用公式雙原子分子氣體多原子分子氣體當(dāng)前35頁，總共112頁。由理想氣體狀態(tài)方程（2）全微分（3）（3）-（1）式（1）兩邊乘R有當(dāng)前36頁，總共112頁。由和兩邊同除以PV當(dāng)前37頁，總共112頁。積分（4）由（2）式與（4）消P（5）由（2）式與（4）消V（6）范圍：只適用于準靜態(tài)過程。當(dāng)前38頁，總共112頁。6.過程曲線將絕熱線與等溫線比較(P-V圖上)。①.等溫線斜率②.絕熱線斜率全微分斜率當(dāng)前39頁，總共112頁。全微分絕熱線斜率與等溫線斜率比較絕熱線斜率是等溫線斜率的倍。絕熱線要比等溫線陡。意義：對于相同體積變化，等溫過程對外當(dāng)前40頁，總共112頁。作功溫度不變，系統(tǒng)從外界吸收熱量，壓強P下降較慢；對于絕熱過程，系統(tǒng)對外作功全部靠內(nèi)能提供，所以壓強下降得較快，曲線較陡。例：討論下列幾個過程溫度變化、內(nèi)能增量、功、熱量的正負。當(dāng)前41頁，總共112頁。1.等容降壓過程；2.等壓壓縮過程；3.絕熱膨脹過程；4.未知過程與等溫線有兩個交點。解答：1.等容降壓過程曲線下面積為0由當(dāng)前42頁，總共112頁。由熱力學(xué)第一定律2.等壓壓縮過程體積收縮，曲線下面積為負值。由放熱過程當(dāng)前43頁，總共112頁。由熱力學(xué)第一定律放熱3.絕熱膨脹過程由熱力學(xué)第一定律當(dāng)前44頁，總共112頁。4.未知過程與等溫線有兩個交點由于1、2點在等溫線上，由熱力學(xué)第一定律放熱當(dāng)前45頁，總共112頁。自由膨脹

特點：迅速來不及與外界交換熱量則Q=0

非準靜態(tài)過程無過程方程

辦法：只能靠普遍的定律（熱律）自由膨脹絕熱熱律當(dāng)前46頁，總共112頁。自由膨脹理氣狀態(tài)方程能量守恒由因為自由膨脹所以系統(tǒng)對外不作功即得當(dāng)前47頁，總共112頁。自由膨脹能量守恒思考：初態(tài)和末態(tài)溫度相同理氣當(dāng)前48頁，總共112頁。19.一定質(zhì)量的理想氣體,由狀態(tài)a經(jīng)b到達c,（如圖,abc為一直線）求此過程中。（1）氣體對外做的功；（2）氣體內(nèi)能的增加；（3）氣體吸收的熱量；(1atm=1.013×105Pa).當(dāng)前49頁，總共112頁。當(dāng)前50頁，總共112頁。1.循環(huán)過程:系統(tǒng)經(jīng)歷一系列熱力學(xué)過程后又回到初態(tài)2.能量特點

§6循環(huán)過程一、熱機循環(huán)與制冷循環(huán)當(dāng)前51頁，總共112頁。循環(huán)曲線所包圍的面積為系統(tǒng)做的凈功。循環(huán)曲線為閉合曲線。4.正循環(huán)與逆循環(huán)正循環(huán)循環(huán)曲線順時針。系統(tǒng)吸熱，對外做正功；返回時，系統(tǒng)放熱，對外做負功；循環(huán)面積為正值。正循環(huán)熱機3.循環(huán)曲線的特點當(dāng)前52頁，總共112頁。逆循環(huán)逆循環(huán)循環(huán)曲線逆時針。系統(tǒng)吸熱，對外做正功；返回時，系統(tǒng)放熱，對外做負功；循環(huán)面積為負值。制冷機當(dāng)前53頁，總共112頁。二、熱機效率1.什么是熱機

把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置稱為熱機，如蒸汽機、汽車發(fā)動機等。2.熱機工作特點需要一定工作物質(zhì)。需要兩個熱源。熱機是正循環(huán)工作的。正循環(huán)當(dāng)前54頁，總共112頁。3.工作示意圖高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2熱機從高溫?zé)嵩次崃?，一部分轉(zhuǎn)變成功，另一部分放到低溫?zé)嵩础?.熱機效率由能量守恒

如果從高溫源吸取的熱量轉(zhuǎn)變成功越多，則熱機效率就越大。當(dāng)前55頁，總共112頁。熱機效率通常用百分數(shù)來表示。說明:Q1是系統(tǒng)在一個循環(huán)中吸收的總熱量,Q2是放出的總熱量,

二者均為絕對值W是系統(tǒng)對外做的凈功W=Q1-Q2當(dāng)前56頁，總共112頁。三、致冷機

致冷機是逆循環(huán)工作的，是通過外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中。使低溫源溫度降低。逆循環(huán)例如：電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機。當(dāng)前57頁，總共112頁。高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩21.工作示意圖致冷機是通過外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中，使低溫?zé)嵩礈囟冉档汀?.致冷系數(shù)如果外界做一定的功，從低溫源吸取的熱量越多，致冷效率越大。室外室內(nèi)當(dāng)前58頁，總共112頁。由能量守恒電冰箱的工作物質(zhì)為氟里昂12(CCL2F2)，氟里昂對大氣的臭氧層有破壞的作用，2005年我國將停止使用氟里昂作致冷劑。以保護臭氧層。溴化鋰致冷和半導(dǎo)體致冷已進入市場。當(dāng)前59頁，總共112頁。例1：一熱機以1mol雙原子分子氣體為工作物質(zhì)，循環(huán)曲線如圖所示，其中AB為等溫過程，TA=1300K，TC=300K。求①.各過程的內(nèi)能增量、功、和熱量；②.熱機效率。

解:①A-B為等溫膨脹過程當(dāng)前60頁，總共112頁。B-C為等壓壓縮過程吸熱當(dāng)前61頁，總共112頁。放熱當(dāng)前62頁，總共112頁?；蛴蔁崃W(xué)第一定律C-A為等容升壓過程放熱當(dāng)前63頁，總共112頁。②.熱機效率一個循環(huán)中的內(nèi)能增量為：經(jīng)過一個循環(huán)內(nèi)能不變。吸熱當(dāng)前64頁，總共112頁。當(dāng)前65頁，總共112頁。1.卡諾循環(huán)是由兩條等溫線和兩條絕熱線組成的循環(huán)。2.需要兩個熱源，高溫源T1和低溫源T2。3.不計摩擦、熱損失及漏氣，視為理想熱機。4.熱機效率為五、卡諾循環(huán)當(dāng)前66頁，總共112頁。1-2等溫膨脹過程吸熱3-4等溫收縮過程放熱當(dāng)前67頁，總共112頁。2-3與4-1為絕熱過程當(dāng)前68頁，總共112頁。2-3絕熱膨脹過程4-1絕熱收縮過程上兩式相比即當(dāng)前69頁，總共112頁。討論1.卡諾機必須有兩個熱源。熱機效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩熱源溫度有關(guān)。2.熱機效率不能大于1或等于1，只能小于1。當(dāng)前70頁，總共112頁。如果為1則現(xiàn)在的技術(shù)還不能達到絕對0K；或這是不能實現(xiàn)的，因此熱機效率只能小于1。如果大于1，W>Q吸

則違反了能量守恒定律。當(dāng)前71頁，總共112頁。3.提高熱機效率的方法。使越小越好，但低溫?zé)嵩吹臏囟葹橥饨绱髿獾臏囟炔灰巳藶榈馗淖?，只能提高高溫?zé)嵩礈囟?。要求記住卡諾循環(huán)的三個特點1.2.絕熱曲線下的面積相等3.卡諾熱機效率在所有可能熱機中效率最大當(dāng)前72頁，總共112頁。高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2當(dāng)前73頁，總共112頁。高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2室內(nèi)制冷系數(shù):當(dāng)前74頁，總共112頁。本章小結(jié)習(xí)題課當(dāng)前75頁，總共112頁。當(dāng)前76頁，總共112頁。當(dāng)前77頁，總共112頁。1.熱機效率2.致冷系數(shù)3.卡諾機效率當(dāng)前78頁，總共112頁。例1：兩個循環(huán)過程，過程2

1—2等溫、2—3’等容、3’—4等壓、4—1絕熱。過程1

1—2等溫、2—3絕熱、3—4等壓、4—1絕熱。試比較哪個過程熱機效率高。當(dāng)前79頁，總共112頁。兩個過程吸熱是一樣的，但循環(huán)面積不同，循環(huán)過程作功不同，解答：當(dāng)前80頁，總共112頁。例2：質(zhì)量M=28

g,溫度t=27°C，P=1atm

的氮氣，先使其等壓膨脹到原來體積的2倍，再由體積不變的情況下，使壓強增大1倍，最后作等溫膨脹使壓強降為1atm。①.1、2、3、4態(tài)的狀態(tài)參量P、V、T。②.各過程中的內(nèi)能增量、功、熱量。求:當(dāng)前81頁，總共112頁。解：①M=28

g注明:P的單位為atm,應(yīng)該為國際單位當(dāng)前82頁，總共112頁。1-2等壓膨脹過程或當(dāng)前83頁，總共112頁。2-3等容升壓過程當(dāng)前84頁，總共112頁。3-4等溫膨脹過程當(dāng)前85頁，總共112頁。例3：一定量的單原子分子理想氣體，從初態(tài)A出發(fā)，沿圖示直線過程變到另一狀態(tài)B，又經(jīng)過等容、等壓兩過程回到狀態(tài)A。求:（1）.A—B，B—C，C—A各過程中系統(tǒng)對外所作的功W，內(nèi)能增量及所吸收的熱量Q。當(dāng)前86頁，總共112頁。（2）.整個循環(huán)過程中系統(tǒng)對外所作的總功以及總熱量。解：(1)A—B過程（3）.熱機效率。當(dāng)前87頁，總共112頁。B—C過程當(dāng)前88頁，總共112頁。C—A過程當(dāng)前89頁，總共112頁。（3）熱機效率總功總熱量（2）當(dāng)前90頁，總共112頁。1.汽缸內(nèi)貯有36g水蒸汽(視為理想氣體),經(jīng)abcda循環(huán)過程如圖所示.其中a-b、c-d為等容過程,b-c等溫過程,d-a等壓過程.試求:(1)Wda=?(2)DEab=?(3)循環(huán)過程水蒸氣作的凈功W=?(4)循環(huán)效率h=?(注:循環(huán)效率h=W/Q1,W為循環(huán)過程水蒸汽對外作的凈功,Q1

為循環(huán)過程水蒸氣吸收的熱量,1atm=1.013105Pa)

當(dāng)前91頁，總共112頁。解:水的質(zhì)量水的摩爾質(zhì)量當(dāng)前92頁，總共112頁。當(dāng)前93頁，總共112頁。3.如圖所示，abcda為1mol單原子分子理想氣體的循環(huán)過程，求：(1)氣體循環(huán)一次，在吸熱過程中從外界共吸收的熱量；(2)氣體循環(huán)一次做的凈功；(3)證明TaTc=TbTd。當(dāng)前94頁，總共112頁。所吸熱為解：（１）過程ab和bc為吸熱過程。當(dāng)前95頁，總共112頁。(2)氣體循環(huán)一次做的凈功為圖中矩形面積當(dāng)前96頁，總共112頁。(3)證明TaTc=TbTd當(dāng)前97頁，總共112頁。4.如圖示，有一定量的理想氣體，從初狀態(tài)a（P1,V1）開始，經(jīng)過一個等容過程達到壓強為P1/4的b態(tài)，再經(jīng)過一個等壓過程達到狀態(tài)c,最后經(jīng)等溫過程而完成一個循環(huán)，求該循環(huán)過程中系統(tǒng)對外作的功W和凈吸熱量Q。當(dāng)前98頁，總共112頁。解：設(shè)狀態(tài)C的體積為V2，則由a、c兩狀態(tài)的溫度相同，故有，又：循環(huán)過程而在ab等容過程中功在bc等壓過程中功當(dāng)前99頁，總共112頁。在ca的過程在整個循環(huán)過程系統(tǒng)對外作的功和吸收的熱量為負號說明外界對系統(tǒng)作功、系統(tǒng)對外放熱。當(dāng)前100頁，總共112頁。6.0.02kg的氦氣（視為理想氣體）,溫度由17°C升為27°C,若在升溫過程中,（1）體積保持不變；（2）壓強保持不變；（3）不與外界交換熱量,試分別求出氣體內(nèi)能的改變、吸收的熱量、外界對氣體作的功。當(dāng)前101頁，總共112頁。當(dāng)前102頁，總共112頁。7.一定量的剛性雙原子分子氣體,開始時處于壓強為P0=1.0×105Pa