物理課件章熱力學(xué)基礎(chǔ)

第5章熱力學(xué)基礎(chǔ)5.1熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)從A

狀態(tài)變化到B

狀態(tài)，可以采用做功和傳熱的方法，不管經(jīng)過(guò)什么過(guò)程，只要始末狀態(tài)確定，做功Q和傳熱W之和保持不變.2AB1**2AB1**5.1.1熱量,功和熱力學(xué)能系統(tǒng)熱力學(xué)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)。熱力學(xué)能

:

表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù),理想氣體的熱力學(xué)能僅是溫度的函數(shù).2AB1**2AB1**5.1.2熱力學(xué)第一定律

系統(tǒng)從外界吸收的熱量,一部分使系統(tǒng)的熱力學(xué)能增加,另一部分使系統(tǒng)對(duì)外界做功.微小過(guò)程12**1）能量轉(zhuǎn)換和守恒定律.第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的.2）實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，自然界的普遍規(guī)律.+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對(duì)外界做功外界對(duì)系統(tǒng)做功第一定律的符號(hào)規(guī)定物理意義5.1.3準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（理想化的過(guò)程）

從一個(gè)平衡態(tài)到另一平衡態(tài)所經(jīng)過(guò)的每一中間狀態(tài)均為平衡態(tài)的過(guò)程.氣體活塞砂子12一.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

對(duì)非常緩慢的過(guò)程可近似認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。例如氣缸活塞的速度大約為10m/s,而氣缸內(nèi)氣體密度、壓強(qiáng)趨于均勻的過(guò)程以聲速進(jìn)行，此時(shí)則可看成是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。例如：氣缸活塞壓縮的速度過(guò)快，氣體的狀態(tài)發(fā)生變化，還來(lái)不及恢復(fù)，P、V、T無(wú)確定關(guān)系，則此過(guò)程為非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可以用系統(tǒng)的狀態(tài)圖表示，如：在狀態(tài)圖中，任何一點(diǎn)都表示系統(tǒng)的一個(gè)平衡態(tài)。任何一條曲線都可以表示一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。二.功（過(guò)程量）

功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引起系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功的計(jì)算注意：作功與過(guò)程有關(guān).宏觀運(yùn)動(dòng)能量熱運(yùn)動(dòng)能量在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(guò)程有關(guān)。功是過(guò)程量注意功的正負(fù)規(guī)定：體積膨脹，則系統(tǒng)對(duì)外界做正功，外界對(duì)系統(tǒng)做負(fù)功。體積減小，則系統(tǒng)對(duì)外界做負(fù)功，外界對(duì)系統(tǒng)做正功。注意分清系統(tǒng)對(duì)外界做功還是外界對(duì)系統(tǒng)做功。

的理想氣體，在保持溫度不變的情況下，體積從經(jīng)過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程變化到，求在這一過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外界做的功？計(jì)算各等值過(guò)程的熱量、功和熱力學(xué)能的理論基礎(chǔ)（1）（理想氣體的共性）（2）解決過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題（3）（理想氣體的狀態(tài)函數(shù)）

（4）各等值過(guò)程的特性.5.1.4理想氣體的等體,等壓和等溫過(guò)程一.等體過(guò)程等體摩爾熱容量熱力學(xué)第一定律單位特性

定體摩爾熱容:

理想氣體在等體過(guò)程中吸收的熱量，使溫度升高,其定體摩爾熱容為過(guò)程方程熱力學(xué)第一定律

等體升壓

12

等體降壓

12注意：此式對(duì)任意的熱力學(xué)過(guò)程都是適用的！？因?yàn)闊崃W(xué)能的變化跟過(guò)程無(wú)關(guān)，是狀態(tài)量。12二.等壓過(guò)程

定壓摩爾熱容熱一律特性

功

定壓摩爾熱容:

理想氣體在等壓過(guò)程中吸收的熱量，溫度升高，其定壓摩爾熱容為W過(guò)程方程

可得定壓摩爾熱容和定體摩爾熱容的關(guān)系

摩爾熱容比

12W等壓膨脹12W等壓壓縮

W

W12三.等溫過(guò)程熱力學(xué)第一定律特征恒溫?zé)嵩碩過(guò)程方程12等溫膨脹W12W等溫壓縮

W

W

通過(guò)傳熱方式傳遞能量的量度，系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞.1）過(guò)程量：與過(guò)程有關(guān)；2）等效性：改變系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用相同；

宏觀運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)功分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)熱量3）功與熱量的物理本質(zhì)不同.1卡

=4.18J，1J=0.24

卡功與熱量的異同5.1.5氣體的摩爾熱容熱量的計(jì)算c是比熱：1kg物質(zhì)升高1

oC吸收的熱量；Mc是熱容：Mkg物質(zhì)升高1

oC吸收的熱量；摩爾熱容還可定成

對(duì)于固體吸熱體積變化很小，用一個(gè)比熱即可。而氣體吸熱后，對(duì)不同的過(guò)程吸熱也不一樣。因此對(duì)不同過(guò)程引入不同的摩爾熱容。等容過(guò)程：引入等容摩爾熱容CV，表示在等容過(guò)程中，1mol氣體升高單位溫度所吸收的熱量。符號(hào)表示“元”，因?yàn)镼不是狀態(tài)函數(shù)，不能寫(xiě)成微分。等壓過(guò)程：引入等壓摩爾熱容CP，表示在等壓過(guò)程中，1mol氣體升高單位溫度所吸收的熱量。熱量熱量注意熱量的正負(fù)規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)125.1.6理想氣體的絕熱過(guò)程與外界無(wú)熱量交換的過(guò)程特征絕熱的汽缸壁和活塞熱一律12W由熱力學(xué)第一定律有

絕熱過(guò)程方程的推導(dǎo)絕熱方程分離變量得12絕熱線和等溫線絕熱過(guò)程曲線的斜率等溫過(guò)程曲線的斜率ABC

絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.12W絕熱膨脹12W絕熱壓縮

W

W

如圖所示，一定量的理想氣體從體積膨脹到體積分別經(jīng)歷的過(guò)程是：等壓過(guò)程，等溫過(guò)程，絕熱過(guò)程，其中吸熱最多的過(guò)程是？熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用以等溫過(guò)程為參考吸熱最多

下面給出理想氣體狀態(tài)方程的幾種微分形式，指出它們各表示什么過(guò)程？（1）表示過(guò)程。（2）表示過(guò)程。（3）表示過(guò)程。等溫等壓等體

處于平衡態(tài)內(nèi)A的熱力學(xué)系統(tǒng)，若經(jīng)準(zhǔn)靜態(tài)等容過(guò)程，變到平衡態(tài)B，將從外界吸收熱量416J；若經(jīng)準(zhǔn)靜態(tài)等壓過(guò)程變到與平衡態(tài)B有相同溫度的平衡態(tài)C，將從外界吸收熱量582J，所以，從A到C的準(zhǔn)靜態(tài)等壓過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外界所做的功為？

如圖所示，有一定量的理想氣體，從初狀態(tài)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一個(gè)等容過(guò)程達(dá)到壓強(qiáng)為的態(tài)，在經(jīng)過(guò)一個(gè)等壓過(guò)程達(dá)到狀態(tài)，最后經(jīng)等溫過(guò)程完成一個(gè)循環(huán)，求該循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外做的功和所吸收的熱量。

汽缸內(nèi)有氦氣，初始溫度為，體積為，先將氦氣定壓膨脹，直至體積加倍，然后，絕熱膨脹，直至回復(fù)初溫為止，若把氦氣視為理想氣體，試求：（1）在圖上大致畫(huà)出氣體的狀態(tài)變化過(guò)程。（3）在這過(guò)程中氦氣吸熱多少？（2）氦氣的內(nèi)能變化多少？（4）氦氣所做的總功？（2）（3）（4）

如圖，體積為的圓柱形容器內(nèi)，有一能上下自由滑動(dòng)的活塞（活塞的質(zhì)量和厚度可忽略），容器內(nèi)盛有1摩爾、溫度為的單原子分子理想氣體，若容器外大氣壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣體溫度為，求當(dāng)容器內(nèi)氣體與周?chē)_(dá)到平衡時(shí)，需向外界放熱多少？末態(tài)體積：過(guò)程圖5.3循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列的變化狀態(tài)后，又回到原來(lái)的狀態(tài)的過(guò)程叫熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程，簡(jiǎn)稱循環(huán).熱力學(xué)第一定律凈功特征5.3.1.循環(huán)過(guò)程AB總放熱（取絕對(duì)值）總吸熱在圖中，若循環(huán)為順時(shí)針，則，系統(tǒng)對(duì)外做功，此循環(huán)為正循環(huán)。若循環(huán)為逆時(shí)針，則系統(tǒng)對(duì)外做功，此循環(huán)為逆循環(huán)。熱機(jī)：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器.即工作物質(zhì)做正循環(huán)。致冷機(jī)：通過(guò)做功將熱量從從低溫溫傳到高溫的機(jī)器，或者將功變成熱量。即工作物質(zhì)做逆循環(huán)

熱機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介

1698年薩維利和1705年紐可門(mén)先后發(fā)明了蒸汽機(jī)，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低.1765年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn)，大大提高了效率.人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力，從理論上研究熱機(jī)效率問(wèn)題，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推動(dòng)了熱學(xué)理論的發(fā)展.各種熱機(jī)的效率液體燃料火箭柴油機(jī)汽油機(jī)蒸汽機(jī)熱機(jī)熱機(jī)效率和致冷機(jī)的致冷系數(shù)熱機(jī)效率高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)（正循環(huán)）AB致冷機(jī)致冷系數(shù)致冷機(jī)（逆循環(huán)）致冷機(jī)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碅B

卡諾循環(huán)是由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過(guò)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程組成.5.3.2卡諾循環(huán)

低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)WABCD

1824年法國(guó)的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作在兩熱源之間的理想循環(huán)—卡諾循環(huán).給出了熱機(jī)效率的理論極限值;他還提出了著名的卡諾定理.WABCD

理想氣體卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的計(jì)算

A—B

等溫膨脹

B—C

絕熱膨脹

C—D

等溫壓縮

D—A

絕熱壓縮卡諾循環(huán)A—B等溫膨脹吸熱C—D

等溫壓縮放熱WABCD

D—A

絕熱過(guò)程B—C

絕熱過(guò)程

卡諾熱機(jī)效率WABCD

卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高.

WABCD高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)

卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)

圖中兩卡諾循環(huán)嗎？討論

有一卡諾熱機(jī)，用空氣為工作物質(zhì)，工作在的高溫與的低溫之間，此熱機(jī)的效率為？若在等溫膨脹過(guò)程中汽缸的體積增大2.718倍，則此熱機(jī)每一循環(huán)所作的功為？5.3熱力學(xué)第二定律

1

開(kāi)爾文說(shuō)法：不可能制造出這樣一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，它只使單一熱源冷卻來(lái)做功，而不放出熱量給其它物體，或者說(shuō)不使外界發(fā)生任何變化.5.3.1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述

熱一律闡明了熱力學(xué)過(guò)程應(yīng)滿足能量守恒定律，但滿足熱一律的過(guò)程不一定能夠發(fā)生，即過(guò)程進(jìn)行具有一定的方向性（比如：功熱轉(zhuǎn)換，熱傳導(dǎo)，氣體自由膨脹）。熱二律闡明熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行的方向和限度。

等溫膨脹過(guò)程是從單一熱源吸熱作功，而不放出熱量給其它物體,但它非循環(huán)過(guò)程.12W

W低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)WABCD

卡諾循環(huán)是循環(huán)過(guò)程，但需兩個(gè)熱源，且使外界發(fā)生變化.高溫?zé)嵩碩1第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不能制成。=0由于

=1是不可能的，效率為百分之百的熱機(jī)（單熱機(jī)）是不存在的。想一想：第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)違反熱力學(xué)第一定律嗎？

雖然卡諾致冷機(jī)能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化.2、克勞修斯說(shuō)法：不可能把熱量從低溫物體自動(dòng)傳到高溫物體而不引起外界的變化.高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)WABCD注意

1

熱力學(xué)第二定律是大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié).3熱力學(xué)第二定律每一種說(shuō)反映了自然界過(guò)程進(jìn)行的方向性.2

熱力學(xué)第二定律開(kāi)爾文說(shuō)法與克勞修斯說(shuō)法具有等效性.

左邊四圖是某人設(shè)計(jì)的理想氣體的四種循環(huán)過(guò)程，哪種是物理上可能實(shí)現(xiàn)的循環(huán)過(guò)程？

答B(yǎng)等溫等溫等溫絕熱絕熱絕熱絕熱絕熱絕熱等體等體等壓ABCD討論準(zhǔn)靜態(tài)無(wú)摩擦過(guò)程為可逆過(guò)程

可逆過(guò)程

:在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中,如果逆過(guò)程能重復(fù)正過(guò)程的每一狀態(tài),而不引起其它變化,這樣的過(guò)程叫做可逆過(guò)程.5.3.2.可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（無(wú)限緩慢的過(guò)程），且無(wú)摩擦力、粘滯力或其他耗散力作功，無(wú)能量耗散的過(guò)程.

可逆過(guò)程的條件

非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程為不可逆過(guò)程.

不可逆過(guò)程：在不引起其它變化的條件下，不能使逆過(guò)程重復(fù)正過(guò)程的每一狀態(tài)，或者雖能重復(fù)但必然會(huì)引起其它變化，這樣的過(guò)程叫做不可逆過(guò)程.熱傳導(dǎo)高溫源低溫源Q

氣體自由膨脹大小V

氣體混合分離混合

非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體

熱傳導(dǎo)

熱功轉(zhuǎn)換完全功不完全熱

自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的，都是有一定方向性的.

熱力學(xué)第